Les progrès fulgurants de ces dix dernières années réalisés dans les domaines de la microinformatique et de la microfluidique associés au génie génétique (PCR et séquençage) ont permis un changement d'échelle dans la quantité des données acquises au cours d'une même expérience. La transcriptomique est directement issue de ces avancées technologiques. Ce mémoire présenté pour l'obtention d'une Habilitation à Diriger des Recherdes porte sur l'analyse du transcriptome de la bactérie intracellulaire obligatoire des pucerons, Buchnera aphidicola. Dans la première partie, les principales méthodes d'analyses statistiques différentielles et d'intégration des données transcriptomiques sont présentées sous la forme d'une analyse bibliographique. La deuxième partie est consacrée au développement d'outils bioinformatiques : ROSO, un logiciel d'optimisation des sondes oligonucléotidiques, la puce Buchnera et SITRANS, un système d'information pour la gestion et la publication des données d'expression. Enfin, la dernière partie est consacrée à la caractérisation du transcriptome de Buchnera en condition de stress trophique de son hôte, le puceron du pois Acyrthosiphon pisum. La régulation transcriptionnelle chez les bactéries symbiotiques intracellulaires à génome réduit est encore actuellement très mal connue. Cette question sera abordée chez Buchnera tout d'abord au niveau évolutif par l'étude de la relation entre l'expression des gènes et leur organisation dans le génome, puis au niveau fonctionnel, par la caractérisation de la réponse de la bactérie à une diminution de la quantité d'acides aminés essentiels dans le substrat nutritif du puceron, combinée à un stress osmotique.

Les duplications jouent un rôle important dans l'évolution des protéines et sont à l'origine des répétitions intragéniques présentes dans environ 14% des séquences protéiques. Nous avons choisi d'étudier ces répétitions d'un point de vue évolutif. Pour cela, nous avons développé un programme, Swelfe, qui cherche les répétitions à la fois dans les gènes, les séquences d'acides aminés et les structures tridimensionnelles des protéines. Ce programme utilise le même algorithme de programmation dynamique à tous les niveaux et une représentation séquentielle des structures 3D. Les scores et les tests de significativité des répétitions obtenues ont été adaptés pour chaque niveau. Nous avons créé une banque contenant les séquences d'ADN et d'acides aminés correspondant aux structures de la PDB, et comparé Swelfe à DALI pour valider la méthode au niveau des répétitions structurales. Enfin, ce programme est disponible à http://bioserv.rpbs.jussieu.fr/swelfe. Swelfe a trouvé un nombre important de répétitions dans un ensemble non redondant de séquences nucléiques, séquences protéiques et structures tridimensionnelles, et environ 10% des protéines contiennent des répétitions à au moins un niveau. Cependant, le recouvrement des répétitions aux trois niveaux est assez faible et beaucoup de répétitions ne sont trouvées qu'à un seul niveau, ce qui confirme l'intérêt de cette étude sur les trois niveaux en parallèle L'étude des répétitions structurales longues montre qu'environ 30% de ces répétitions sont symétriques à 180°, comme le sont les deux éléments d'un homo-dimère. L'analyse de ces protéines indique que certaines pourraient effectivement remplacer des dimères.

