Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la biologie des systèmes et porte plus particulièrement sur un problème relatif aux réseaux biologiques hétérogènes. Elle se concentre sur les relations entre le métabolisme et le contexte génomique, en utilisant une approche de fouille de graphes.Il est communément admis que des étapes enzymatiques successives impliquant des produits de gènes situés à proximité sur le chromosome traduisent un avantage évolutif du maintien de cette relation de voisinage au niveau métabolique ainsi que génomique. En conséquence, nous choisissons de nous concentrer sur la détection de réactions voisines catalysées par des produits de gènes voisins, où la notion de voisinage peut être modulée en autorisant que certaines réactions et/ou gènes soient omis. Plus spécifiquement, les motifs recherchés sont des trails de réactions (c'est-à-dire des séquences de réactions pouvant répéter des réactions, mais pas les liens entre elles) catalysées par des produits de gènes voisins. De tels motifs de voisinage sont appelés des motifs métaboliques et génomiques.De plus, on s'intéresse aux motifs de voisinage métabolique et génomique conservés, c'est-à-dire à des motifs similaires pour plusieurs espèces. Parmi les variations considérées pour un motif conservé, on considère l'absence/présence de réactions et/ou de gènes, ou leur ordre différent.Dans un premier temps, nous proposons des algorithmes et des méthodes afin d'identifier des motifs de voisinage métabolique et génomique conservés. Ces méthodes sont implémentées dans le pipeline libre CoMetGeNe (COnserved METabolic and GEnomic NEighborhoods). À l'aide de CoMetGeNe, on analyse une sélection de 50 espèces bactériennes, en utilisant des données issues de la base de connaissances KEGG.Dans un second temps, un développement de la détection de motifs conservés est exploré en prenant en compte la similarité chimique entre réactions. Il permet de mettre en évidence une classe de modules métaboliques conservés, caractérisée par le voisinage des gènes intervenants. / This thesis fits within the field of systems biology and addresses a problem related to heterogeneous biological networks. It focuses on the relationship between metabolism and genomic context through a graph mining approach.It is well-known that succeeding enzymatic steps involving products of genes in close proximity on the chromosome translate an evolutionary advantage in maintaining this neighborhood relationship at both the metabolic and genomic levels. We therefore choose to focus on the detection of neighboring reactions being catalyzed by products of neighboring genes, where the notion of neighborhood may be modulated by allowing the omission of several reactions and/or genes. More specifically, the sought motifs are trails of reactions (meaning reaction sequences in which reactions may be repeated, but not the links between them). Such neighborhood motifs are referred to as metabolic and genomic patterns.In addition, we are also interested in detecting conserved metabolic and genomic patterns, meaning similar patterns across multiple species. Among the possible variations for a conserved pattern, the presence/absence of reactions and/or genes may be considered, or the different order of reactions and/or genes.A first development proposes algorithms and methods for the identification of conserved metabolic and genomic patterns. These methods are implemented in an open-source pipeline called CoMetGeNe (COnserved METabolic and GEnomic NEighborhoods). By means of this pipeline, we analyze a data set of 50 bacterial species, using data extracted from the KEGG knowledge base.A second development explores the detection of conserved patterns by taking into account the chemical similarity between reactions. This allows for the detection of a class of conserved metabolic modules in which neighboring genes are involved.

Une forte structure génétique a été décrite dans la littérature parmi les populations européennes de la coque de lagune Cerastoderma glaucum. Cependant, les limites géographiques entre les grandes divisions génétiques varient d'un marqueur à l'autre et leur faible nombre ne permettait pas de tester réellement les échanges génétiques entre ces groupes. Le but principal de cette thèse était donc d'estimer la structure des populations de C. glaucum à l'aide de marqueurs, en considérant les rôles respectifs de la divergence passée et de la fragmentation de l'habitat. Pour atteindre ses objectifs, des populations des côtes atlantiques et méditerranéennes ont été étudiées en utilisant : i) des marqueurs génétiques classiques (un EPIC et des marqueurs microsatellites déjà publiés); ii) des séquences associées à des sites de restriction (“restriction associated DNA sequences”) ou RADseq. Alors que les marqueurs génétiques classiques ont révélé le caractère divergent des populations de Méditerranée orientale, l'approche RADseq a permis de reconstruire les relations phylogénétiques entre groupes au sein de l'espèce avec une résolution jamais encore ateinte. Trois lignées profondément divergentes ont ainsi été identifiée au sein de C. glaucum: une en Mer Egée – Mer Noire, une en Mer Ionienne et la dernière largement distribuée de la Méditerranée à la Baltique. Cette dernière lignée c'est par ailleurs sous divisée en entités isolées en Méditerranée Occidentale, en Atlantique, en Mer du Nord et an Baltique. Comparée à l'espèce soeur C. edule, qui profite d'un habitat moins fragmenté, C. glaucum présente une beaucoup plus forte différenciation génétique entre populations. Il semble donc que des incompatibilités génétiques, conséquences de l'isolement géographique et de l'adaptation locale, aient pu être à l'origine d'un complexe d'espèces. Ces résultats soulignent par ailleurs le rôle évolutif particulier de l'habitat lagunaire, accélérateur de la diversification génétique. / Previous studies found a high level of genetic structuring among the European populations of the lagoon cockle Cerastoderma glaucum. However, the geographic locations of the major genetic divisions differed among markers and the small number of genetic markers used lacked the power to test for gene flow between divergent clusters. Therefore, the main aim of this thesis was to assess the population structure of C. glaucum using new genetic markers in the light of the respective role of past divergence and habitat fragmentation. To reach these objectives, populations from the Atlantic and Mediterranean coasts have been investigated using: i) classical genetic markers (EPIC together with previously published microsatellites); ii) restriction-site associated DNA sequencing (RADseq). When the classical genetic markers revealed the divergent character of Eastern Mediterranean populations, the RADseq approach allowed inferring phylogenetic relationships with an unprecedented resolution. Three deeply divergent lineages were described within C. glaucum: one in the Aegean-Black Sea region, one in the Ionian Sea, and the last one widely distributed from the Western Mediterranean to the Baltic Sea. This last lineage underwent further diversification with isolated entities detected in Western Mediterranean, Atlantic, North Sea and Baltic Sea. Compared to the sister species C. edule, which thrives in a less fragmented habitat, C. glaucum displayed a much stronger genetic differentiation among populations. Consequently, it seems that genetic incompatibilities, which emerged as a by-product of geographic isolation together with local adaptation, led to the origin of a species complex. These results highlight the evolutionary role of lagoon habitats, where genetic diversification can proceed very quickly.

