Les cytochromes P450 (CYP450) sont des hémoprotéines intervenant généralement dans la détoxication de l’organisme sous forme de biodégradation de molécules xénobiotiques et participent à la décomposition de certains médicaments. Cependant, les gènes codant pour les protéines CYP450 sont souvent sous-analysés dans les études génomiques à grande échelle en raison de leur difficulté d’analyse due à un haut taux de polymorphisme. Deux sous-familles seront étudiées plus en profondeur: les sous-familles CYP3A et CYP4F. La sous-famille CYP3A métabolise environ 50% des médicaments alors que les enzymes CYP4F, quant à eux, sont impliquées dans le métabolisme de composés endogènes, de nutriments et de médicaments. Les gènes de ces sous-familles sont fortement polymorphes et ce, à travers les populations humaines. Ainsi, la variabilité entre les différentes populations peut affecter la réponse aux médicaments et autres fonctions métaboliques. Dans ce projet, deux grands jeux de données, l’un en génétique des populations (le Projet des 1000 Génomes) et l’autre en transcriptomique (GTEx) seront utilisés afin d’identifier des signatures de sélection naturelle dans les gènes CYP3A et CYP4F, ainsi que leur impact sur l’expression génique de ces gènes. Nous avons détecté différentes forces de sélection (positive et balancée) dans les deux sous-familles. Certains polymorphismes identifiés comme étant sous pression sélective sont associés à une expression différentielle des gènes des deux sous-familles. Ce projet permet de mieux comprendre l’impact des mutations sous pression sélective se situant dans les gènes des sous-familles CYP3A et CYP4F. Cette caractérisation génétique permettra d’obtenir des prédictions plus fiables en pharmacogénomique et en génomique humaine, en raison de l’influence de ces gènes sur la réponse aux médicaments. / Cytochromes P450 (CYP450) are hemoproteins generally involved in the detoxification of the body of xenobiotic molecules and participate in the metabolism of many drugs. Genetic polymorphisms have been found to impact drugs responses and metabolic functions. However, genes encoding CYP450 proteins are often under-analyzed in large-scale genomic studies because the difficulty of analysis due to of their high rate of polymorphism. In this study, we investigate the genetic diversity for CYP450 genes. We found that two clusters, CYP3A and CYP4F, are notably differentiated across human populations with evidence for selective pressures acting on both clusters. The CYP3A subfamily metabolizes approximately 50\% of drugs while CYP4F enzymes are involved in the metabolism of endogenous compounds, nutrients and drugs. Indeed, we found signals of recent positive selection in CYP3A and CYP4F genes and signals of balancing selection in CYP4F genes. Futhermore, unusual linkage disequilibrium is detected in both cluster, suggesting co-evolution. eQTLs were also found in both clusters which indicate co-regulation and epistasis.

Cette étude pilote vise à développer une méthode d'analyse intégrative qui permet d'augmenter le taux de réussite du diagnostic clinique des mutations génétiques rares. De plus, l'identification de nouveaux gènes associés à l'ataxie épisodique (EA) et l'évaluation de nouveaux algorithmes de prédiction, pour un examen de variants plus robuste, découleront de l'enquête. Caractérisé par une perte sporadique de la coordination des mouvements volontaires, l'EA se manifeste généralement tardivement, avec une hétérogénéité clinique et génétique élevée, compliquant largement l’obtention d’un diagnostic précis. Alors que quatre gènes ont été liés aux huit sous-types d'EA, de nombreux patients demeurent sans diagnostic moléculaire dû aux limites des méthodes de séquençage d’ADN. Ces lacunes accentuent l’intérêt d’implanter le séquençage de l’ARN en milieu clinique, afin d’obtenir l’information fonctionnelle offerte par l’approche. Des patients atteints d’EA, sans diagnostic moléculaire malgré un examen approfondi, ont été recrutés à Montréal. Le séquençage du génome entier (WGS) et de l'ARN a été effectué sur des échantillons de sang pour identifier les variants nucléotidiques, l'expression différentielle, les événements d'épissage ainsi que les expansions de microsatellites. Plusieurs algorithmes de prédiction de la pathogénicité récents ont été choisis pour être testés parallèlement aux algorithmes standard. Des données WGS provenant d’un trio familial atteint de pathologies neurologiques ont également été soumises au pipeline génomique développé pour la cohorte EA. Des variants candidats ont été identifiés pour chaque patient en fonction des scores de pathogénicité, de la rareté des événements génétiques et des informations