Des nouvelles résistances aux agents pathogènes introgressées dans les plantes cultivées sont fréquemment contournées dans différents pathosystèmes, engendrant des épidémies et des pertes économiques. En conséquence, la compréhension des stratégies évolutives impliquées dans l'adaptation des populations pathogènes est nécessaire pour améliorer la gestion durable des résistances. Bremia lactucae, agent pathogène de la laitue est un organisme diploïde, hétérothallique avec des cycles de reproduction sexuée et asexuée. Cet oomycète est soumis aux fortes pressions de sélection exercées par des gènes de résistance de la plante hôte. Sous cette pression de sélection, les populations de B. lactucae ont montré une rapide adaptation aux résistances hôtes qui se sont donc avérées peu durables. L'étude de la structure génétique d'un agent pathogène peut permettre de comprendre les mécanismes évolutifs impliqués dans le contournement des résistances variétales. Ainsi, une étude de la structure génétique (neutre et potentiellement soumise à sélection) des populations de B. lactucae en France a été conduite afin d'identifier les forces évolutives impliquées dans le contournement des résistances de l'hôte et de déterminer l'influence des pressions de sélection des gènes de résistance de la plante hôte sur cette structure. J'ai validé 12 microsatellites, marqueurs moléculaires neutres, pour analyser la structure génétique de B. lactucae en France. Plus de 800 isolats ont été prélevés dans les plus importants bassins de production de la plante hôte, Lactuca sativa. Ces isolats ont été prélevés sur différentes variétés regroupées selon leur combinaison de gènes de résistance. Par ailleurs, une prospection dans le compartiment sauvage a permis d'échantillonner des isolats de B. lactucae sur la plante hôte adventice L. serriola. Le polymorphisme de plusieurs effecteurs candidats à motif RxLR, a été étudié dans différentes populations de Bremia. La faible diversité génétique et l'excès d'hétérozygotie observés sont en faveur d'une reproduction clonale mais de rares évènements de reproduction sexuée sont également suggérés par les résultats. Par ailleurs, la faible différenciation génétique entre populations suggère des flux de gènes importants à l'échelle des régions. Des flux de gènes ont également été mis en évidence entre le pathosystème du compartiment sauvage et le pathosystème du compartiment cultivé évoquant un possible rôle de réservoir génétique des plantes hôtes adventices. Une structuration des populations en plusieurs lignées clonales résultant de la pression de sélection des gènes de résistance des cultivars est également indiquée par l'analyse des résultats des marqueurs neutres et sélectionnés. La caractérisation de la structure des populations de B. lactucae nous permet de mettre en évidence le fort potentiel évolutif (flux de gènes importants, système de reproduction mixe, sélection de mutants et de migrants par les gènes de résistance) de B. lactucae expliquant la rapide adaptation aux résistances hôtes. Ainsi, nous pouvons suggérer des pistes de gestion des gènes de résistance comme favoriser l'utilisation de résistances quantitatives et l'utilisation de cultures d'association afin d'améliorer la durabilité des résistances.

Avec l'arrivée des données moléculaires vers la fin des années 70, nous avons assisté à la découverte de nouveaux mécanismes d'évolution primordiaux dont l'échange du matériel génétique entre les espèces. Un tel échange peut se faire horizontalement, quand l'organisme intègre le matériel génétique provenant d'un autre organisme qui n'est pas son descendant direct, ou verticalement, quand l'organisme reçoit du matériel génétique à partir de son ancêtre le plus proche. Le problème de la détection et de la classification des transferts horizontaux de gènes (THG) est parmi les plus ardus en bioinformatique. Dans cette thèse, nous décrivons cinq nouveaux algorithmes pour la détection de THGs complets ou partiels qui seront basés sur des comparaisons topologiques et métriques entre un arbre d'espèces et un arbre de gène inférés pour le même ensemble d'espèces. Ces algorithmes incluent l'algorithme de détection de THGs complets ainsi que ses versions interactive et consensus. Les deux algorithmes de détection de transferts partiels que nous avons proposés peuvent être vus comme une généralisation de l'algorithme de détection de transferts complets. Ils peuvent être utilisés pour identifier des gènes mosaïques. Nous présentons aussi dans cette thèse une version parallèle de l'algorithme de détection de THGs complets, ainsi qu'une plateforme pour la transformation semi-automatique de programmes bioinformatiques séquentiels en programmes parallèles. Une interface Web intégrant tous les programmes développés dans le cadre de ce projet doctoral a aussi été mise au point. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : algorithmes bioinformatiques, arbre phylogénétique, programmation parallèle, réseau réticulé, transfert horizontal de gènes (THG).

Le facteur de transcription Staf et son orthologue humain ZNF143 sont impliqués dans l'activation de la transcription de gènes d'ARN non codants transcrits par l'ARN polymérase II et III et dans celle de 7 gènes de protéines. L'objectif de ma thèse était de caractériser de nouveaux gènes cibles de ce facteur chez l'homme. Par une approche bioinformatique couplée à des expériences de ChIP, nous avons montré qu'environ 10% des promoteurs de gènes de protéines humaines fixent hStaf/ZNF143. Ceci suggère que le site de liaison de hStaf/ZNF143 (SBS) est l'un des plus abondants dans les génomes de mammifères. En parallèle, nous avons étudié les promoteurs des gènes TFAM, BUB1B et SCARNA2 dans lesquels nous avons identifié des éléments conservés dont des sites SBS. Nous avons montré l'importance de ces éléments dans la transcription. Ces résultats mettent en évidence que Staf régule l'activité de gènes impliqués dans des processus cellulaires divers via des promoteurs à architectures variées.