Le choléra est une infection diarrhéique aiguë qui représente encore aujourd’hui un grave problème de santé publique dans les pays où l’accès à l’eau potable et un système d’assainissement adéquat ne peut pas être garanti. Vibrio cholerae, le pathogène bactérien responsable de cette maladie, peut provoquer toute une série de symptômes chez les individus infectés, allant d’une diarrhée intense conduisant à une déshydratation sévère, au portage asymptomatique de la bactérie. Bien que notre compréhension du choléra à une échelle macro-épidémiologique a considérablement été améliorée par le développement des techniques de séquençage à haut débit et par les avancées dans le domaine de la génomique bactérienne, aucune étude n’a encore été menée pour caractériser son évolution à l’échelle des individus infectés. De plus, le rôle des porteurs asymptomatiques au sein d’une épidémie et la raison derrière l’absence de symptômes chez ces individus infectés sont encore méconnus. L’objectif principal de cette thèse est donc de (1) caractériser la diversité génomique de V. cholerae au niveau des individus et des cercles familiaux, mais aussi (2) d’évaluer le rôle potentiel du microbiome intestinal dans la susceptibilité de contracter cette maladie entérique aiguë et de présenter des symptômes sévères. Dans un premier temps, nous caractérisons la diversité génomique de colonies isolées à partir de patients symptomatiques. Le séquençage de génomes entiers de souches provenant de patients du Bangladesh et d’Haïti révèle que cette diversité sous la forme de mutations ponctuelles reste limitée, mais détectable au sein des hôtes. Une grande partie de la variation du contenu génétique semble être surtout due au gain et à la perte de phages et de plasmides au sein de la population de V. cholerae, avec des échanges occasionnels entre le pathogène et d’autres membres commensaux du microbiote intestinal. Cela contredit l’hypothèse couramment acceptée que les infections par V. cholerae sont majoritairement clonales, et confirme que le transfert horizontal de gènes est un facteur important dans l’évolution de V. cholerae. De plus, nos résultats montrent que certains de ces variants peuvent avoir un effet phénotypique, impactant par exemple la formation de biofilms, et peuvent être sélectionnés au sein des individus infectés. Par la suite, nous appliquons une association de méthodes de séquençage de génomes entiers et de méthodes métagénomiques afin d’améliorer la détection des variants intra-hôte, à la fois chez des patients symptomatiques, mais aussi chez des porteurs asymptomatiques. Notre étude montre que l’approche métagénomique offre une meilleure résolution dans la détection de la diversité dans la population microbienne, mais reste difficile à appliquer chez des patients asymptomatiques, en raison du faible nombre de cellules de V. cholerae chez ces patients. Dans l’ensemble, nous constatons que le niveau de diversité au sein de la population bactérienne intra-hôte est similaire entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. Nous détectons aussi la présence de souches hypermutantes chez certains patients. De plus, alors que les mutations chez les patients porteurs de phénotypes d’hypermutations ne semblent pas sous l’effet de la sélection, des signes d'évolution parallèle sont détectés chez les patients présentant un plus faible nombre de mutations, suggérant des mécanismes d’adaptation au sein de l’hôte. Nos résultats soulignent la puissance de la métagénomique combinée au séquençage de génomes entiers pour caractériser la diversité intra-hôte dans le cas d’une infection aiguë du choléra, mais aussi dans le cas de portage asymptomatique, tout en identifiant pour la première fois le phénotype d’hypermutation chez des patients infectés. Finalement, nous nous intéressons aux facteurs liés à la susceptibilité à la maladie et à la sévérité des symptômes. Basée sur une étude récente utilisant le séquençage 16S pour montrer le lien potentiel entre le microbiome intestinal et la susceptibilité à l’infection par V. cholerae, nos analyses utilisent les méthodes de séquençage métagénomique sur les mêmes échantillons de cette précédente étude afin de caractériser les profils taxonomiques et fonctionnels du microbiome intestinal de contacts familiaux exposés à V. cholerae. Les échantillons sont prélevés avant l’infection de ces contacts familiaux et l’apparition ou non de symptômes, et sont analysés pour identifier des prédicteurs à la maladie symptomatique. Grâce à un algorithme d’apprentissage machine, nous pouvons identifier des espèces, des familles de gènes et des voies métaboliques du microbiome au moment de l'exposition à V. cholerae pour détecter des biomarqueurs potentiels corrélés avec les risques d'infection et la gravité des symptômes. Nos résultats montrent que l’utilisation du séquençage métagénomique améliore la précision et l’exactitude des prévisions par rapport au séquençage 16S. Nos analyses permettent aussi de prédire la gravité de la maladie, bien qu’avec une plus grande incertitude que la prédiction de l’infection. Des taxons bactériens des genres Prevotella et Bifidobacterium ont été identifiées comme des marqueurs