fonctionnelles et cliniques connues pour un gène altéré donné. Parmi les découvertes figurent des mutations non-sens, des faux-sens, de l'épissage alternatif ainsi que des expansions nucléotidiques dans des gènes associés aux ataxies spinocérébelleuses ou aux paraplégies spastiques. En plus d'être présents dans les ensembles de données de séquençage disponibles pour chaque patient, les événements génomiques ont été vérifiés par séquençage Sanger de l'ADN et de l'ARN lorsque possible. Les effets fonctionnels potentiels, prédits principalement à partir du RNA-seq et suggérant une expression anormale de l'ARNm, ont également été évalués par amplification PCR et qPCR traditionnelle. À ce jour, quatre des dix patients ont reçu ou sont en voie de recevoir un diagnostic clinique, et quatre autres présentent d’excellents candidats moléculaires pour expliquer une pathologie ataxique. Ce projet devrait permettre un diagnostic mieux défini, conduisant à une meilleure qualité de vie, une meilleure évaluation du pronostic et une meilleure prise en charge des patients. L’identification de modulateurs génétiques chez certains d’entre eux devrait également permettre une meilleure caractérisation clinique des conditions rapportées, bénéficiant les évaluations symptomatiques futures. De plus, la méta-analyse des données RNA-seq offre le potentiel de découvrir des régulateurs de pathogenèse communs à l’EA. Il favorisera également l'approche intégrative pour un plus large éventail de troubles et pourrait éventuellement conduire à de nouvelles stratégies thérapeutiques. / This pilot study aims to develop an integrative analysis method that allows for an increased diagnosis success rate of rare genetic mutations. Moreover, identification of novel genes associated with Episodic Ataxia (EA) and evaluation of new AI-generated prediction algorithms, for a more robust variant examination, will ensue from the investigation. Characterized by sporadic loss of voluntary movement coordination, EA typically manifest with a late onset as well as high-clinical and genetic heterogeneity, setting additional hurdles to diagnosis. While four genes have been linked to the eight subtypes of EA, many patients are left without molecular diagnosis due to the limitations of individual DNA-sequencing methods, which can be mitigated by the functional overview that RNA sequencing (RNA-seq) offers. EA patients, lacking molecular diagnosis despite in-depth examination, were recruited in Montreal. Whole-Genome sequencing (WGS) and RNA-seq were performed on blood samples to identify single nucleotide variants, differential expression, splicing events, structural variants and repeat expansions. Multiple recent pathogenicity prediction algorithms were chosen for testing concurrently to standard ones, in order to evaluate their performance and potential for clinical pipelines integration. WGS data of a family trio from France, in which the father and the daughter present neurologic pathologies, were also processed through the genomic pipeline that was developed for the EA cohort in order to identify the cause of their disorder. Candidate variants were identified for each patient according to pathogenicity scores, rarity of genetic events, and known functional as well as clinical information for a given altered gene. Among the findings are truncations, missenses, alternative splicing, and repeat expansions in genes already associated to either spinocerebellar ataxia or spastic paraplegia. In addition to being present in both datasets when available, validation of these interesting genomic events has been performed through Sanger Sequencing of both DNA and RNA when feasible. For strong candidates where the available functional information from RNA-seq suggests abnormal mRNA expression, validation includes PCR amplification as well as a traditional qPCR to support effects on transcripts. To this day, four out of ten patients have received or are on the verge of receiving a diagnosis, and four others are carrying excellent molecular candidates requiring further validation to explain their ataxic pathologies. This project should provide more defined diagnosis, leading to better quality of life, better evaluation of prognosis and better management of care for patients. Identification of genetic modifier in some of them should also allow for a better clinical characterization of the reported conditions, benefiting future patient examinations. A meta-analysis of our patients’ transcriptomic profiles could also uncover commonly affected pathways in EA development. It will also promote the integrative approach for a larger spectrum of disorders and might eventually lead to new therapeutic strategies.