La différenciation des lymphocytes T dans le thymus est strictement contrôlée par le réarrangement des gènes codants pour les chaînes du TCR et leur expression en surface dans le cadre du pré-TCR ou du TCR. Les souris incapables d'assembler un pré-TCR présentent un blocage précoce du développement des thymocytes. Nous avons montré que l'irradiation de souris CD3ε-/-, qui sont déficientes en pré-TCR, restaure la différenciation des thymocytes par des voies différentes selon que p53 soit présente ou non. En réponse à l'irradiation, il existe une dissociation temporelle de l'activation des voies de signalisations contrôlant plusieurs événements co-régulés durant le développement des thymocytes. Ces voies sont cependant toutes deux centralisées au niveau de LAT. L'irradiation induit donc des voies de signalisations mimant les effets de l'activation du pré-TCR.<br />La différenciation radio-induite des thymocytes immatures s'accompagne du réarrangement de novo des gènes TCRA. L'étude des jonctions signal (JS) formées lors du réarrangement des gènes TCRA ne montre pas de différences de structure entre les JS de souris sauvages ou les JS formées suite à l'irradiation. Le réarrangement TCRA radio-induit est donc probablement l'œuvre de la machinerie de recombinaison traditionnelle. Contrairement au modèles actuels de recombinaison V(D)J les JS de souris sauvages analysées présentent des modifications, quels que soient les gènes réarrangés. Nous avons pu montrer une influence de plusieurs protéines impliquées dans la réparation de l'ADN et le maintient de la stabilité du génome sur la structure des JS. Nous proposons que ces modifications ne sont pas le résultat d'un processus de recombinaison aberrant mais constituent une propriété intrinsèque de la recombinaison. <br />Nos travaux permettent donc une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de la recombinaison V(D)J.

Les processus de l'évolution des génomes, particulièrement des génomes de primates, font l'objet de cette thèse. Ont été ainsi creusées les questions de la conservation ou non de séquences nucléiques de précurseurs peptidiques dans la lignée des primates, et de la mise en place, de l'évolution et de l'expression de deux familles de gènes spécifiques des primates. <br /><br />Brassages d'exons, rétrotransposition, duplications... sont impliqués dans la création de nouveaux gènes. L'étude de la création et des premiers temps d'un gène nécessite la mise en évidence de gènes récents, ayant conservé les caractéristiques de leur mise en place. <br /> Deux familles de gènes ont retenu mon attention:<br />1. Les gènes PMCHL ont été créés récemment par des processus de rétroposition, remaniements, insertions/délétions et accumulation de mutations. Des analyses de structure et phylogénétique permettent une meilleure compréhension de l'origine de ces gènes spécifiques des Primates. Les gènes PMCHL sont transcrits, de façon tissu-spécifique, et présentent de nombreux épissages alternatifs. Enfin, l'expression des ARN messagers PMCHL est comparée dans le cerveau de l'Homme et du Macaque. <br />2. Les gènes dérivés de GUSB ont été identifies par hybridation in situ fluorescente chez les Primates. Une recherche systématique dans le génome humain a permis la découverte et la caractérisation d'une grande famille de gènes comptant plus de quinze paralogues chez l'Homme. L'analyse structurale et phylogénétique de ces séquences a permis de préciser l'histoire de leur mise en place et de leur évolution. Certains des membres de cette famille de gènes ont en outre acquis une capacité transcriptionnelle.