potentiels de protection contre l’infection, tout comme gènes impliqués dans le métabolisme du fer. Nos résultats soulignent le pouvoir de la métagénomique pour prédire l’évolution des maladies et identifient des espèces et des gènes spécifiques pouvant être impliqués dans des tests expérimentaux afin d’étudier les mécanismes liés au microbiome intestinal expliquant la potentielle protection contre le choléra. / Cholera is an acute diarrhoeal disease that remains a global threat to public health in countries where access to safe water and adequate sanitation cannot be guaranteed. Vibrio cholerae, the bacterial pathogen responsible for this disease, can cause a range of symptoms in infected individuals, from intense diarrhea leading to severe dehydration, to asymptomatic carriage of the bacteria. Although our understanding of cholera on a macro-epidemiological scale has been considerably improved by the development of high-throughput sequencing techniques and by advances in bacterial genomics, no studies have yet been conducted to characterize its evolution at the scale of infected individuals. Furthermore, the role of asymptomatic carriers in an epidemic and the reason behind the absence of symptoms in these infected individuals remains unknown. The main objective of this thesis is therefore to characterize the genomic diversity of V. cholerae at the level of individuals and households, but also to evaluate the potential role of the gut microbiome in the susceptibility to contract this acute enteric disease and to present severe symptoms. First, we characterize the genomic diversity of colonies isolated from symptomatic patients. The whole genome sequencing of strains from patients in Bangladesh and Haiti reveals that this diversity is detectable in the form of point mutations within hosts, but remains limited. Much of the variation detected within patients appears to be due to the gain and loss of phages and plasmids within the V. cholerae population, with occasional exchanges between the pathogen and other commensal members of the gut microbiota. These results challenge the commonly accepted assumption that V. cholerae infections are predominantly clonal, and confirm that horizontal gene transfer is an important factor in the evolution of V. cholerae. In addition, our results show that some of these variants may also have a phenotypic effect, for example by impacting biofilm formation, and can be selected within infected individuals. Next, we apply a combination of whole genome sequencing and metagenomic approaches to improve the detection of intra-host variants, both in symptomatic patients and in asymptomatic carriers. Our study shows that the metagenomic approach offers a better resolution in the detection of the diversity in the microbial population, but remains difficult to apply in asymptomatic patients, due to the low number of V. cholerae cells in these individuals. Overall, we find that the level of diversity within the intra-host bacterial population is similar between symptomatic and asymptomatic patients. We also detect the presence of hypermutator strains in some patients. In addition, while mutations in patients with hypermutator phenotypes did not appear to be driven by selection, signs of parallel evolution are detected in patients with fewer mutations, suggesting adaptive mechanisms within the host. Our results underline the power of metagenomics combined with whole genome sequencing to characterize intra-host diversity in acute cholera infection, but also in asymptomatic carriers, while identifying for the first time an hypermutator phenotype in infected patients. Finally, we are interested in factors related to susceptibility to the disease and related to the severity of symptoms. Based on a recent study using 16S rRNA amplicon sequencing to show the potential link between the intestinal microbiome and susceptibility to V. cholerae infection, our study uses metagenomic sequencing methods on the same samples from this previous study to characterize the taxonomic and functional profiles of the gut microbiome of household contacts exposed to V. cholerae. Samples are collected prior to infection of these household contacts, and used to identify predictors of symptomatic disease. Using a machine learning algorithm, we can identify species, gene families and metabolic pathways in the microbiome at the time of exposure to V. cholerae to detect potential biomarkers correlated with risk of infection and symptom severity. Our results show that the use of metagenomic sequencing improves the precision and accuracy of predictions compared to 16S rRNA amplicon sequencing. Our analyses also predict disease severity, although with greater uncertainty than the prediction of infection. Bacterial taxa from the genera Prevotella and Bifidobacterium have been identified as potential markers of protection against infection, as well as genes involved in iron metabolism. Our results highlight the power of metagenomics to predict disease progression and identify specific species and genes that could be involved in experimental tests to study the mechanisms related to the microbiome explaining potential protection against cholera.

