Les années 2000 ont vu l'apparition des technologies de séquençage haut-débit permettant de faire chuter le coût en temps et argent du séquençage du génome complet et ouvrant la perspective à des analyses de la phylogénie des espèces à l'échelle de génome entiers. Dans cette optique des méthodes pour l'inférence de l'histoire évolutive de l'ordre de marqueurs génomiques le long d'un phylogénie ont été développées. Cependant, les assemblages d'une majorité des grands génomes d'eucaryotes demeurent incomplètement résolues et ne permettent donc pas, en tant que tel, leur exploitation pour la reconstruction de l'histoire évolutive de l'ordre des gènes de ces espèces. C'est dans ce contexte que nous avons développé l'algorithme adseq qui permet de conjointement reconstruire l'histoire évolutive de l'ordre de gènes en considérant la fragmentation des génomes actuels et améliorant l'assemblage de ceux-ci par génomique comparative / The early 2000s saw the emergence of high-throughput sequencing technologies that would bring down the time and cost of sequencing the entire genome and opening the perspective to whole genome-scale species phylogeny. In this perspective, methods for the inference of evolutionary history of the order of genomic markers along a phylogeny have been developed. However, assemblies of a majority of the large eukaryotic genomes remain incompletely resolved and therefore do not, as such, allow their exploitation for the reconstruction of evolutionary history of the order of the genes of these species. It is in this context that we have developed the algorithm ADseq which allows to jointly reconstruct the evolutionary history of the order of genes by considering the fragmentation of the extant genomes and improve the assembly of these by comparative genomics

Les systèmes toxine-antitoxine sont divisés en trois classes suivant la nature et le mode d’action de l’antitoxine. Ils sont fortement représentés au sein du règne bactérien et se trouvent sur des éléments génétiques mobiles qu’ils stabilisent dans la population bactérienne, mais aussi sur les chromosomes bactériens où leur fonction n’a pas encore été établie avec certitude. Au cours de ce travail, nous avons étudié les systèmes toxine-antitoxine bactériens de classe II, qui sont généralement composés de deux gènes organisés en opéron. Le premier gène code pour une antitoxine qui antagonise l’activité de la toxine, le produit du second gène. L’antitoxine, en complexe avec la toxine, est également capable de réguler l’expression de l’opéron en se fixant au promoteur de l’opéron. Lors du commencement de cette étude, les systèmes toxine-antitoxine étaient divisés en 10 familles sur base des similarités de séquences partagées par les toxines. A chaque famille de toxine était associée une famille d’antitoxine. <p>\ / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail effectué dans cette thèse présente une nouvelle approche de la théorie du code circulaire dans les gènes qui a été initiée en 1996. Cette approche consiste à analyser les motifs construits à partir de ce code circulaire, ces motifs particuliers sont appelés motifs de code circulaire. Ainsi, nous avons développé des algorithmes de recherche pour localiser les motifs de code circulaire dans les séquences d'acides nucléiques afin de leur trouver une signification bioinformatique. En effet, le code circulaire X identifie dans les gènes est un ensemble de trinucleotides qui a la propriété de retrouver, synchroniser et maintenir la phase de lecture. Nous avons commencé notre analyse avec le centre de décodage du ribosome (ARNr) qui est une région majeure dans le processus de traduction des gènes aux protéines. Puis, nous avons étendu les résultats obtenus avec le ribosome aux ARN de transfert (ARNt) pour étudier les interactions ARNr-ARNt. Enfin, nous avons généralisé la recherche de motifs de code circulaire X dans l'ADN aux chromosomes d'eucaryotes complets. / The work done in this thesis presents a new direction for circular code identified in 1996 by analysing the motifs constructed from circular code. These particular motifs are called circular code motifs. We applied search algorithms to locate circular code motifs in nucleic acid sequences in order to find biological significance. In fact, the circular code X, which was found in gene sequences, is a set of trinucleotides that have the property of reading frame retrieval, synchronization and maintenance. We started our study in the ribosomal decoding centre (rRNA), an important region involved in the process of translating genes into proteins. Afterwards, we expanded our scope to study the interaction of rRNA through the X circular code. Finally, we search for the X circular code motifs in the complete DNA sequences of chromosomes of the eukaryotic genomes. This study introduced new properties to the circular code theory.