La thérapie génique est envisagée pour le traitement de nombreuses maladies du <br />système nerveux. Le transfert de gène peut être utilisé pour compenser l'absence ou le <br />dysfonctionnement d'un gène déficient, coder une protéine thérapeutique, ou inhiber un <br />gène par ARN interférence. L'utilisation de vecteurs lentiviraux pour transférer un gène <br />thérapeutique, est une approche prometteuse pour de futures applications thérapeutiques. <br />Cependant, pour une utilisation sécurisée de ces vecteurs, il est nécessaire de contrôler <br />l'expression des gènes thérapeutiques. Ceci permettra d'adapter le traitement aux besoins <br />du patient ou de l'arrêter en cas de complications graves. Dans ce contexte, mon travail a <br />porté sur la mise au point de systèmes de régulation de l'expression de gènes thérapeutiques <br />inductibles par la tétracycline (Tet-on) au sein d'un seul vecteur lentiviral. <br /><br />Dans une première approche, le système Tet-on a été incorporé au sein d'un vecteur <br />lentiviral unique. Des vecteurs codant la luciférase et la tyrosine hydroxylase (TH) ont été <br />produits et caractérisés in vitro et in vivo. Ces vecteurs ont permis d'exprimer de façon <br />régulée les transgènes avec une expression induite d'un facteur 100 en présence de <br />doxycycline. Le vecteur TH inductible a été par la suite validé dans un modèle de rat de la <br />maladie de Parkinson pour démontrer son efficacité et la possibilité de réguler un gène <br />thérapeutique in vivo. <br /><br />Le deuxième volet de mon travail a porté sur le développement d'un système <br />inductible d'expression des shARN utilisant un nouveau transactivateur dépendant de la <br />doxycycline capable d'induire la transcription de shARN à partir d'un promoteur d'ARN <br />polymérase III minimal. Après intégration dans un vecteur lentiviral, ce système a permis <br />de contrôler efficacement et de manière réversible l'expression de la GFP et de la protéine <br />p53 in vitro. En présence de doxycycline, une extinction de 90 % de l'expression des deux <br />gènes cibles a été obtenue. Cette expression a été réinduite après retrait de la doxycycline. <br />L'efficacité de ce système est dépendante de la dose et du temps de traitement avec la <br />doxycycline. <br /><br />L'intégration de systèmes de régulations efficaces au sein d'un vecteur lentiviral <br />unique constitue une étape cruciale pour une utilisation sécurisée de ces vecteurs en <br />thérapeutique humaine.

L'électrotransfert est une solution prometteuse aux problèmes posés par les méthodes de transfert virales, aussi bien en termes d'applications thérapeutiques qu'en tant qu'outil de recherche. Cependant des progrès doivent encore être réalisés pour augmenter l'efficacité de transfection dans les divers types cellulaires, pour améliorer la connaissance des mécanismes impliqués ainsi que pour confirmer l'innocuité de l'électrotransfert. Dans une étude préliminaire, nous avons démontré que l'efficacité de transfert par injection locale d'ADN seule augmentait avec la vitesse d'injection, impliquant probablement de l'endocytose médiée par récepteur, mais aussi une faible perméabilisation membranaire. Nous avons ensuite confirmé in vivo le rôle perméabilisant des impulsions courtes de fort voltage (HVs) et le rôle électrophorétique des impulsions longues de bas voltage (LVs), lors de l'électrotransfert. Nous avons aussi montré l'influence d'un délai entre le HV et le LV sur l'efficacité et la toxicité des impulsions électriques appliquées. Notre étude de l'impulsion HV semble montrer également que le tissu n'a pas besoin d'être complètement perméabilisé dans le cadre de l'électrotransfert. Nous avons aussi pu confirmer in vivo que plus les cellules du tissu étaient petites, plus le champ électrique à appliquer pour le HV devait être fort, conformément à l'équation de Schwan :