L'un des objectifs centraux de la biologie est de comprendre comment l'ADN, la séquence primaire, donne lieu à des traits observables. À cette fin, nous examinons ici des méthodes pour identifier les composants génétiques qui influencent les traits microbiens. Par « identifier », nous entendons l'élucidation à la fois l'état allélique et de la position physique de chaque variante causale d'un phénotype d'intérêt à la résolution des nucléotides de paires de bases. Nous nous sommes concentrés sur les études d'association génomique (genome-wide association studies; GWAS) en tant qu'approche générale d’étudier l'architecture génétique des traits. L'objectif global de cette thèse était d'examiner de manière critique les méthodologies GWAS et de les considérer en pratique dans des populations microbiennes fortement clonales et non- clonales (i.e. avec recombinaison fréquent). Le domaine de la GWAS microbienne est relativement nouveau par rapport aux quinze dernières années de la GWAS humaine, et en tant que tel, nous avons commencé par un examen de l'état de la GWAS microbienne. Nous avons posé deux questions principales : 1) Les méthodes GWAS humaines fonctionnent-elles facilement et sans modification pour les populations microbiennes ? 2) Et sinon, quels sont les problèmes méthodologiques centraux et les modifications nécessaires pour la GWAS microbienne? À partir de ces résultats, nous avons ensuite détaillé le déséquilibre de liaison (linkage disequilibrium; LD) comme principal obstacle dans la GWAS microbien, et nous avons présenté une nouvelle méthode, POUTINE, pour relever ce défi en exploitant les mutations homoplasiques pour briser implicitement la structure LD. Le reste de la thèse présente à la fois les méthodes traditionnelles GWAS (comptage des allèles) et POUTINE (comptage d’homoplasies) appliquées à une population hautement recombinogène de génomes de vibrions marins. Malgré une taille d'échantillon modeste, nous donnons un premier aperçu de l'architecture génétique de la résistance aux bactériophages dans une population naturelle, tout en montrant que les récepteurs des bactériophages jouent un rôle primordial. Ce résultat est en pleine cohérence avec des expériences en laboratoire de coévolution phage-bactérie. Il est important de noter que cette architecture met en évidence à quel point la sélection positive peut sculpter certains traits microbiens différemment de nombreux traits complexes humains, qui sont généralement soumis à une faible sélection purificatrice. Plus précisément, nous avons identifié des mutations à effet important à haute fréquence qui sont rarement observées dans les phénotypes complexes humains où de nombreuses mutations à faible effet contribuent à l'héritabilité. La thèse se termine par des perspectives sur les voies à suivre pour la GWAS microbienne. / One of the central goals of biology is to understand how DNA, the primary sequence, gives rise to observable traits. To this aim, we herein examine methods to identify the genetic components that influence microbial traits. By "identify" we mean the elucidation of both the allelic state and physical position of each causal variant of a phenotype of interest down to the base-pair nucleotide resolution. Our focus has been on genome-wide association studies (GWAS) as a general approach to dissecting the genetic architecture of traits. The overarching aim of this thesis was to critically examine GWAS methodologies and to consider them in practice in both strongly clonal and highly recombining microbial populations. The field of microbial GWAS is relatively new compared to the over fifteen years of human GWAS, and as such, we began this work with an examination of the state of microbial GWAS. We asked and attempted to answer two main questions: 1) Do human GWAS methods readily work without modification for microbial populations? 2) And if not, what are the central methodological problems and changes that are required for a successful microbial GWAS? Building from these findings, we then detailed linkage disequilibrium (LD) as the primary obstacle in microbial GWAS, and we presented a new method, POUTINE, to address this challenge by harnessing homoplasic mutations to implicitly break LD structure. The remainder of the thesis showcases both traditional GWAS methods (allele counting) and POUTINE applied to a highly recombining population of marine vibrio genomes. Despite a small sample size, we provide a first glimpse into the genetic architecture of bacteriophage resistance in a natural population and show that bacteriophage receptors play a primary role consistent with experimental populations of phage-bacteria coevolution. Importantly, this architecture highlights how strong positive selection can sculpt some microbial traits differently than many human complex traits, which are generally under weak purifying selection. Specifically, we identified common frequency, large-effect mutations that are rarely observed in human complex phenotypes where many low-effect mutations are thought to contribute to the bulk of heritability. The thesis concludes with perspectives on ways forward for microbial GWAS.

