La traduction d'une séquence nucléotidique d'ARNm dans plus d'un cadre de lecture est un phénomène découvert chez les virus vers la fin des années 1970. Depuis, quelques exemples de ce phénomène de traduction alternative ont été découverts chez l'humain dans les gènes INK4a, GNAS1, XBP1, et PRNP. La protéine alternative du gène GNAS , nommée ALEX, interagit et régule la protéine de référence et une mutation dans la protéine alternative peut engendrer certains phénotypes pathologiques. Plusieurs groupes de recherche ont effectué des analyses bio-informatiques sur le génome humain et ont suggéré que la traduction alternative de gènes pourrait être beaucoup plus importante que les quelques exemples connus à ce jour. Nous avons créé une base de données dans le but de prédire ces protéines alternatives à partir du transcriptome humain. Le gène ATXN1 semblait un candidat très intéressant à valider puisque la protéine de référence du gène, l'ATXN1, est impliquée dans une maladie neurodégénérative importante: l'ataxie spinocérébelleuse de type 1 (SCA1). Cette pathologie est causée par l'expansion d'une région CAG dans l'ADN qui est traduite en région polyglutamique. La protéine pathologique tend à agréger dans des inclusions nucléaires, ce qui induit l'altération de nombreux interacteurs de l'ATXN1 et pourrait interférer avec la fonction normale de ATXN1. Nous avons observé la présence de deux sites d'initiation alternatifs dans la séquence codante du gène ATXN1, situés dans le cadre de lecture +3. Expérimentalement, nous avons montré l'existence de deux isoformes de la protéine alternative nommée Alt-ATXN1, l'isoforme long étant fortement majoritaire. Alt-ATXN1, qui se localise dans le noyau, interagit de façon directe avec l'ATXN1 et coagrège avec celle-ci dans les inclusions nucléaires caractéristiques de la SCA1. Cette caractéristique intéressante suggère que la fonction biologique d'Alt-ATXN1 pourrait être altérée dans les cas de pathologie due à l'agrégation de l'ATXN1. Nous démontrons qu'Alt-ATXN1 lie les ARNm et possède une localisation nucléaire dépendante de la transcription, ce qui est caractéristique des protéines impliquées dans le processing de l'ARNm. L'existence d'Alt-ATXN1 a été confirmée in vivo dans une lignée neuronale humaine et dans des extraits de cervelets humains. Suite à ces découvertes, la fonction approfondie ainsi que la détermination du rôle d'Alt-ATXN1 dans la SCA1 demeurent sous investigation.

Les anomalies congénitales du rein et du tractus urinaire (CAKUT) sont l’une des malformations les plus fréquentes chez l’homme, et résultent d’un défaut du programme de dévelopement des organes. La famille de gènes Sox code pour 20 facteurs de transcription qui assurent des fonctions multiples et essentielles pendant l’organogenèse chez l’homme et la souris. Nous avons précedemment montré que Sox8 et Sox9 sont nécessaires au branchement de l’uretère, et la perte de ces gènes résulte en une agénésie rénale. L’objectif de ce projet de thèse était de caractériser le role des gènes Sox-C (Sox4/11/12) in vivo chez la souris. L’analyse des patrons d’expression a révélé que Sox4 , Sox11 et Sox12 sont co-exprimés dans les cellules progénitirices des néphrons, destinées à subir une transition mésenchyme epithelium (MET) pour former des vésicules qui s'allongent pour aboutir au néphron fonctionnel. L’analyse phénotypique a révélé une redondance fonctionnelle entre Sox4 et Sox11 pendant les processus de MET et de maturation des néphrons: les double mutants développent une hypodysplasie rénale dûe à une réduction dramatique du nombre et de la taille des néphrons. Le pool de progéniteurs de néphrons est intact chez ces mutants mais incapable de s’engager dans la nephrogenèse, probablement dû à un changement d’identité cellulaire. Par ailleurs, en l’absence de Sox11, des bourgeons uretéraux ectopiques se forment, conduisant à des reins duplex, phénotype présent dans une proportion de patients CAKUT. De manière importante, nous avons identifié une série de variants SOX11 dans une cohorte de patients CAKUT, suggérant l'implication de mutations SOX11 dans cette maladie chez l'homme. / Congenital abnormalities of the kidney and the urinary tract (CAKUT) belong to the mostcommon birth defects in human and are caused by defects in the program governing organ development. The Sox gene family encodes 20 transcription factors that ensure multiple and essential functions during mouse and human organogenesis. We have previously shown that the homologous genes Sox8 and Sox9 are required for the branching process of the ureter and their loss results in renal agenesis. In this thesis project, we aimed to identify and characterize the role of the Sox-C genes (Sox4/11/12), in vivo using mouse models. Expression analysis revealed that Sox4, Sox11 and Sox12 are coexpressed in the self-renewing nephron precursors cells that are destined to undergo mesenchyme-to-eptihelial transition (MET) to form vesicles that elongate to give rise to the functional nephrons. Phenotypical analysis revealed a functional redundancy between Sox4 and Sox11 in MET and nephron maturation processes: double mutants display renal hypodysplasia, due to a dramatic reduction in the number and size of nephrons. The nephron precursor pool is intact in these mutants but unable to commit to nephrogenesis, probably because of a cell identity change. In addition, in the absence of Sox11, ectopic ureteric buds form, leading to duplex kidneys, a phenotype found in a proportion of CAKUT patients. Importantly, mutation analysis of a cohort suffering from CAKUT syndrome identified a series of SOX11 variants, thus suggesting an involvement of SOX11 mutations in this human disease.