L'évolution répétée et indépendante de la différenciation phénotypique entre espèces divergentes, suggérant des pressions sélectives similaires, constitue un contexte propice à l'étude de l'architecture génomique de la spéciation parallèle. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des éléments de réponses concernant les bases génomiques impliquées dans la différenciation phénotypique, et leur influence sur l’évolution de la divergence entre deux complexes d'espèces apparentés, le Grand Corégone (Coregonus clupeaformis) et le Corégone Lavaret (C. lavaretus). Plus précisément, il était nécessaire d'élucider l'origine du polymorphisme de chacune des populations, le rôle de cette variation génétique, son maintient durant la divergence et la différenciation phénotypique entre paires d'espèces. Une analyse génomique a permis de réaliser des inférences démographiques historiques, mettant en évidence la contribution simultanée de processus démographiques et sélectifs qui ont façonné les paysages génomiques de différenciation entre paires d'espèces. Ensuite, une analyse transcriptomique a permis d'identifier des bases polygéniques partagées impliquées dans la différenciation phénotypique parallèle entre paires d'espèces. De plus, ces bases polygéniques indiquent une forte rétention du polymorphisme ancestral sous l’action de la sélection divergente. Finalement, un parallélisme de régions d’ADN différentiellement méthylées entre espèces a été identifié. Bien que cette méthylation repose sur des bases génomiques, ces régions différentiellement méthylées sont associées à une différenciation transcriptionnelle entre espèces des complexes d'espèces du Corégone Lavaret et du Grand Corégone. Ces travaux montrent que la sélection naturelle est contrainte par certains génotypes permettant d'acquérir un parallélisme phénotypique de façon indépendante, et agir sur du polymorphisme ancestral, notamment dans un contexte de spéciation parallèle. Enfin, cette thèse permet de lever le voile et de contribuer à la compréhension des mécanismes génomiques associés à la divergence adaptative pouvant mener à la spéciation écologique, notamment en utilisant une approche intégrative. / Repeated evolution of phenotypic differentiation between diverging species pairs provides an ideal context for the study of the genomic architecture of parallel speciation. The main objective of this thesis is to provide evidence concerning the genomic bases involved in phenotypic differentiation, and their influence on the evolutionary potential of species complexes belonging to two related lineages, the Lake Whitefish (Coregonus clupeaformis) and European Whitefish (C. lavaretus). Specificaly, it is necessary to elucidate the origin of the genetic polymorphism of each population from both whitefish lineages, and to which extend this polymorphism was involved in the genetic divergence and phenotypic differentiation between species pairs. A genome-wide analysis allowed to infer the divergence history combining the effects of historical demograhy and selective pressure that collectively shape the genomic landscape of differentiation between species pairs. Then, transcriptomic analyses revealed parallel polygenic bases involved in the phenotypic differentiation of species pairs, and such genes were enriched in shared ancestral polymorphism. Finaly, a parallel differential methylation level has been identified between species. Although this methylation is genomicaly based, these differentially methylated regions are associated with a transcriptional differentiation between the limnetic and benthic species. This work shows that selection is constrained by some genotypes which could lead to an independent parallel phenotypic aquisition, but also act on the maintainance of ancestral genetic polymorphism, particularly in a context of parallel speciation. This thesis allows to highlight and to contribute to the understanding of the genomic mechanisms generating biodiversity, notably by using an integrative approach.