La fusariose des épis est l’une de maladies les plus dommageables des céréales tempérées et est principalement causée par le champignon toxinogène Fusarium graminearum (Fg). Ces dix dernières années, de nombreuses études ont rapporté l’induction transcriptionnelle de gènes de la plante codant pour des cytochromes P450 (P450) en réponse l’infection par Fg. Les P450s constituent une famille enzymatique impliquée dans de nombreuses voies métaboliques, certaines avec des intérêts potentiels dans la résistance face aux maladies. Nous avons utilisé la petite graminée modèle Brachypodium distachyon (Bd) pour caractériser fonctionnellement le premier gène codant pour un P450 induit chez la plante au cours de la fusariose des épis par l’utilisation de lignées altérées dans la séquence ou l’expression du gène Bradi1g75310 codant le P450 BdCYP711A29. Nous avons montré qu’en plus d’être un facteur de sensibilité à la maladie, le gène Bradi1g75310 est impliqué dans une voie de biosynthèse hormonale chez Bd, celle des strigolactones (SLs). En effet, en plus de complémenter génétiquement les phénotypes aériens de la lignée mutante max1-1 d’Arabidopsis thaliana altérée dans le gène homologue MAX1 (AtCYP711A1), une lignée de Bd surexprimant Bradi1g75310 (lignée OE) exsude davantage d’orobanchol, une SL spécifique, que la lignée sauvage ou mutante. Une analyse préliminaire de l’impact direct de l’orobanchol sur la croissance de Fg semble indiquer une activation des étapes précoces du développement du champignon (germination) qui pourrait être à l’origine de l’induction plus rapide de gènes de défenses observée chez une lignée OE de Bradi1g75310. Nous avons également montré que les 4 paralogues de Bradi1g75310 chez Bd, qui codent également pour des CYP711A, sont tous capable de complémenter la lignée max1-1 et avons généré du matériel végétal fondamental pour la poursuite de l’étude de la diversification des SLs chez la plante monocotylédone modèle Bd. Au global, ce projet constitue une première étape dans la caractérisation de l’implication des P450 dans la réponse de la plante face à l’infection par Fg en plus de donner de nouveaux indices concernant le rôle des SLs dans les interactions plante-pathogène. Les résultats obtenus au cours de ce travail de thèse pourront permettre l’amélioration de caractères tant développementaux que de résistance à la fusariose chez les céréales cultivées. / Fusarium Head Blight (FHB) is one of the most important diseases of temperate cereals and is mostly caused by the toxin producing-fungus Fusarium graminearum (Fg). This last decade, several studies reported the transcriptional activation of cereal cytochrome P450-encoding genes (P450s) in response to Fg infection. P450s constitute an enzymatic family participating in very diverse metabolic pathways with potential interest for disease resistance. We used the model temperate cereal Brachypodium distachyon (Bd) to functionally characterize the first FHB-induced P450- encoding gene using Bd lines altered in the locus or gene expression of the Bradi1g75310 gene encoding the BdCYP711A29 P450. We showed that in addition to be a plant susceptibility factor towards the disease, the Bradi1g75310 gene is involved in the hormonal biosynthetic pathway of strigolactones (SLs) in Bd. Indeed, in addition to genetically complement the shoot phenotypes of the Arabidopsis thaliana mutant line for the homologous gene MAX1 (AtCYP711A1, max1-1 line), a Bd linewhich overexpresses the Bradi1g75310 gene (OE) exudes more orobanchol, a specific SL, compared to wild-type or mutant lines. Preliminary analysis of the direct impact of orobanchol on Fg growth suggests an activation of early fungal development (germination) likely to induce faster induction of defense-related genes during FHB, observed in Bradi1g75310 OE line. We showed that the four paralogs of Bradi1g75310 encoding BdCYP711A P450s are all able to genetically complement max1-1 line and provide important plant material for studying SLs diversification in the model monocot B. distachyon. Overall, this project constitutes a first step in the characterization of P450s involvement in plant response towards Fg infection in addition to give new evidences about the role of SLs in plant-pathogen interactions. Results obtained during this Ph.D. project will allow the improvement of both developmental and FHB-related traits in cereal crops.

Devant le grand nombre de tumeurs du sein triple négatif résistant aux traitements, il est essentiel de comprendre les mécanismes de résistance et de trouver de nouvelles molécules efficaces. En premier lieu, nous analysons deux ensembles de données pharmacogénomiques à grande échelle. Nous proposons une nouvelle classification basée sur des profils transcriptomiques de lignées cellulaires, selon un processus de sélection de gènes basé sur des réseaux biologiques. Notre classification moléculaire montre une plus grande homogénéité dans la réponse aux médicaments que lorsque l’on regroupe les lignées cellulaires en fonction de leur tissu d'origine. Elle permet également d’identifier des profils similaires de réponse aux traitements. Dans un second travail, nous étudions une cohorte de patients atteints d’un cancer du sein triple négatif ayant résisté à la chimiothérapie néoadjuvante. Nous effectuons des analyses moléculaires complètes basées sur du RNAseq et WES. Nous constatons une forte hétérogénéité moléculaire des tumeurs avant et après traitement. Bien que nous observons une évolution clonale sous traitement, aucun mécanisme récurrent de résistance n’a pu être identifié. Nos résultats suggèrent fortement que chaque tumeur a un profil moléculaire unique et qu'il est important d'étudier de grandes séries de tumeurs. Enfin, nous améliorons une méthode pour tester la surreprésentation de motifs connus de protéines de liaison à l'ARN, dans un ensemble donné de séquences régulées. Cet outil utilise une approche innovante pour contrôler la proportion de faux positifs qui n'est pas réalisé par l'algorithme existant. Nous montrons l'efficacité de notre approche en utilisant deux séries de données différentes. / Given the large number of treatment-resistant triple-negative breast cancers, it is essential to understand the mechanisms of resistance and to find new effective molecules. First, we analyze two large-scale pharmacogenomic datasets. We propose a novel classification based on transcriptomic profiles of cell lines, according to a biological network-driven gene selection process. Our molecular classification shows greater homogeneity in drug response than when cell lines are grouped according to their original tissue. It also helps identify similar patterns of treatment response. In a second analysis, we study a cohort of patients with triple-negative breast cancer who have resisted to neoadjuvant chemotherapy. We perform complete molecular analyzes based on RNAseq and WES. We observe a high molecular heterogeneity of tumors before and after treatment. Although we highlighted clonal evolution under treatment, no recurrent mechanism of resistance could be identified Our results strongly suggest that each tumor has a unique molecular profile and that that it is increasingly important to have large series of tumors. Finally, we are improving a method for testing the overrepresentation of known RNA binding protein motifs in a given set of regulated sequences. This tool uses an innovative approach to control the proportion of false positives that is not realized by the existing algorithm. We show the effectiveness of our approach using two different datasets.

