Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in both marine and freshwater environments. They are best known for causing toxic blooms called ‘red-tides’, for their symbiosis with corals, and for their important contribution to carbon fixation in the ocean. On a more molecular level, they are also known for their unique nuclear characteristics, as they generally have huge amount of DNA found in chromosomes that are permanently condensed and packaged into liquid crystalline forms instead of nucleosomes. Nuclear-encoded genes are often present in multiple copies and arranged in tandem, and no putative promoter elements including the conserved TATA box, have yet been observed. The unique organization of dinoflagellate chromatin suggests different strategies may be required to regulate gene expression in these organisms. In this study, I have started to address this problem using the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum as a model. L. polyedrum is of particular interest because it shows a number of circadian (daily) rhythms. To date, all circadian changes in gene expression studied are regulated at a translational level. I have used transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic approaches along with biochemical studies to provide insight into the gene regulatory mechanisms in dinoflagellates, with particular emphasis on the importance of phosphorylation in the L. polyedrum circadian system. The absence of histone proteins and nucleosomes is a hallmark of the dinoflagellates. Using high throughput RNA-seq technology, I found complete set of sequences encoding the core histones as well as sequences encoding histone-modifying enzymes in L. polyedrum. Thus L. polyedrum expresses conserved histone transcripts, although levels of proteins are still below what can be detected using immunoblotting studies. Using the de novo assembly algorithm the RNA-seq data was used to generate a transcriptome. This transcriptome, a list of genes expressed by L. polyedrum, has been extensively characterized. First, homology based sequence searches were used to classify the transcripts in gene ontology (GO) categories, and this analysis revealed a reduced number of transcription factor types and a surprising predominance of sequences containing a cold shock domain. Alignments of reads from the RNA–seq to genomic copies of L. polyedrum tandem repeat sequences was performed to assess the possibility of polycistronic transcripts, a hypothesis proposed to explain the lack of promoter elements in the intergenic region of the tandem repeat gene sequences. This analysis also showed a surprisingly high conservation of tandemly repeated gene sequences. The transcriptome database was also used to fuel gene identification after protein sequencing by mass spectrometry, and a purified phosphoproteome fraction was found to be particularly amenable to high throughput approaches. A comparison of the phosphoproteome at two different times of day revealed that a major class of proteins whose phosphorylation state varied over time belonged to the RNA binding and translation GO category. The transcriptome was also used to define the spectrum of kinases present in L. polyedrum, which in turn was used to classify the different phosphorylated peptides as potential kinase targets. Predicted peptides of casein kinase 2 (CK2), a kinase known to be involved in the circadian clocks of other eukaryotes, were found to include many RNA binding proteins. To assess the possibility that some of the many cold shock domain proteins identified in the transcriptome might modulate gene expression in L. polyedrum, as has been observed in many other eukaryotic and prokaryotic systems, the cellular response to cold temperatures was examined. Cold temperatures were found to induce rapid encystment, a metabolically inactive cell type whose role is to combat unfavourable environmental conditions. Changes in phosphoproteome profile were found to be the major molecular correlates to cyst formation. Predicted CK2 phosphosites are the most highly reduced class of kinase targets, a finding of interest as measurements of the bioluminescence rhythm confirmed that the clock is stopped in cysts

Les Dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires photosynthétiques qui participent à une production importante du phytoplancton et sont donc à la base de la chaîne alimentaire. Bien qu’ils soient des eucaryotes, leur organisation génétique présente plusieurs particularités qui leur sont singulières. Contrairement à tous les eucaryotes chez qui les chromosomes ne se condensent qu'au moment de la mitose, les chromosomes des dinoflagellés restent condensés pendant tout le cycle cellulaire. La mitose des dinoflagellés est distinguée de la mitose ordinaire des cellules eucaryotes. Le noyau de Lingulodinium polyedrum reste intact et son enveloppe nucléaire ne se brise pas pendant la mitose. Les microtubules devraient ainsi se coller à la membrane nucléaire du côté du cytoplasme pour tenter de s'accrocher aux chromosomes qui eux sont attachés à la surface interne de la membrane, le fuseau mitotique traverse donc le noyau par une ou plusieurs invaginations nucléaires ou canaux. Lingulodinium polyedrum est considéré un organisme modèle pour étudier les rythmes circadiens. Cette étude illustre les changements morphologiques des chromosomes durant les différents stades de la mitose, en utilisant le microscope électronique à transmission et microscope à fluorescence. Le transcriptôme de Lingulodinium polyedrum a été utilisé pour recenser les composants régulateurs conservés contrôlant l’entrée en phase S ou en phase M, telles que des cyclines ou des Cdks. Mots-clés : Lingulodinium polyedrum, dinoflagellé, cycle cellulaire, rythme circadien, mitose, phase S, phase M, cycline, CDK, transcriptome / Dinoflagellates are unicellular photosynthetic eukaryotes comprising a major part of the phytoplankton and thus, represent the foundation of the food chain. Although dinoflagellates are eukaryotes, their genetic organization has several features which are unique to them. Unlike all eukaryotes in which the chromosomes condense only at the moment of mitosis, dinoflagellates chromosomes stay condensed throughout the cell cycle. Furthermore, the mitosis of dinoflagellates is distinguished from the ordinary mitosis of eukaryotic cells. The nucleus of Lingulodinium polyedrum remains intact and its nuclear envelope does not break down during mitosis. Microtubules stick to the nuclear membrane on the side of the cytoplasm and link to the chromosomes that are attached to the inner surface of the membrane by transmembrane proteins. The mitotic spindle therefore passes through the nucleus by one or more nuclear invaginations or channels. Lingulodinium polyedrum is considered as model organism for studying circadian rhythms among which is featured the cell cycle. This study illustrates the morphological changes of chromosomes during the various stages of mitosis, by transmission electron microscope and a fluorescence microscope. The transcriptome of Lingulodinium polyedrum was used to identify conserved regulatory components controlling entry into S-phase or M phase, such as cyclins or Cdks.