La recombinaison méiotique via les Crossing-Overs (COs) est le principal mécanisme permettant le brassage de la diversité génétique. Cependant, le nombre et la position des COs entre paires de chromosomes homologues sont strictement régulés, limitant la séparation des loci en sélection variétale. Dans le cas du colza B. napus, l’utilisation d’allotriploïdes (AAC, 2n=3x=29), issus du croisement entre le colza (AACC, 2n=4x=38) et l’un de ses progéniteurs B. rapa (AA, 2n=2x=20), permet d’augmenter considérablement le nombre de COs entre chromosomes homologues A. L’objectif de cette étude était de déterminer les conséquences d’une telle variation sur la distribution des COs le long des chromosomes ainsi que d’identifier des facteurs régulant ce phénomène. Suite à la production et à la caractérisation cytogénétiques d’hybrides F1 présentant différents caryotypes, la recombinaison homologue a été évaluée par des analyses génétiques via des marqueurs SNPs physiquement ancrés sur l’ensemble duNous avons montré que l’addition du génome C chez les allotriploïdes conduit toujours à (1) la formation de COs surnuméraires, dont le nombre varie fonction des méioses mâle/femelle et du fond génétique, (2) une modification des profils de recombinaison, notamment au voisinage des centromères, et (3) une réduction de l’intensité d’interférence. De plus, nous avons révélé que le contrôle génétique de ces variations est imputé à des chromosomes C spécifiques et aurait divergé dans un contexte polyploïde. Nous avons donc identifié un levier permettant d’optimiser le brassage de la diversité gén / Meiotic recombination via crossovers (COs) is the main mechanism responsible for mixing genetic diversity. However, the number and position of COs between the pairs of homologous chromosomes are strictly regulated, limiting the loci separation in plant breeding. In the case of the rapeseed B. napus, the use of allotriploids (AAC, 2n=3x=29), resulting from the cross between rapeseed (AACC, 2n=4x=38) and one of its progenitors B. rapa (AA, 2n=2x=20), allows a substantial increase of the number of COs between homologous A chromosomes. The objective of this study was to determine the consequences of such a variation on the distribution of COs along the chromosomes and to identify factors regulating this phenomenon. Following the production and cytogenetic characterization of F1 hybrids with different karyotypes, homologous recombination was assessed by genetic analyzes via SNPs markers physically anchored on the whole A genome.We showed that the additional C genome in allotriploids always leads to (1) the formation of extra COs, for which the number depends on the male/female meiosis and the genetic background, (2) the modification of the recombination landscapes, especially in the vicinity of centromeres, and (3) the decrease of CO interference. In addition, we revealed that the genetic control of these variations is assigned to specific C chromosomes and could have evolved in a polyploid context. We have therefore identified a way to optimize the shuffling of genetic diversity in rapeseed breeding.