La domestication est un modèle idéal pour étudier les processus évolutifs car elle implique des événements d'adaptation récents avec une sélection forte. Les champignons sont de bons organismes modèles pour étudier la domestication et plus généralement l’adaptation, grâce à leurs petits génomes et leur facilité de manipulation. Ils sont utilisés depuis longtemps pour la transformation alimentaire, par exemple P. camemberti et P. roqueforti pour la fabrication du fromage, et la levure Saccharomyces pour la fermentation du vin et de la bière. Chez ces champignons, des caractéristiques bénéfiques ont été acquises pour la transformation alimentaire, et les transferts horizontaux de gènes se sont révélés être un moyen essentiel d’adaptation rapide dans l’environnement alimentaire. Ici, j’ai étudié principalement l’adaptation de deux espèces de Penicillium relativement distantes phylogénétiquement - P. nalgiovense et P. salamii, toutes deux utilisées pour la maturation de la viande séchée. J’ai étudié si ces champignons ont été domestiqués, c’est-à-dire si les populations alimentaires se sont adaptées à l’environnement de la viande séchée, et s’il y a eu une différenciation génétique par rapport à d’autres populations; j’ai aussi recherché si des traces génomiques d’adaptation pouvaient être détectées. En analysant des génomes complets, j’ai trouvé peu de diversité génétique et de structure de population chez P. salamii et encore moins chez P. nalgiovense. Des expériences ont montré que les populations de P. salamii et P. nalgiovense provenant de viande séchée présentaient des taux de protéolyse et de lipolyse plus faibles et des couleurs différentes de celles des populations de viande non séchée. De plus, nous avons trouvé des transferts de gènes horizontaux partagés par P. salamii et P. nalgiovense et absents chez d’autres espèces de Penicillium. En résumé, ces résultats indiquent une évolution convergente et une adaptation des populations de P. salamii et P. nalgiovense à la viande séchée. J'ai également étudié les conséquences de la domestication chez le champignon utilisé pour la production de fromages bleus, P. roqueforti, montrant une faible fertilité des souches fromagères par rapport aux souches non fromagères. Les résultats de la thèse soulignent donc l'importance des transferts de gènes horizontaux pour une adaptation rapide chez les champignons et renforcent l'idée que les champignons domestiqués pour la production de nourriture sont de bons modèles pour étudier l'adaptation et l'évolution. / Domestication is an ideal model to study evolutionary processes due to the recent adaptation events and strong selection it implies. Fungi in particular are good model organisms to study domestication and more generally adaptation, with their small genomes and experimental tractability. Fungi have been used for food production, e.g., P. camemberti and P. roqueforti for cheesemaking, and Saccharomyces yeast for wine and beer fermentation. In these fungi, beneficial traits have been acquired for food production, and horizontal gene transfers (HGTs) have been shown to be a major way to rapid adaptation in food environment. Here, I mainly studied the adaptation of food Penicillium fungi using two distantly related Penicillium species - P. nalgiovense and P. salamii, both used for dry-cured meat maturation, to assess whether these fungi have been domesticated, i.e., whether food populations adapted to the dry-cured meat environment, whether were genetically differentiated from other populations, and whether we could find genomic footprints of adaptive events. Using genome sequencing, we found little diversity and population structure in P. salamii and even less in P. nalgiovense. Experiments showed that both P. salamii and P. nalgiovense dry-cured meat populations had lower proteolysis and lipolysis rates and different colors from non-dry-cured meat populations. Furthermore, we found HGTs shared by P. salamii and P. nalgiovense while lacking in other Penicillium species. Altogether, these results indicate convergence evolution and adaptation in P. salamii and P. nalgiovense dry-cured meat populations, as was previously found in cheese Penicillium fungi. I also studied the consequences of domestication in the blue cheese fungus P. roqueforti, showing lower fertility of cheese strains compared to non-cheese strains. The results of the thesis thus point out the importance of HGTs for rapid adaptation in fungi and reinforce the view that fungi are ideal models to study adaptation and evolution.