Les dinoflagellés sont une famille d'eucaryotes unicellulaires trouvés dans les écosystèmes marins et d'eau douce et sont d'importants producteurs primaires. Ils sont réputés pour plusieurs comportements distinctifs, notamment la formation de proliférations d'algues nuisibles appelées « marées rouges », l'émission de bioluminescence dans l'océan et leur contribution à la formation de récifs coralliens. Leur structure génomique est inhabituelle avec de grandes quantités d'ADN et des chromosomes condensés en permanence à toutes les étapes du cycle cellulaire. L’ADN est sans nucléosome et se trouve dans une structure de cristaux liquides. Plusieurs gènes sont codés dans de multiples répétitions situées dans des réseaux en tandem produisant des protéines pratiquement identiques sans aucun élément conservé détecté dans les régions présumées promotrices en amont de la séquence codante. Ces caractéristiques uniques rendent difficile à comprendre comment les cellules régulent l'expression des gènes. Cette thèse examine l’hypothèse que la régulation de transcription est difficile et peu utilisée chez les dinoflagellés. Les dinoflagellés présentent une rareté des facteurs de transcription, les protéines du domaine de choc froid (CSP) représentant la majorité des protéines de liaison à l'ADN potentielles dans le transcriptome de Lingulodinium polyedra et le génome de Symbiodinium kawagutii. Le potentiel des CSP de dinoflagellés à agir en tant que facteurs de transcription spécifiques à la séquence a été testé en utilisant des tests de déplacement de mobilité électrophorétique. Ces études ont révélé que quatre CSP différentes ont montré une préférence pour l'ARN par rapport à l'ADN simple et double brin. Une deuxième approche a examiné le ciblage de la séquence spécifique par des tests de sélection et de liaison d'amplification, et cela n'a révélé aucun motif consensus détectable dans la liaison à l'ADN. Nous concluons que les CSP dinoflagellés sont plus susceptibles de fonctionner comme des protéines de liaison à l'ARN que comme des facteurs de transcription. Il a été rapporté que l'expression de nombreux gènes chez plusieurs espèces de dinoflagellés était régulée par l'exposition à la lumière. Cela a été testé pour trois gènes, dont l'expression régulée par la lumière chez l'espèce formant des récifs Symbiodinium kawagutii. La régulation de ces gènes a été rapportée dans la littérature suggérant la possibilité d’identifier les éléments régulateurs dans le promoteur. Cependant, l'analyse par transfert de Northern n'a pas pu valider le modèle d'expression de ces trois gènes chez S. kawagutii. De plus, le séquençage d'ARN à haut débit a confirmé que ces trois gènes n'étaient pas induits par la lumière. Au total, seuls sept gènes ont été exprimés de manière différentielle à l'aube et au crépuscule en utilisant RNA-Seq, et tous étaient de moindre abondance à la fin de la période de lumière sur un 12: 12 cycle L: D. Trois des sept ont également été examinés en utilisant une analyse qPCR, et seule deux des trois ont pu être confirmés comme étant altérés, mais avec une différence de facteur inférieure à celle observée avec RNA-Seq. Nous en concluons qu'il y a peu de régulation lumineuse de l'expression génique dans cette espèce dinoflagellé. Dans l’ensemble, les études décrites ici appuient l’hypothèse que les dinoflagellés ont un moins grande dépendance sur la régulation transcriptionnelle que d’autres organismes. / Dinoflagellates are a large family of unicellular eukaryotes found in marine and freshwater ecosystems and are important primary producers in marine ecosystem. They are famous for several distinctive behaviors including forming harmful algal blooms called “red tides”, emission of bioluminescence in the ocean, and contributing to the formation of coral reefs. They have an unusual genome structure with large amounts of DNA and permanently condensed chromosomes throughout all stages of the cell cycle. The chromatin lacks observable nucleosomes and has a liquid crystal structure. Some genes are encoded in multiple repeats located in tandem arrays producing virtually identical proteins without any known conserved elements detected in the upstream promoter regions or intergenic spacers. These unique features make it difficult to understand how gene expression is regulated. This thesis describes two experimental tests for the hypothesis that transcriptional regulation is difficult and is not the primary means of regulating gene expression in dinoflagellates. Dinoflagellates show a paucity of transcription factors, and of these, cold shock domain proteins (CSPs) account for the majority of potential DNA binding proteins in the transcriptome. Here, the potential of dinoflagellate CSPs from free-living Lingulodinium polyedra and reef-forming Symbiodinium kawagutii (recently renamed to Fugacium kawagutii) to act as sequence specific transcription factors was tested. These studies using four different CSPs showed a preference for RNA over both single and double stranded DNA using electrophoretic mobility shift assays (EMSA). A second approach, testing for specific sequence binding by three cycles of selection and amplification binding (SAAB) did not enrich any consensus motif for any of the four proteins. We conclude dinoflagellate CSPs are more likely to function as RNA binding proteins than as transcription factors. Expression of many genes in many