La compréhension de l'évolution des génomes est un des enjeux clé de la biologie actuelle. Nous avons rédigé une revue littéraire consacrée à la contribution de la génomique dans la compréhension de la diversité, de l'évolution et des phénotypes d'un super-phylum bactérien, le super-phylum PVC (Planctomycetes, Verrucomicrobiae et Chlamydiae). Ces bactéries proviennent d'environnements variés et présentent des caractéristiques phénotypiques intéressantes. Les analyses génomiques ont révélé la grande diversité de ces espèces, mais ont aussi permis de reconstruire l'évolution de leurs génomes et d'expliquer l'apparition de certains phénotypes particuliers. Une partie de notre travail était consacré à l'étude de l'évolution et de l'impact de la présence d'un plan cellulaire particulier chez les bactéries PVC. Ce plan cellulaire est sujet a différentes interprétations et induirait la compartimentation des cellules en deux régions distinctes. Les résultats obtenus semblent indiquer que cette caractéristique n'induit pas une protection des génomes bactériens vis à vis des transferts de gènes horizontaux, comme on pourrait le supposer. En revanche les observations microscopiques réalisées sur deux espèces ont permis de mieux appréhender l'évolution de ce plan cellulaire. Nous avons, de plus, détecté une contribution de l'environnement concernant la sélection des gènes transférés. Il semblerait que les gènes transférés soient en effet sélectionnés selon leurs fonctions par les différents environnements.Nos travaux ont donc permis d'améliorer la compréhension des relations entre l'évolution, les phénotypes et l'environnement, en particulier chez les bactéries du super-phylum PVC. / The comprehension of genomes evolution is a key issue of modern biology.We wrote a review dedicated to the genomic contribution in comprehension of diversity, evolution and phenotypes, in a bacterial super-phylum named PVC (for Planctomycetes, Verrucomicrobiae and Chlamydiae). These bacteria are distributed in varied environments and present specific phenotypic characteristics. Genomic analyzes revealed the important diversity of these species and allow also to reconstruct the genomes evolution and, in some cases, to explain the presence of specific phenotypes. One part of our work was dedicated to the study of evolution and impact of one of this phenotype, the special cell plan detected in PVC bacteria. This original cell plan is subject to different interpretations and induces the compartmentalization of cells in two different regions, whom one containing the nucleoid. Our results indicate that this feature has probably no role in the protection of bacterial genomes against horizontal genes transfers, so, its function is still unknown. Microscopic observations of two species from PVC super-phylum permit to better understand the evolution of the special cell plan. The environment seems to contribute in the genomes evolution, by selection of genes transferred. Genes transferred are probably selected according to their functions by the different environments.Our works allowed to improve the knowledge about relations between evolution, genomes, phenotypes and environment, especially in bacteria from PVC super-phylum.

Les régions centromériques reposent, chez les Primates, sur une famille de séquences répétées en tandem appelée l'ADN alpha satellite. Les monomères de cet ADN (≈170 pb) se sont diversifiés au cours de l'évolution, formant des familles de séquences aux profils d'organisation et distribution variés. La diversité des alphas satellites chez les primates non-humains reste cependant peu caractérisée, et la compréhension de la dynamique évolutive de cet ADN nécessite son intégration dans de plus larges analyses comparatives. Les Cercopithèques, qui présentent une évolution chromosomique originale par fissions et émergences de nouveaux centromères, apparaissent comme des modèles d'étude prometteurs.Nous avons appliqué une nouvelle technologie de séquençage à des monomères et dimères d'alpha satellites, isolés à partir des génomes de Cercopithecus solatus (2n = 60) et C. pogonias (2n = 72). Ces deux espèces appartiennent à des lignées primaires distinctes au sein des Cercopithèques, et ont divergé l'une de l'autre il y a plusieurs millions d'années. L'analyse computationnelle des séquences collectées a permis la caractérisation de six familles d'alpha satellites, dont quatre sont partagées entre espèces et deux ne sont retrouvées que chez C. pogonias. Au moins trois familles seraient impliquées dans des répétitions