La mise en place de la sélection génomique rend possible l’inclusion de nouveaux caractères dans les objectifs de sélection, en profitant des marges offertes par l’augmentation du progrès génétique sur les caractères historiques. En parallèle, les attentes des éleveurs, de la société et des filières orientent la sélection génétique vers des objectifs plus larges et complexes. Deux groupes de nouveaux caractères ont été analysés dans le cadre de l’amélioration génétique des bovins laitiers : les caractères de carcasse des jeunes bovins de races mixtes et les caractères de résistance aux lésions podales en race Holstein, afin de préparer la mise en place d’une sélection génétique et génomique de ces caractères. Pour ces deux caractères, les modèles d’évaluation polygénique les plus pertinents ont été développés et les paramètres génétiques correspondant ont été estimés. Ces derniers révèlent que la sélection génétique des caractères de carcasse des jeunes bovins sera relativement aisée, alors que celle de la résistance aux lésions podales sera plus difficile, mais possible, du fait de l’existence d’une variabilité génétique. Ils mettent également en évidence qu’un progrès génétique sur les caractères de carcasse des jeunes bovins n’est pas génétiquement opposé à un progrès génétique sur la production laitière. Ils mettent enfin en évidence deux groupes de lésions podales génétiquement distinctes. Par ailleurs, plusieurs stratégies pour prendre en compte la nonexhaustivité des données de lésions podales ont été testées. Plusieurs approches d’évaluation ont été comparées. Pour les deux groupes de caractères, l’approche dite « Single-Step Genomic BLUP » s’est révélée la plus prometteuse, même si les autres approches génomiques « en deux étapes », donnaient des résultats aux caractéristiques relativement proches. Ces études ont mené à la mise en place d’évaluations génétiques et génomiques en routine pour les deux groupes de caractères, pour lesquelles les méthodes d’évaluation classiques ont été retenues par souci de cohérence avec les évaluations actuelles, tout en démontrant l’intérêt d’une évolution vers l’approche en une étape à moyen terme. Les principales questions soulevées et les grandes étapes identifiées lors des études de ces deux caractères ont été rassemblées au sein d’une ébauche de méthodologie pour le développement d’évaluations génétiques pour de nouveaux caractères. / The implementation of genomic selection makes possible the inclusion of new traits in breeding goals, by taking advantage of the opportunities coming from the increased genetic trend on traits currently under selection. Breeders, breeding companies and society all have changing expectations regarding genetic selection. Two groups of new traits were analyzed in the context of genetic improvement of dairy cattle: carcass traits of young bulls in dual-purpose breeds and claw health traits in Holstein, in order to prepare the implementation of genetic and genomic selection on these traits. For both sets of traits, suitable genetic evaluation models were developed and genetic parameters were estimated. Genetic parameters reveal that genetic selection of carcass traits of young bulls appears to be fairly easy and that selection of claw health traits is going to be more difficult, but possible, given the existing genetic variation. They also highlight that there is no strong negative genetic correlation between carcass traits of young bulls and dairy production traits. Finally, they reveal that there are two genetically distinct groups of claw health traits. Several strategies to account for non-exhaustive recording of cows for trimming were tested. Several evaluation approaches were compared. For both sets of traits, Single-Step Genomic BLUP was the most promising approach, although other (two-step) genomic approaches allowed for relatively similar accuracies and control of bias. These studies led to the implementation of routine genetic and genomic evaluations for both sets of traits, for which a usual two-step genomic approach was preferred over Single-Step Genomic BLUP for consistency with the current evaluation of other traits. However these two examples illustrate the benefit of implementing routine Single-Step Genomic BLUP evaluations. The main questions and principal steps identified in these studies were gathered into tentative guidelines for the development of genetic evaluations for new traits.

L’objectif de ce travail était de mieux comprendre les mécanismes moléculaires de l’adaptation microbienne à l’environnement fromager par des approches de génomique fonctionnelle via le modèle de Brevibacterium, un genre bactérien largement utilisé en technologie fromagère, mais dont l’implantation est parfois difficile à maîtriser.L’analyse génomique comparative de 23 souches de Brevibacterium, dont 12 issues de fromages, a révélé des différences en déterminants génétiques impliqués dans la capacité à croître à la surface du fromage. Parmi ces différences, plusieurs sont corrélées à la phylogénie des souches, et d’autres résultent de transferts horizontaux, notamment dans le cas des gènes liés à l’acquisition du fer et à la biosynthèse de bactériocines. Nous avons identifié des îlots génomiques correspondant à des transferts de gènes d’acquisition du fer entre des souches fromagères de Brevibacterium et des bactéries d’affinage appartenant à d’autres genres. Nous avons également mis en évidence un transposon conjugatif codant pour la synthèse de bactériocines présent chez des souches de Brevibacterium d'origine fromagère mais aussi chez une souche fromagère du genre Corynebacterium.L’étude fonctionnelle des interactions biotiques entre Brevibacterium et Hafnia alvei, une autre bactérie d’affinage du fromage, a été menée dans un modèle fromager développé au cours de ce travail. En couplant des analyses microbiologiques, biochimiques et transcriptomiques (RNA-seq), nous avons mis en évidence l’existence de différents mécanismes d’interaction entre ces bactéries. Ceux-ci concernent notamment l’acquisition du fer, la protéolyse, la lipolyse, le métabolisme soufré et le catabolisme du D-galactonate. Nos résultats suggèrent que dans la relation mutualiste observée entre certaines souches de Brevibacterium et H. alvei, cette dernière sécrète des sidérophores qui sont utilisés par Brevibacterium pour capter le fer plus efficacement, stimulant ainsi sa croissance. En contrepartie, Brevibacterium sécrète des lipases et des protéases qui dégradent les caséines et triglycérides du fromage en constituants énergétiques favorisant la croissance de H. alvei. Ce type d’interaction est intéressant à considérer pour la formulation des ferments d'affinage car il en résulte une meilleure capacité de tous les partenaires à coloniser le fromage, et ainsi à générer les propriétés technologiques recherchées. / The objective of this study was to better understand the molecular mechanisms of microbial adaptation to the cheese habitat by functional genomic approaches using Brevibacterium as a model microorganism. This bacterium is widely used for the manufacturing of cheese but its growth on the cheese surface is sometimes difficult to control.Comparative genomic analysis of 23 Brevibacterium strains, including 12 strains isolated from cheeses, revealed differences in genetic determinants involved in the growth on the cheese surface. Some of them are correlated to strain phylogeny and others are the result of gene transfers, especially those involved in iron acquisition and bacteriocin biosynthesis. We identified genomic islands corresponding to transfers of genes involved in iron acquisition between cheese-associated Brevibacterium strains and cheese-associated strains belonging to other genera. We also detected a conjugative transposon encoding bacteriocin production, which is present in cheese-associated Brevibacterium strains as well as in a cheese-associated Corynebacterium strain.Functional study of biotic interactions between Brevibacterium and Hafnia alvei, another cheese-ripening bacterium, was performed in a model cheese developed in this study. By coupling microbial, biochemical and transcriptomic (RNA-seq) analyses, we revealed several interaction mechanisms between these bacteria. These concern, in particular, iron acquisition, proteolysis, lipolysis, sulfur metabolism and D-galactonate catabolism. Our findings suggest that in the mutualistic relationship between some Brevibacterium strains and H. alvei, the latter stimulates Brevibacterium growth by the secretion of siderophores, which can be used by Brevibacterium to capture iron more efficiently. In return, Brevibacterium secretes lipases and proteases, which degrade cheese caseins and triglycerides into energetic substrates that stimulate H. alvei growth. This type of interaction is interesting to consider in the formulation of ripening cultures because it results in a better ability of all partners to colonize the cheese, and thus to generate the desired technological properties.