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative caractérisée par la détérioration progressive et irréversible de toutes les facultés intellectuelles. Les récents développements scientifiques, et en particulier les apports de la génétique moléculaire, ont permis des avancées considérables dans la compréhension de l'étiologie de cette maladie. En fait, il s'agit d'une maladie dont les causes, tant environnementales que génétiques, sont nombreuses. Malgré ces progrès remarquables, les causes précises de la majorité des cas de MA demeurent en cette année 1999, inconnues. Il faut en déduire que d'autres facteurs restent à être identifiés. Plusieurs indices biochimiques et génétiques suggèrent qu'une anomalie mitochondriale pourrait être impliquée dans le développement de la MA. Ainsi, on rapporte que l'activité de l'un des maillons de la chaîne respiratoire mitochondriale (complexe cytochrome oxydase) est diminuée en comparaison d'individus normaux du même âge. La littérature scientifique suggère très fréquemment que le génome mitochondrial pourrait être la cause de ce déficit enzymatique. Cependant, aucune publication n'a pu jusqu'à ce jour lever le voile sur le rôle exact que joue ce génome dans la MA. Pour cette raison, nous avons amorcé un programme de recherche ayant pour but premier d'étudier la séquence de l'ADN mitochondrial (ADNmt) d'un nombre important de patients et de témoins provenant, pour la grande majorité, de la population fondatrice du Saguenay-Lac-St-Jean. Notre objectif était de déterminer si le déficit de l'activité cytochrome oxydase (CO) était associé à des variations de l'ADNmt situées dans les gènes pouvant affecter directement l'activité de cette enzyme (gènes COI, COII, COIII et les 22 ARN de transfert mitochondriaux). Avant de débuter l'analyse du génome mitochondrial, nous avons mesuré l'activité CO dans différentes régions du cortex cérébral de patients décèdes de la MA et comparé l'activité mesurée à celle d'individus normaux ou décèdes suite au développement d'une autre maladie neurodégénérative (démence à corps de Lewy, maladie de Parkinson ou démence cérébrovasculaire). Ainsi, nous avons démontré que l'activité CO était significativement diminuée dans le cortex frontal et pariétal des patients Alzheimer. Par contre, nous ignorons pourquoi certaines régions cérébrales, comme l'hippocampe qui est une structure très affectée par la MA, présentent une activité CO comparable à celle des témoins. D'autres part, nous avons observé que les patients Alzheimer de type sénile ayant une durée de maladie très courte ont une activité CO dans le cortex frontal et pariétal encore plus faible que ceux qui sun/ivent plus de dix ans à la maladie. Comme le niveau d'activité CO est un reflet de l'activité neuronale, on ne peut dire si cette diminution de fonction du complexe CO est réellement impliquée dans le développement de la MA ou si elle n'en est qu'une conséquence. Pour pouvoir incriminer ce déficit enzymatique, il faudrait pouvoir l'associer à une ou plusieurs anomalies génétiques, comme c'est le cas dans les cytopathies mitochondriales. Puisque le complexe CO est composé d'unités codées par le génome nucléaire et mitochondrial, la cause du déficit enzymatique pourrait se situer à l'intérieur de l'un de ces deux génomes. Pour notre étude, nous avons analysé toutes les régions du génome mitochondrial pouvant influencer le niveau d'activité de cette enzyme. C'est-à-dire les trois gènes indispensables à la formation du complexe CO (CO l, II et III) ainsi que les 22 ARN de transfert mitochondriaux (ARNt) qui servent à leur traduction. Au total, nous avons détecté la présence de 95 variations différentes à l'intérieur du génome mitochondrial de 69 patients Alzheimer et de 83 individus témoins. Ce qui ressort essentiellement de cette analyse génétique, c'est qu'il n'y a pas de différence majeure dans la séquence de l'ADNmt (gènes CO l, II, III et les 22 ARNt) entre les patients et les témoins. Nous pouvons donc affirmer que la baisse d'activité CO observée dans le cortex cérébral de la majorité des patients Alzheimer n'est pas causée directement par une anomalie de ces gènes mitochondriaux. En conséquence, l'hypothèse voulant que le génome mitochondrial soit la cause de ce déficit enzymatique et qu'il ait un rôle dans la MA est rejetée. Il existe seulement deux autres possibilités principales qui pourraient expliquer l'origine de ce déficit enzymatique. Soit que l'un des gènes nucléaires impliqués dans