Des études récentes ont démontré que les activités des agents de contraste ultrasonoresous l’effet des ultrasons modulent transitoirement la perméabilité de la membraneplasmique des cellules. Ce procédé aussi appelé sonoporation est étudié pour incorporer desmolécules extracellulaires telles que des gènes thérapeutiques. Le but de la thèse fut d’étudierl’effet des paramètres acoustiques et expérimentaux pour une transfection efficace des cellulesin vitro et in vivo. Parallèlement, afin de clarifier le mécanisme de perméabilisation induit lorsde la sonoporation, nous avons, d’une part, étudié l’effet des ultrasons et des microbulles surla libération de molécules intracellulaires et d’autre part, observé en microscopie électroniqueles effets des ultrasons et des microbulles sur la membrane plasmique et sur l’incorporation denanoparticules d’or. / Future applications of ultrasound and microbubbles extend beyond imaging applications.Over the last few years, reports have shown that the activation of contrast microbubblesunder ultrasound waves, transiently modulates the cell membrane permeability. This process,named sonoporation has been studied to incorporate extracellular molecules such as therapeuticgenes. The aim of this work was to study the effect of various interrogation parameters toachieve an efficient cell transfection in vitro as well as in vivo. In parallel, and in order to clarifythe mechanism of permeabilization induced by sonoporation, we investigated the effect ofultrasound and microbubbles on release of intracellular molecules from fluorescent cells. Moreover,using electron microscopy, we examined the effect of the sonoporation process on thecell membrane and on incorporation of gold nanoparticles.

La qualité d’un ovocyte se définit par l’acquisition d’une compétence à la méiose et d’une compétence au développement. Le cumulus joue un grand rôle dans la maturation ovocytaire grâce au dialogue qui s’instaure entre lui et l’ovocyte. Ce dialogue met en jeu le contrôle de l’expression de gènes spécifiques. C’est pourquoi nous avons étudié les variations du profil d’expression de gènes exprimés dans le cumulus. Une première étude nous a permis de relier les variations d’expression de gènes cibles (STAR, COX2, AREG, SCD1, SCD5 et CX43) à la qualité ovocytaire. Puis par une approche globale de puces à oligonucléotides, nous avons pu mettre en évidence 13 marqueurs potentiels de la compétence à la méiose: CMAS, MRO, MT3, ELA2B, ELA2A, SFRP4, LAPTM4B, ANG, VWF, ITPR1, PTX3, NRIP1 et RUNX2; et 5 marqueurs potentiels de la compétence au développement: RGS2, ANG, PTX3, NRIP1 et NOTCH2. Mes travaux de thèse ont donc permis de mieux appréhender le dialogue ovocyte-cumulus en étudiant les acteurs de celui-ci et de caractériser des marqueurs non invasifs de la qualité ovocytaire. / During its maturation, an oocyte will acquire a meiotic competence and a developmental competence, which define its quality. It has been well established that the dialog between oocyte and surrounding cumulus cells will contribute to oocyte maturation, through (but not only) the expression of some specific genes. Therefore, we studied the expression profile of genes expressed in cumulus cells according to the oocyte maturity. In a first study, we observed that the variation of expression levels of some genes (STAR, COX2, AREG, SCD1, SCD5 and CX43) can be related to the maturity status of the oocyte. Moreover, by microarray hybridization, we identified 13 potential markers of oocyte nuclear maturity: CMAS, MRO, MT3, ELA2B, ELA2A, SFRP4, LAPTM4B, ANG, VWF, ITPR1, PTX3, NRIP1 and RUNX2; and 5 potential markers of developmental competence of the oocyte: RGS2, ANG, PTX3, NRIP1 and NOTCH2. Thus our result permitted to better understand the role of cumulus cells in the oocyte-cumulus dialog and to identify non invasive markers of oocyte quality.