Au cours de la méiose, les points chauds de recombinaison sont le siège de la formation de cassures double-brin de l’ADN. Ces dernières sont ensuite réparées par un processus qui, chez de nombreuses espèces, favorise la transmission des allèles G et C : la conversion génique biaisée vers GC (gBGC). L’intensité de cet important distorteur de la ségrégation méiotique varie fortement entre espèces mais les facteurs déterminant son évolution sont toujours inconnus. Nous avons donc voulu quantifier directement le biais de transmission chez la souris et comparer les paramètres dont il dépend avec d’autres mammifères. Dans cette étude, en couplant des développements bioinformatiques à une technique de capture ciblée d’ADN suivie de séquençage haut-débit (capture-seq), nous avons réussi à mettre au point une approche qui s’est révélée 100 fois plus performante pour détecter les événements de recombinaison que les méthodes existant actuellement. Ainsi, nous avons pu identifier 18 821 crossing-overs (COs) et non-crossovers (NCOs) à très grande résolution chez des individus uniques, ce qui nous a permis de caractériser minutieusement la recombinaison chez la souris. Chez cette espèce, les points chauds de recombinaison sont ciblés par la protéine PRDM9 et sont donc soumis à une deuxième forme de conversion génique biaisée (BGC) : le biais d’initiation (dBGC). La quantification du dBGC et du gBGC à partir de nos données nous a permis de mettre en lumière le fait que, au moment où des populations structurées s’hybrident, le gBGC des lignées parentales est propagé par un phénomène d’auto-stop génétique (genetic hitchhiking) provenant du dBGC. Nous avons ensuite pu observer que, chez les souris mâles, seuls les NCOs — et plus particulièrement les NCOs contenant un seul marqueur génétique— contribuent à l’intensité du gBGC. En comparaison, chez l’Homme, à la fois les NCOs et au moins une part des COs (ceux qui présentent des tracts de conversion complexes) distordent les fréquences alléliques. Ceci suggère que la machinerie de réparation des cassures double-brin qui induit le biais de conversion génique (BGC) présente des variations au sein des mammifères. Nos résultats sont aussi en accord avec l’hypothèse selon laquelle une pression de sélection limiterait l’intensité de ce processus délétère à l’échelle de la population. Cela se traduirait par une compensation de la taille efficace de population à de multiples niveaux : par le taux de recombinaison, par la longueur des tracts de conversion et par le biais de transmission. Somme toute, notre travail a permis de mieux comprendre la façon dont la recombinaison et la conversion génique biaisée opèrent chez les mammifères. / During meiosis, recombination hotspots host the formation of DNA double-strand breaks (DSBs). DSBs are subsequently repaired through a process which, in a wide range of species, is biased towards the favoured transmission of G and C alleles: GC-biased gene conversion (gBGC). The intensity of this fundamental distorter of meiotic segregation strongly varies between species but the factors dictating its evolution are not known. We thus aimed at directly quantifying the transmission bias in mice and comparing the parameters on which it depends with other mammals. Here, we coupled capture-seq and bioinformatic techniques to implement an approach that proved 100 times more powerful than current methods to detect recombination. With it, we identified 18,821 crossing-over (CO) and non-crossover (NCO) events at very high resolution in single individuals and could thus precisely characterise patterns of recombination in mice. In this species, recombination hotspots are targeted by PRDM9 and are therefore subject to a second type of biased gene conversion (BGC): DSB-induced BGC (dBGC). Quantifying both dBGC and gBGC with our data brought to light the fact that, in cases of structured populations, past gBGC from the parental lineages is hitchhiked by dBGC when the populations cross. We next observed that, in male mice, only NCOs — and more particularly single-marker NCOs — contribute to the intensity of gBGC. In contrast, in humans, both NCOs and at least a portion of COs (those with complex conversion tracts) distort allelic frequencies. This suggests that the DSB repair machinery leading to gBGC varies across mammals. Our findings are also consistent with the hypothesis of a selective pressure restraining the intensity of the deleterious gBGC process at the population-scale: this would materialise through a multi-level compensation of the effective population size by the recombination rate, the length of conversion tracts and the transmission bias. Altogether, our work has allowed to better comprehend how recombination and biased gene conversion proceed in the mammalian clade