d'ordre supérieur, profil d'organisation jusque-là inconnu dans l'ADN alpha satellite des Cercopithèques. L'hybridation in situ en fluorescence des familles identifiées, réalisée grâce à des sondes oligonucléotidiques hautement discriminantes, a permis de visualiser leur distribution sur les chromosomes de C. solatus et C. pogonias. Certaines de ces familles se distribuent différentiellement entre chromosomes, révélant l'existence d'une diversité interchromosomique de l'ADN alpha satellite chez les singes de l'Ancien Monde. Leurs positions sur les régions centromériques vont en faveur de l'hypothèse du gradient d'âge des alphas satellites, selon laquelle les familles se forment aux centromères en déplaçant les familles préexistantes vers les péricentromères. L'extension de cette analyse cytogénétique à quinze espèces et l'interprétation de ses résultats à la lumière d'une phylogénie moléculaire, nouvellement reconstruite, nous ont permis de proposer un scénario évolutif pour l'ADN alpha satellite chez les Cercopithèques. Celui-ci apparaît évoluer de manière concertée avec les chromosomes, se diversifiant et se déplaçant sur les régions centromériques à mesure que ces derniers se fissionnent et voient l'émergence de nouveaux centromères. Ces travaux ont enfin apporté des informations nouvelles quant aux relations de parenté entre Cercopithèques, invitant à une intégration de l'ADN alpha satellite dans l'étude de l'histoire évolutive des Primates. L'approche méthodologique mise au point a permis de caractériser la diversité et de comprendre l'évolution de l'ADN alpha satellite chez les Cercopithèques. Elle pourra être appliquée à l'étude de ces séquences particulières chez d'autres primates, ainsi qu'à l'étude de différents satellites chez des espèces primates comme non-primates. / Alpha satellite DNA is the main family of tandemly repeated sequences lying in primate centromere regions. Alpha satellite monomers (≈170 bp) diversified during the course of evolution, forming distinct families of alpha satellite sequences that exhibit specific organizational and distribution patterns. The limited amount of studies concerning non-human primates is a restriction to the understanding of alpha satellite evolutionary dynamics, which calls for the integration of this element into comparative studies. Cercopithecini, which display an unusual chromosomal evolution by multiple fissions and new centromere formations, constitute a promising study model.We carried out next generation sequencing of alpha satellite monomers and dimers isolated from the Cercopithecus solatus (2n = 60) and C. pogonias (2n = 72) genomes. These species belong to different primary lineages within the Cercopithecini tribe and diverged from each other several million years ago. Computational tools were used to analyze the collected sequences and characterize six alpha satellite families, four of them being shared between species and two being limited to C. pogonias. At least three families belong to higher order repeats, an organizational pattern that had never been observed in Cercopithecini. The fluorescence in situ hybridization of each family, performed with highly discriminant oligonucleotide probes, showed their distribution on C. solatus and C. pogonias chromosomes. Some of them distribute on distinct sets of chromosomes, disclosing the existence of alpha satellite interchromosomal diversity in Old World monkeys. Their position along centromeric regions is largely in accordance with the age-gradient hypothesis, according to which new families expand at centromere, thereby splitting and displacing older families toward pericentromeres. The extension of this analysis to fifteen species, combined to a newly reconstructed molecular phylogeny, allowed us to propose an evolutionary scenario for alpha satellite DNA in Cercopithecini. Alpha satellite DNA diversification and displacement on centromere regions appear intimately connected to chromosome rearrangement dynamics, including new centromere formations, which suggests that centromeres and chromosomes evolve in a concerted manner. Finally, this work provided information about Cercopithecini relationships and thus encourages the integration of alpha satellite DNA into the study of primate evolutionary history.Our new methodological approach allowed deciphering alpha satellite diversity and dynamics in Cercopithecini. This framework could be used to study alpha satellite DNA in other primates, and be applied to different satellites in primates as in non-primate species.