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation la plus fréquente en orthopédie pédiatrique. C'est une maladie qui génère des déformations complexes du rachis, du thorax et du bassin affectant plus sévèrement et majoritairement les filles à la puberté. Malgré de nombreuses années de recherches approfondies dans le domaine de la SIA, la cause n'a toujours pas été résolue. OBJECTIFS : Il a été démontré qu’il existe une dysfonction de la signalisation de la mélatonine par les protéines G inhibitrices (Gi) dans les ostéoblastes isolés de patients atteints de SIA. Ceci a conduit à une stratification des patients en trois groupes fonctionnels. Le but de ce projet de maîtrise est d’établir les profils d’expression moléculaire correspondant à chacun des groupes fonctionnels. Les objectifs spécifiques sont d’identifier les gènes responsables de l’initiation de la SIA et du défaut différentiel observé dans la signalisation des récepteurs couplés aux protéines Gi. MÉTHODES : Des ARNs ont été préparés à partir d’ostéoblastes isolés de patients atteints de SIA sélectionnés pour chaque groupe fonctionnel et comparés aux ARNs obtenus d’ostéoblastes de sujets sains. En plus, des cellules sanguines (PBMCs) isolées d’une paire de jumelles monozygotes discordantes pour la scoliose ont été étudiées pour comparer leur profil d’expression génétique. Nous avons utilisé des biopuces à ADN contenant un ensemble de 54,000 sondes permettant l’analyse du niveau d’expression de plus de 47,000 transcrits représentant 30,000 gènes humains bien caractérisés (Affymetrix, GeneChip® Human gene 1.0 ST array). Les gènes retenus ont par la suite été validés par qPCR sur un plus grand nombre de patients afin de tester la spécificité des profils d’expression pour chaque groupe de patients à partir des cellules osseuses dérivées lors de la chirurgie. RÉSULTATS: Le profilage moléculaire proposé permettra d’établir les fondements moléculaires de la SIA selon le test fonctionnel développé par le Dr Moreau et son équipe et d’identifier de nouveaux gènes associés à la SIA. Ce projet a permis de mettre en évidence des gènes possiblement impliqués dans le défaut de signalisation associé aux protéines Gi communs aux trois groupes, ainsi que des gènes spécifiques à certains groupes, pouvant contribuer au développement de certaines co-morbidités et/ou au risque d’aggravation des déformations rachidiennes. L’étude préliminaire des jumelles monozygotes discordantes pour la scoliose a mis en évidence un nombre limité de gènes possiblement associés au défaut de signalisation observé chez la jumelle scoliotique, gènes dont l’expression pourrait être influencée par des modifications d’ordre épigénétique liées à l’environnement. CONCLUSION: Les données obtenues par des approches de transcriptomiques dans le cadre de ce projet soutiennent notre méthode de stratification fonctionnelle des patients SIA et ont conduit à l’identification de nouveaux gènes associés à la SIA. Ces résultats jettent un éclairage nouveau sur la SIA et contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes et facteurs impliqués dans l’étiologie de la SIA. À cet égard, nos résultats permettront éventuellement d’identifier des cibles thérapeutiques potentielles et des traitements personnalisés compte tenu des profils moléculaires distincts observés pour chaque groupe de patients. / The adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most common deformity in paediatric orthopaedics. It is a disease that generates complex deformations of the spine, thorax and pelvis and severely affecting mainly girls at puberty. Despite many years extensive research into the field of AIS, the cause of this disorder has still not been resolved. OBJECTIFS: We have demonstrated a differential melatonin signaling dysfunction through G inhibitory (Gi) proteins in osteoblasts isolated from AIS patients. This led to a stratification of AIS patients into three distinct functional groups. The goal of this project is to establish molecular expression profiles corresponding to each functional group. The specific objective is to identify genes responsible for the initiation of the AIS and the differential dysfunction in the signaling of Gi protein-coupled receptors. METHODES: Osteoblasts isolated from AIS patients of each functional subgroup were selected and compared to osteoblasts obtained from healthy controls. In addition, blood cells (PBMCs) isolated from a pair of monozygotic discordant twins of scoliosis was studied to compare their gene expression profiles. We used DNA chips with 54,000 probe sets that allow analysis of expression level of over 47,000 transcripts and variants from over 30,000 well-characterized human genes (Affymetrix, GeneChip® Human gene 1.0 ST array). The identified genes were subsequently validated by qPCR in a larger number of patients in order to test the specificity of expression profiles for each group of patients using bone cells derived during surgery. RESULTS: The molecular profiling will establish the molecular basis of AIS according to the functional test developed by Moreau et al., and identify new genes associate with AIS. This project may allow us to identify genes involved in the dysfunction of Gi protein signaling which present in all three groups of patients. Also genes associated specifically with a particular group, can contribute to the development of certain AIS co-morbidities and/or to a risk of aggravation of spine deformities. The preliminary study of monozygotic discordant twins of scoliosis revealed a limited number of genes potentially associated with the signaling defect observed in the scoliotic twin, the gene expression could be influenced by epigenetic changes related to the environment. CONCLUSION: The data obtained by transcriptomic approaches further support our functional method of AIS patients’ stratification, also allowed the identification of novel genes associated with AIS. Such results would provide us a better understanding of the mechanisms and factors involved in the etiology of AIS. In this regard, our results would help to identify potential and specific therapeutic targets and personalized treatments based on the distinct molecular profiles observed in each patient group.