Le gène HIC1 a été caractérisé comme un gène suppresseur de tumeur situé en 17p13.3, une région hyperméthylée ou délétée dans de nombreux cancers. HIC1 code un répresseur transcriptionnel caractérisé par plusieurs domaines fonctionnels. Au niveau de la région centrale, se retrouve un motif conservé MK314HEP important pour la répression des gènes cibles de HIC1 au sein duquel la Lysine 314 est soit SUMOylée soit acétylée. HIC1 est au centre de boucles de régulation complexes mettant en jeu le gène suppresseur de tumeurs TP53 et la désacétylase SIRT1. En réponse aux cassures double brin de l’ADN (DSBs) non réparables, HIC1 réprime l’expression de SIRT1 favorisant ainsi l’apoptose médiée par p53. De plus, dans ces conditions on observe une augmentation de la SUMOylation de la Lysine 314 de HIC1 de manière dépendante de la kinase ATM, ce qui favorise l’interaction avec le complexe répresseur NuRD. HIC1 joue également un rôle dans la réparation des DSBs. Nous avons montré que la SUMOylation de HIC1 n’était pas nécessaire pour la réparation des DSBs. Grâce à une analyse de protéomique, nous avons identifié un site potentiel de phosphorylation LS694QG par des kinases de la famille PIKK. Ainsi, nous avons montré dans des fibroblastes humains BJ-hTERT, que la protéine HIC1 est rapidement phosphorylée sur la Sérine 694 par la kinase ATM en réponse aux DSBs. De plus, par la technique de « Comet Assay » nous avons montré que cette phosphorylation est importante pour la réparation.HIC1 jouerait donc un double rôle dans la réponse aux dommages à l’ADN : soit il agirait en tant que répresseur transcriptionnel dans le cas de DSBs non réparables, soit il faciliterait la réparation des DSBs. / The tumor suppressor gene HIC1 is located in 17p13.3, a region frequently hypermethylated or deleted in many cancers. HIC1 encodes a transcriptional repressor characterized by several functional domains. In the central region, the conserved MK314HEP motif is an Acetylation/SUMOylation switch motif centered on K314 which regulates the recruitment of MTA1, a component of NuRD repressor complexes. A regulatory feedback loop between HIC1, SIRT1 and P53 has been described. HIC1 directly represses the transcription of SIRT1, thereby modulating P53-dependent DNA damage responses. Furthermore, after induction of non-repairable DSBs (DNA Double Strand Breaks), we observed a SUMOylation increase dependant on the ATM kinase. Moreover, HIC1 also plays an important role in the repair of DSBs. Furthermore, comet assays with a non SUMOylable HIC1 point mutant (E316A) demonstrated that SUMOylation of Lysine K314 is dispensable for DNA repair. In addition, upon induction of repairable DSBs, we have identified by proteomic analyses, a potential phosphorylation site “LS694QG” for the PIKK family kinases ATM and DNA-PKcs. Moreover, we have shown that HIC1 is rapidly phosphorylated by ATM upon DNA damage induction in normal human fibroblasts (BJ-hTert). Furthermore, comet assays with a non phosphorylable HIC1 point mutant have shown that this phosphorylation is very important for the contribution of HIC1 to the repair of DSBs. Thus, HIC1 plays different role during the DNA damage response to DNA double strand breaks depending on their intensity.