Campylobacter est responsable de la zoonose bactérienne d’origine alimentaire la plus fréquemment reportée en Europe. Cette bactérie étant ubiquitaire, les sources et voies d’infection de l’Homme sont nombreuses. Cependant, afin de diminuer l’incidence de la maladie, il est nécessaire d’identifier les principaux réservoirs impliqués dans les infections humaines. Pour cela, nous avons dans un premier temps investigué la présence de Campylobacter dans trois réservoirs animaux (volaille, bovin, animaux de compagnie), ainsi que la diversité génétique des isolats de C. jejuni, en comparaison à celle d’isolats cliniques, à l’aide des techniques MLST (Multilocus sequence typing) et CGF (Comparative Genomic Fingerprinting). Afin d’identifier l’origine des campylobactérioses avec précision et de compenser notamment les limites techniques de la MLST, 15 marqueurs génétiques ont été sélectionnés comme marqueurs potentiellement indicateurs de l’hôte, après analyse de plus de 800 génomes de C. jejuni. Par la suite, la capacité de la MLST, la CGF40 et des 15 marqueurs à identifier l’origine des campylobactérioses a été étudiée. Ainsi, les 15 marqueurs se sont révélés être particulièrement performants pour l’attribution de sources des campylobactérioses, suivis ensuite par la MLST, tandis que la CGF40 est apparue comme étant peu adaptée. A partir des données MLST et des 15 marqueurs génétiques, une implication majoritaire des volailles et des bovins a été mis en évidence en France, tandis que les animaux de compagnie et l’environnement (comprenant eau et oiseaux sauvages) étaient faiblement impliqués. Ceci permet ainsi de renforcer les efforts de recherche relatifs aux moyens de lutte contre Campylobacter menés dans ces réservoirs. Ce travail a également permis de mettre en évidence de potentielles spécificités nationales dans la dynamique de transmission de C. jejuni à l’Homme. / Campylobacter is the causal agent of the main bacterial foodborne gastroenteritis in Europe. Since Campylobacter is frequently found in animal reservoirs, sources of human infection and transmission routes are various. However, to decrease the human burden of campylobacteriosis, it is essential to quantify the relative importance of the several reservoirs in human infections. For this purpose, we assessed the contamination of chicken, cattle and pets by Campylobacter spp., and further characterized C. jejuni isolates using MLST (Multilocus Sequence Typing) and CGF (Comparative Genomic Fingerprinting) in comparison with French clinical isolates. Then, in order to identify the most likely origin of campylobacteriosis cases in France and overcome MLST limitations in source attribution, about 800 C. jejuni genomes were analyzed which resulted in the identification of 15 genes as promising host segregating markers for source attribution. Subsequently, we assessed the ability of MLST, CGF40 and the 15 host-segregating markers to identify the most likely origin of campylobacteriosis. The 15 host-segregating markers were the most powerful in source attribution, followed by MLST, while CGF40 appeared to be not suitable for source attribution in our study. Based on MLST and the 15 markers, assignments of clinical cases emphasize the significant implication of chicken and ruminant in human infection by Campylobacter, while pets and the environment (including water and wild birds) were slightly involved, reinforcing the interest to focus control strategies on livestock. Finally this work highlights potential national variations in the transmission dynamics of C. jejuni to human.

Un des objectifs de la biologie de synthèse est de concevoir et produire des organismes « à façon », pour des applications thérapeutiques et industrielles. Une des voies envisagées pour atteindre cet objectif repose sur des techniques de synthèse et de transplantation de génomes entiers, afin de créer des organismes mutants.Le but de cette thèse est de développer des outils de biologie de synthèse qui permettront de construire une cellule minimale et non pathogène, à partir de Mycoplasma pneumoniae. Cette bactérie est l'un des plus petits organismes vivants, avec une taille inférieure au micron et un génome de 816 kpb. Ce mycoplasme est l’un des plus étudiés, avec