la formation ou le fonctionnement du complexe CO est défectueux ou finalement soit que cette diminution d'activité CO ne résulte que d'une adaptation de la chaîne respiratoire à une diminution importante de l'activité synaptique et du métabolisme cellulaire dans le cortex des patients Alzheimer. Néanmoins, nous ne pouvons pas totalement exclure la possibilité que l'ADNmt soit impliqué dans l'étiologie de la MA. En effet, nous avons observé qu'un nombre restreint de sujets sont porteurs de variations que l'on retrouve uniquement chez les individus qui ont développé la MA. Cependant, puisque ces variations sont relativement rares, elles ne sont certainement pas la cause du déficit CO présent chez la majorité des patients. Une de ces variations est un haplotype composé des polymorphismes situés aux positions 5633 (ARNtA'a), 7476 (ARNtSer) et 15812 (cytochrome b) que l'on a détecté chez 4,7% des patients mais chez aucun des 83 témoins. Étant donné que l'une de ces variations (15812) est déjà associée à une autre maladie neurodégénérative, que ces trois modifications sont modérément conservées et que leur fréquence dans différentes populations a été établie à environ 0,1%, nous pensons que la présence de cet haptotype pourrait représenter un risque de développer la MA. Il est donc possible que cette anomalie de l'ADNmt explique un faible pourcentage des cas de MA. Cependant, cette affirmation n'est pour l'instant que spéculative et ne serrait vérifiée que lorsque d'autres groupes de recherche auront confirmé ou infirmé cette association. D'autres résultats ont également été obtenus concernant, entre autres, 2 modifications de l'ADNmt qui avaient déjà été associées à la MA dans des études antérieures. Nous avons détecté ces deux variations (4336/ARNtQ et 5460/ND2) aussi bien chez les patients que chez les témoins; elles ne sont donc pas associées à la MA, du moins pas dans notre population. Par ailleurs, le troisième article (Chagnon étal., 1999) de la section résultat de cette thèse, rapporte que nous avons observé une différence significative (p Dans la dernière portion de notre étude, nous avons mesuré le taux de mutations somatiques (mutations ponctuelles qui s'accumulent au cours de la vie d'un individu) de plusieurs sujets et démontré qu'il n'y a pas plus de mutagenèse dans le gène COIII de l'ADNmt chez les patients que chez les témoins. Ce mécanisme, souvent cité dans la littérature pour sa participation au phénomène du vieillissement cellulaire, ne serait pas la cause du déficit CO et ne jouerait aucun rôle dans l'étiologie de la MA. En conclusion, cette étude du génome mitochondrial a nécessité l'analyse de la séquence de près de 10 kb d'ADN chez plus de 150 individus (au total, plus de 1 million de nucléotides analysés). Malgré l'ampleur de cette tâche, nous savions dès le départ que cette étude complète des trois gènes CO et des 22 ARNt mitochondriaux était, en quelque sorte, préliminaire. En effet, comme la MA est une maladie complexe et que les gènes connus faisant partie de son étiologie n'expliquent qu'un faible pourcentage de cas Alzheimer, il était peu probable de trouver un gène muté pouvant expliquer une majorité de cas. Le mieux que nous pouvions espérer était d'identifier des variations présentes chez certains patients mais pas chez les témoins. Le problème avec ce type de résultats, c'est qu'il est pratiquement impossible d'arriver à des conclusions fermes. Ainsi, pour l'haplotype que nous avons détecté chez un certain nombre de patients, il faudra attendre la confirmation de d'autres études ultérieures pour conclure définitivement de son implication dans la MA. -2- Quoi qu'il en soit, cette étude a déjà atteint un objectif très important puisque nous savons maintenant que les trois gènes CO et les 22 ARNt mitochondriaux, qui étaient des gènes candidats importants, ne sont pas la cause du déficit CO qui est observé chez la majorité des patients Alzheimer.