dinoflagellate species has been reported to be regulated by light. This was tested for three genes whose expression was reported to be light-regulated in Symbiodinium kawagutii. The availability of a genome sequence for this species suggested that it might be possible to identify potential regulatory elements in the promoter of these genes. However, Northern blot analysis was unable to confirm differential expression of these three genes over a 24 hour light-dark cycle. Furthermore, RNA-Seq of samples taken at the end of the day and night also indicated these three genes were not light-induced. In total, only seven genes were found to be differentially expressed at dawn and dusk using RNA-Seq in triplicate with a false discovery rate (FDR) of 0.1. All were of lower abundance at the end of the light period on a 12:12 L:D cycle suggesting possible repression by light. Three of these seven, picked at random, were examined using qPCR analysis. Only two of the three had lower abundance at the end of the day by this technique, and the fold difference was less than what was observed with RNA-Seq. We conclude from this that there is little light regulation of gene expression in this dinoflagellate species. Taken together, the studies described here support the hypothesis that dinoflagellates do not rely on regulation of genes at the transcriptional level to the same extent as other organisms.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in most aquatic ecosystems of the world. They are major contributors to carbon fixation in the oceans, either as free-living phytoplankton or as symbionts to corals. Dinoflagellates are also infamous because some species can form spectacular blooms called red tides, which can cause serious damage to ecosystems, human health, fisheries and tourism. One of the factors often correlated with algal blooms are increases in nutrients, particularly nitrogen and phosphorus. Nitrate is one of the main components of agricultural runoffs, but also the most abundant bioavailable form of nitrogen in marine environments. Thus, agricultural activities have globally contributed to the magnification of the problems associated with red tides. However, bloom formation and persistence cannot be ascribed to human pollution alone, because other biotic and abiotic factors are at play. Particularly, it is difficult to assess the relative importance of nitrate addition over these other factors, because nitrate metabolism in dinoflagellate is mostly unknown. Filling part of this gap was the main goal of this thesis. I selected Lingulodinium polyedrum as a model for studying nitrate metabolism, because this dinoflagellate can easily be cultured in the lab and a recent transcriptomic survey has provided an almost complete gene catalogue for this species. It is also interesting that some molecular components of the nitrate pathway in this organism have been reported to be under circadian control. Thus, in this project, I used physiological, biochemical, transcriptomic and bioinformatic approaches to enrich our understanding of dinoflagellate nitrate metabolism and to increase our appreciation of the role of the circadian clock in regulating this important primary metabolic pathway. I first studied the particular case of dinoflagellate blooms that occur and persist in conditions of nitrogen depletion. This idea may seems counterintuitive, because nitrogen addition rather than depletion, is generally associated with algal blooms. However, I discovered that when nitrate was added to nitrogen-deficient or nitrogen-sufficient cultures, those that had been acclimated to nitrogen stress were able to survive for about two months at high cell densities, while non-acclimated cells died after two weeks. In conditions of severe nitrogen limitation, cells could survive a little bit more than two weeks by arresting cell division and reducing photosynthetic rates. The incapacity to synthesize new amino acids for these deprived cells in a context of on-going photosynthesis led to the accumulation of reduced carbon in the form of starch granules and lipid bodies. Interestingly, both of these carbon storage compounds were polarized in Lingulodinium cells, suggesting a functional role. The second contribution of my thesis was to identify and characterize the first nitrate transporters in dinoflagellates. I found that in contrast to plants, Lingulodinium had a reduced suite of nitrate transporters and only members of the high-affinity nitrate transporter 2 (NRT2) family were predicted to be functionally relevant in the transport of nitrate. The main transporter was constitutively expressed, which suggested that nitrate uptake in Lingulodinium was mostly a constitutive process rather than an inducible one. I also discovered that nitrate uptake in this organism was light-dependent and not a circadian-regulated process, as previously suggested. Finally, I used RNA-seq to verify if any transcripts involved in the nitrate metabolism of Lingulodinium were under circadian control. Not only did I discovered that there were no daily variations in the level of transcripts involved in nitrate metabolism, but also that there were no changes for any transcripts present in the whole transcriptome of Lingulodinium. This discovery showed that the circadian timer in this species did not require rhythmic transcription to generate biological rhythms, as observed in other eukaryotes.