L’accumulation récente de données de séquences génomiques a montré que l’évolution des gènes n’est pas strictement arborescente. De nombreux processus évolutifs, comme l’exon shuffling, la fusion de gènes ou la recombinaison illégitime remodèlent les gènes, créant des structures composites, formées de parties dont les histoires évolutives sont différentes. Le développement de réseaux de similarité de séquences fournit un cadre analytique permettant d’étudier l’impact de ces processus sur l’évolution moléculaire, en structurant les relations de ressemblance entre séquences et en formalisant en termes de graphes la détection de gènes (triplets intransitifs) et de familles de gènes (cliques minimales séparatrices) composites. La taille des jeux de données actuels, de l’ordre de plusieurs millions de séquences, a également requis le développement de nouveaux outils et méthodes : parallélisation des comparaisons de séquences, visualisation de très grands réseaux par simplification en communautés de Louvain et identification de grands cycles. Appliquées à des jeux de données de génomes eucaryotes et viraux, ces méthodes ont démontré la présence de gènes composites dans tout le vivant et les éléments génétiques mobiles. En proportion, les gènes composites sont plus nombreux dans les génomes eucaryotes ; en nombre absolu, ils sont plus nombreux à être portés par des virus. Chez ces derniers, la distribution fonctionnelle des gènes composites est biaisée (enrichissement dans les familles essentielles pour la perpétuation du cycle viral), et les éléments des gènes composites trouvent même parfois leurs origines dans le matériel génétique de classes virales différentes. Plus généralement, l’étendue des processus combinatoires, en révélant des liens évolutionnaires autres que les liens d’homologie au sens fort, justifie une étude pluraliste des relations de similarité entre séquences. / The recent accumulation of genomic sequence data has shown that gene evolution is not strictly tree-Like. Many evolutionary processes, like exon shuffling, gene fusion or nonhomologous recombination remodel genes by creating composite structures that are made from parts with different evolutionary histories. The development of sequence similarity networks provides an analytical framework to study the impact of these processes on molecular evolution, by structuring the resemblance relationships between sequences and by formalizing, in terms of graph theory, the detection of composite genes (intransitive triplets) and gene families (clique minimal separators). The size of current data sets, typically several million sequences, has also required the development of new tools and methods: sequence comparison parallelization, large networks visualization with Louvain communities and large cycles identification. When applied to eukaryotic and viral genome data sets, these methods have shown that composite genes are found throughout cellular organisms and mobile genetic elements. Proportionally, composite genes are more numerous in eukaryotic genomes; in absolute number, they are more numerous in viruses. In the latter, composite genes functional distribution is biased (enrichment of genes families that are essential for the perpetuation of the viral cycle), and the various parts of composite genes sometimes even originate from the genetic material of different viral classes. More generally, the extent of combinatorial processes, by unravelling other evolutionary bonds than homology bonds in the strictest sense, legitimates a pluralistic study of similarity relationships between sequences.

Dans cette thèse nous nous intéressons à la manière dont la structure des plantes émerge du fonctionnement de leur méristème apical. Pour cela, nous étudions la structure du méristème apical d'Arabidopsis thaliana à différentes échelles. La thèse commence par étudier les plantes à l'échelle macroscopique dont la phyllotaxie a été perturbée et par le développement d'outils mathématiques pour quantifier et analyser ces perturbations. Ensuite, nous étudions à une échelle plus microscopiques quelles peuvent être les raisons de telles perturbations. Pour cela, nous avons testé une version étendue d'un modèle proposé par Douady et Couder (1996) dans lequel plusieurs paramètres clés sont modifiés par différentes sources de bruit. Cette étude de modélisation suggère que la stabilité de la taille de la zone de la zone centrale peut être un facteur clé dans la robustesse phyllotaxie. Alors que des modèles 3D réalistes des champs d'inhibition autour des primordia ont été développés récemment, une telle étude est toujours manquante pour les tissus réalistes en 3D dans le cas de la zone centrale. Cela nous conduit finalement à analyser en profondeur le réseau de régulation génétique qui contrôle la taille de la zone centrale dans le méristème. Nous avons implémenté une version 3D d'un modèle de la littérature de la zone centrale et testé ce modèle sur des méristèmes 3D obtenues à partir des images 3D de la microscopie laser. / In this dissertation we are interested in how shoot structure emerges from the functioning of their apical meristem. For this, we investigate the structure of Arabidopsis thaliana shoot apical meristem at different scales. The thesis starts by studying at macroscopic scale plants in which the regularity of phyllotaxis has been perturbed and developing mathematical tools to quantify and analyze such complex patterns. Then we try to investigate at more microscopic scales what can be the reasons for such perturbations. For this we tested an extended version of Douady and Couder's model (1996) in which several key parameters are varied by adding different sources of noise. This modeling study enables us to hypothesize that the stability in size of both the primordia inhibition zone and the central zone may be key factors in phyllotaxis robustness. While realistic 3D models of primordia inhibitory fields have been developed recently, such a study is still missing for realistic 3D tissues in the case of the central zone. This lead us finally to analyze in depth the gene regulatory network that controls the size of the central zone in the meristem. We implemented a 3D version of a model in literature modulating the size of the central zone and tested this model on 3D meristem cellular structures obtained from 3D laser microscope images.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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