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Une analyse de liaison a précédemment été effectuée chez les mâles du croisement F2 entre deux souches de rats normotendus présentant une différence quantitative pour la masse cardiaque (WKY et WKHA). Celle-ci a permis d'établir que le chromosome 5 (incluant le gène du précurseur de l'ANF (Nppa)) contient un locus lié à la masse cardiaque et à la concentration ventriculaire en ANF (ANFv). L'utilisation de marqueurs M13 pour la production de génotypes permet l'obtention de résultats plus lisibles et l'automatisation du processus. Ceci a facilité la production des lignées congéniques WKHA contenant le locus du chromosome 5 en provenance des WKY (et inversement), générées pour renforcer les résultats précédemment obtenus. Chez les mâles des lignées WKY.WKHA-(D5Rat73- D5Mgh16) et WKHA.WKY-(D5RaM5-D5f?af245J, le fragment D5Rat45-D5Rat245 était lié à la masse cardiaque (selon la mesure du ratio largeur/longueur des cardiomyocytes isolés) et à l'ANFv. Cependant, chez les femelles de ces lignées, il a été prouvé que la provenance parentale du fragment d'intérêt déterminait la valeur de l'ANFv seulement. Ces résultats appuient ceux de l'analyse de liaison effectuée chez les femelles (F2 WKY/WKHA) ayant permis de déterminer que le locus du gène Nppa n'est pas lié à la masse cardiaque bien qu'il soit lié à l'ANFv. De plus, les mesures des ratio de largeur/longueur des cardiomyocytes isolés ont montré que les cellules isolées à partir des femelles WKHA étaient plus longues que celles des WKY mais, contrairement à ce qui est observé chez les mâles, pas plus larges.

La fibrillation auriculaire (FA) est l'arythmie cardiaque la plus répandue dans le monde et est associée à une hausse de morbidité et une mortalité importante. Des progrès substantiels dans notre compréhension de l'étiologie de la maladie ont été réalisés au cours des deux dernières décennies, conduisant à une amélioration du traitement et de la gestion de la maladie. Cependant, le fardeau de la FA continue d'augmenter. De plus, les mécanismes moléculaires et cellulaires sous-jacents à l’initiation et à la progression de la FA restent incomplètement compris. Dans cette thèse, mon objectif était de caractériser de nouveaux déterminants moléculaires et cellulaires de la FA en utilisant une approche multiomique. J'ai d'abord utilisé le séquençage de l'ARN (RNAseq) pour l'ARN total et les micro-ARN (miRNA) afin de dévaluer l'effet de la FA sur l’expression génique dans deux modèles canins de FA. Ces résultats ont impliqué le locus orthologue humain 14q32 et son lien potentiel avec la signalisation du glutamate. Dans le chapitre trois, j'ai démontré les lacunes actuelles des modèles statistiques utilisés pour prédire l'effet régulateur des régions de chromatine ouvertes sur l'expression des gènes dans des essais multiomiques à noyau unique et suggéré des alternatives montrant un meilleur pouvoir prédictif. Dans le chapitre quatre, j'ai utilisé des analyses par locus quantitatifs d'expression (eQTL) pour caractériser les variants génétiques communs associés à la FA. Grâce à des analyses de colocalisation, une cartographie fine et un multiome à noyau unique, j'ai justifié mécaniquement l’effet de variants non-codants et fait la priorisation de gènes candidats, notamment GNB4, MAPT et LINC01629. Enfin, dans le chapitre cinq, j'ai fourni une caractérisation approfondie des gènes persistants de FA différentiellement exprimés au niveau cellulaire et identifié les facteurs de transcription potentiels impliqués dans leur régulation. En résumé, l’utilisation d’une approche multiomique a permis de découvrir de nombreuses nouvelles voies cellulaires et génétiques modifiées au cours de la FA ainsi que des gènes candidats impliqués dans le risque génétique de la FA. Ces résultats fournissent des informations et ressources importantes pour concevoir de nouvelles stratégies thérapeutiques, impliquant à la fois des cibles génétiques et nouvelles voies cellulaires pour lutter contre cette maladie cardiaque commune. / Atrial fibrillation (AF) is the most prevalent cardiac arrhythmia worldwide and is associated with important morbidity and mortality. Substantial advancement in our understanding of the disease etiology have been made in the past two decades leading to improved treatment and management of the disease, however, AF burden continues to increase. Moreover, the molecular and cellular mechanisms underlying AF initiation and progression remain incompletely understood. In this thesis I aimed to characterise novel molecular and cellular