une collection de données génétiques et multi-« omiques » disponibles. Ces caractéristiques font de cette cellule naturellement « quasi minimale » un point de départ idéal pour la construction d’un châssis bactérien. Néanmoins, la manipulation génétique de ce mycoplasme est difficile, en raison du nombre restreint d'outils disponibles.Une approche récemment développée propose de contourner ces limitations en utilisant la levure Saccharomyces cerevisiae comme plateforme d’ingénierie du génome de M. pneumoniae. L’étape préliminaire à cette approche consiste à cloner le génome bactérien dans la levure. Pour ce faire, une cassette « éléments levure » est insérée dans le génome de M. pneumoniae, pour permettre son maintien comme chromosome artificiel. Les travaux menés au cours de cette thèse ont permis d’insérer cette cassette par le biais d’un transposon, et de cloner ce génome marqué dans la levure. La stabilité du génome cloné a ensuite été étudiée, mettant en évidence que le chromosome bactérien est maintenu durant une dizaine de passages. Nous avons ensuite développé une nouvelle stratégie d’insertion des « éléments levure » en utilisant le système CRISPR/Cas9 pour cloner et éditer simultanément un génome de mycoplasme chez la levure : le CReasPy-Cloning. Cette méthode a été utilisée pour supprimer trois loci différents contenant des gènes impliqués dans la virulence : MPN372 (toxine CARDS), MPN142 (protéine de cytoadhérence) et MPN400 (protéine bloquant les IgG). Elle a ensuite été utilisée pour en cibler deux puis trois en une seule étape.Une fois le clonage et l’ingénierie du génome bactérien réalisés dans la levure, il est nécessaire de pouvoir transférer le chromosome modifié dans une cellule receveuse, afin de produire une cellule mutante. Ce processus nommé transplantation de génome n’étant pas décrit pour M. pneumoniae, une part importante de cette thèse a été dédiée au développement de cet outil. Nous avons utilisé la transformation de plasmides comme mécanisme modèle pour étudier le processus d’entrée de l’ADN dans M. pneumoniae et tester l’utilisation du polyéthylène glycol, le réactif clé de la transplantation. Bien qu’ayant réussi à mettre au point un protocole de transformation de plasmides, nous n’avons pas réussi pour l’instant à réaliser la transplantation de génomes.En parallèle, nous avons développé une stratégie alternative d’édition de génome qui ne dépend pas de la transplantation. Cette approche, nommée « Genomic Transfer - Recombinase-Mediated Cassette Exchange » (GT-RMCE), consiste à capturer dans un vecteur une section du génome bactérien édité présent dans la levure. Ce vecteur est transformé dans M. pneumoniae, et grâce au système Cre-lox la section éditée est introduite dans le génome. Ce mécanisme permet de réaliser des modifications de grande ampleur, et est actuellement utilisé pour introduire chez M. pneumoniae les délétions ΔMPN372, ΔMPN400 et ΔMPN372-ΔMPN400 produites par CReasPy-cloning. Nous avons également utilisé le GT-RMCE pour générer une souche de M. pneumoniae portant deux copies de l’opéron ribosomal S10.Au final, les outils d’ingénierie du génome de M. pneumoniae développés au cours de cette thèse permettent de réaliser un pas significatif vers la construction de nouveaux châssis bactériens. / A goal of synthetic biology is to create and produce “custom” organisms, for therapeutic and industrial applications. One of the contemplated approaches to achieve this goal is based on synthesis techniques and transplantation of whole genomes, in order to create mutant organisms.The aim of this thesis is to develop synthetic biology tools that will enable the construction of a minimal and non-pathogenic cell based on Mycoplasma pneumoniae. This bacterium is one of the smallest living organisms, with a size smaller than one micron and a genome of 816 kbp. This mycoplasma is one of the most studied, with a large set of genetic and multi- “omics” data available. These characteristics make this naturally “almost minimal” cell an ideal starting point for the construction of a bacterial chassis. Nevertheless, the genetic manipulation of this mycoplasma is difficult, due to the limited number of available tools.A recently developed approach offers the possibility to circumvent these limitations by using the yeast Saccharomyces cerevisiae as a genome engineering platform for M. pneumoniae. The preliminary step to this strategy is to clone the bacterial genome in yeast. To do so, a "yeast elements" cassette is inserted into the genome of M. pneumoniae, to allow its maintenance as an artificial chromosome. The work carried out during this thesis allowed us to insert this cassette through a transposon, and to clone this marked genome in yeast. Then, the stability of the cloned genome was studied, demonstrating that the bacterial chromosome is maintained during ten passages. We then developed a new strategy for the insertion of the "yeast elements", using the CRISPR/Cas9 system to simultaneously clone and edit a mycoplasma genome in yeast: the CReasPy-Cloning. This method was used to remove three different loci containing genes involved in virulence: MPN372 (CARDS toxin), MPN142 (cytoadherence protein) and MPN400 (IgG blocking protein). This method was also used to target two and then three different loci in one step.Once in-yeast cloning and bacterial genome engineering is achieved, it is necessary to transfer the modified chromosome into a recipient cell, to produce a mutant organism. This process, called genome transplantation, is not described for M. pneumoniae, so a significant part of this thesis was dedicated to the development of this tool. We used plasmid transformation as a model mechanism to study the process of DNA entry into M. pneumoniae and to test the use of polyethylene glycol, the key reagent for transplantation. Although we succeeded in developing a plasmid transformation protocol, we have not yet been able to perform genome transplantation.Concurrently, we have developed an alternative strategy for genome editing that does not depend on transplantation. This approach, named "Genomic Transfer - Recombinase-Mediated Cassette Exchange" (GT-RMCE), is used to capture in a vector a section of the edited bacterial genome borne by the yeast. This vector is then transformed into M. pneumoniae, and through to the Cre-lox system the edited section is introduced into the genome. This mechanism allows to carry out large-scale modifications, and is currently used to introduce into M. pneumoniae the ΔMPN372, ΔMPN400 and ΔMPN372-ΔMPN400 deletions produced by CReasPy-cloning. We also used the GT-RMCE to generate a strain of M. pneumoniae carrying two copies of the S10 ribosomal operon.Overall, the M. pneumoniae genome engineering tools developed during this thesis constitute a significant step towards the construction of new bacterial chassis.

Le but de cette thèse est d'étudier la distribution des tailles des répétitions au sein d'un même génome, ainsi que la distribution des tailles des appariements obtenus en comparant différents génomes. Ces distributions présentent d'importantes déviations par rapport aux prédictions des modèles probabilistes existants. Étonnamment, les déviations observées sont distribuées selon une loi de puissance. Afin d'étudier ce phénomène, nous avons développé des modèles mathématiques prenant en compte des mécanismes évolutifs plus complexes, et qui expliquent les distributions observées. Nous avons aussi implémenté des modèles d'évolution de séquences in silico générant des séquences ayant les mêmes propriétés que les génomes étudiés. Enfin, nous avons montré que nos modèles permettent de tester la qualité des génomes récemment séquencés, et de mettre en évidence la prévalence de certains mécanismes évolutifs dans les génomes eucaryotes. / In this thesis, we study the length distribution of maximal exact matches within and between eukaryotic genomes. These distributions strongly deviate from what one could expect from simple probabilistic models and, surprisingly, present a power-law behavior. To analyze these deviations, we develop mathematical frameworks taking into account complex mechanisms and that reproduce the observed deviations. We also implemented in silico sequence evolution models that reproduce these behaviors. Finally, we show that we can use our framework to assess the quality of sequences of recently sequenced genomes and to highlight the importance of unexpected biological mechanisms in eukaryotic genomes.

L'approche présentement utilisée en évaluation du risque toxicologique est basée sur les tests de toxicité classiques tels que l'observation de signes cliniques visibles ou de pathologies évidentes. Cette approche est efficace pour déterminer les principaux symptômes associés à une exposition au produit de même que pour évaluer les concentrations auxquelles les animaux peuvent être exposés sans présenter d'effets secondaires apparents. Toutefois, elle ne fournit aucune information précise sur le où, le quand et le comment la toxicité apparaît, ni sur les éventuels effets à long terme pour l'individu ou pour sa descendance. Pour pallier ces lacunes, une nouvelle branche de la toxicologie s’est développée, favorisée par l’avancement des technologies : la toxicogénomique. Cette discipline s’intéresse aux impacts globaux d’un produit sur le génome et permet d’obtenir des informations sur les processus moléculaires affectés. La toxicogénomique s’inscrit donc comme une méthode complémentaire aux méthodes de toxicologie classique. L’objectif de cette thèse est de déterminer si l’embryon préimplantatoire porcin est un bon modèle toxicogénomique pour évaluer les sous-produits de la chloration et l’éthanol aux concentrations auxquelles l’humain est exposé quotidiennement. Pour ce faire, nous avons exploré différentes facettes de la toxicogénomique en intégrant la sensibilité de l'embryon préimplantatoire porcin à la puissance des biopuces transcriptomiques et épigénétiques développées dans notre laboratoire. L'avantage du jeune embryon est qu'il a le potentiel d'exprimer l'ensemble des voies de signalisation permettant ainsi de l'utiliser comme modèle pour identifier les modes d'action de produits toxiques chez des individus adultes et dans l'ensemble de ses organes. Le modèle que nous avons développé est donc un système de dépistage toxicogénomique permettant d'identifier les modes d'action de molécules toxiques et de mieux comprendre la façon dont elles induisent leurs effets néfastes sur la santé. Pour confirmer l'efficacité du modèle, nous avons exposé des embryons à de faibles concentrations de sous-produits de la chloration (bromodichlorométhane et acide dichloroacétique) et à de l’éthanol. Les concentrations utilisées correspondent à une exposition réaliste pour l'humain. Les résultats obtenus suggèrent que l’embryon préimplantatoire est vulnérable aux contaminants de son environnement et que les mécanismes adaptatifs qu’il active afin d’assurer sa survie sont compatibles avec les effets secondaires de ces produits chez l’humain exposé in utero. Tous les produits testés ont réduit le taux de survie des embryons et ont modifié leur profil transcriptomique. Toutefois, chaque produit a induit des voies de signalisation différentes, suggérant des modes d’action spécifique pour chaque produit et montrant la plasticité de la réponse embryonnaire. En somme, les résultats présentés dans cette thèse montrent que les mécanismes activés par l'embryon afin de survivre aux assauts des produits toxiques de son environnement nous fournissent des pistes d'explication quant aux modes d'action des molécules. Ces résultats supportent l'idée que les outils de toxicogénomiques combinés à l'utilisation d'un modèle hautement sensible à son environnement devraient être utilisés en évaluation du risque. / The current approach in toxicological risk assessment relies on traditional toxicity testing such as evaluation of clinical signs or pathological changes. This approach effectively provides concentrations to which an animal can be exposed without expecting any adverse outcome. However, it does not provide precise information on where, how and when toxicity occurs, as well as whether any long-term and trans-generational effects that may occur. To address this shortcoming, a new branch of toxicology recently appeared, helped by the development of technology: toxicogenomic. This field of research focuses on the global genome impact of a toxicant and provides information regarding the molecular pathways affected. Thus, toxicogenomic is complementary to classical methods. The objective of this thesis was to demonstrate that the preimplantation porcine embryo is an effective toxicogenomic model to evaluate the chlorination by-products and ethanol at environmentally-relevant concentrations. To conduct our experiments, we integrated the sensitivity of the preimplantation porcine embryo to powerful transcriptomic and epigenomic microarrays developed in our laboratory. The advantage of the early embryo is its capacity to express a plethora of pathways whilst serving as a relevant model for human. The result is a toxicogenomic screening system that better identifies the mode of action of toxicants that induce adverse health outcomes. We exposed embryos to either 0.2% ethanol or chlorination by-products found in drinking water, bromodichloromethane (BDCM) and dichloroacetic acid (DCAA). The concentrations used were similar to human exposure. Our results suggest that the preimplantation embryo is vulnerable to the toxicants present in its environment and that the adaptive mechanisms it activates are compatible with the adverse outcomes observed in human exposed in utero. All tested products induced a decreased in embryonic survival and significant modification in the transcriptomic profile. However, each product induced specific pathways, suggesting a different mode of action and demonstrating the plasticity of the embryonic response. In summary, the results presented in this thesis provide information on the mechanisms activated by the embryo in order to survive following exposure to toxicants and give insight on the mode of action of these molecules. These results support the use of toxicogenomic tools combined to sensitive animal model in risk assessment.