determinants of AF using a multiomic approache. In chapter two, I used RNA sequencing (RNAseq) for total RNA and micro-RNAs (miRNA) to decipher the effect of AF in two canine models, which implicated the orthologue human locus 14q32 and its potential role in glutamate signaling regulation. In chapter three, I demonstrated current shortcomings of statistical models used to predict the regulatory effect of open chromatin regions on gene expression in single nuclei multiomic assays and suggested alternatives showing better predictive power. In chapter four, I used expression quantitative loci (eQTL) to characterize AF associated common genetic variants. Through co-localization analyses, fine-mapping and single nuclei multiome, I mechanistically substantiated non-coding variants and prioritized strong candidate genes including GNB4, MAPT and LINC01629. Finally, in chapter five, I provided a deep characterization of persistent AF differentially expressed genes (DEGs) at the cellular level and identified potential transcription factors involved in their regulation. In summary, using a multiomic approach unraveled numerous new cellular and gene pathways altered during AF and candidate genes implicated in AF genetic risk. These findings provide important insights and data resources to design novel therapeutic strategies, targeting both genetically derived candidate genes and cellular pathways to address this pervasive cardiac disease.

Titre de l'écran-titre (visionné le 8 novembre 2023) / Le longicorne asiatique, Anoplophora glabripennis, originaire de Chine et de la péninsule coréenne, est devenu un insecte nuisible qui représente une menace significative pour les forêts et les économies du monde entier. La gestion efficace de ses invasions et de ses dommages potentiels repose sur une détection précoce grâce aux méthodes de biosurveillance. Dans cette thèse, j'utilise des techniques de séquençage de nouvelle génération (NGS) et des méthodes de génomique des populations pour 1) caractériser la similarité et la différenciation des populations de ce coléoptère, 2) identifier les signatures génomiques qui déterminent la différenciation entre les lignées génétiques et les signatures génomiques associées à l'adaptation environnementale (i.e. variables climatiques), en particulier l'adaptation au froid, 3) éclairer l'histoire de son invasion en Amérique du Nord. Dans le premier chapitre, j'étudie la structure de population des ALB indigènes de l'Asie pour informer la conception des outils de biosurveillance afin d'identifier les sources d'invasion. En utilisant des individus de populations indigènes, en séquençant leurs génomes grâce au séquençage par génotypage (GBS), et en identifiant des marqueurs de polymorphisme nucléotidique (SNP) à l'échelle du génome, j'ai comparé la diversité génétique, mesuré le flux de gènes, et effectué des tests d'assignation de population. J'ai identifié six groupes génétiques avec une division claire entre les groupes du nord et du sud de l'aire de répartition native de cette espèce. Nos résultats démontrent qu'un petit nombre de SNPs peut assigner précisément des individus à des régions géographiques, jetant les bases pour de nouveaux outils de biosurveillance pour l'ALB. Dans le deuxième chapitre, j'examine les signatures génomiques sous sélection associées aux variables climatiques, en particulier la température. J'ai effectué un séquençage complet du génome sur dix échantillons multiplexés, chacun avec 20 individus, pour produire une forte densité de marqueurs SNP à l'échelle du génome. Le criblage du génome et l'analyse gène-environnement (GEA) ont été utilisés pour identifier plus de 5 000 gènes potentiellement impliqués dans l'adaptation locale chez l'ALB. Alors que des gènes communs de tolérance au froid, tels que la glycérol kinase, les cytochromes P450, la protéine antigel et les protéines de choc thermique ont été trouvés à travers des analyses de sélection, ceux-ci n'étaient pas significatifs dans l'analyse GEA, indiquant une relation complexe entre les facteurs environnementaux et l'évolution génétique de la tolérance au froid. Ce profilage génomique complet offre de nouvelles perspectives sur les mécanismes génétiques sous-jacents à l'adaptation locale chez cette espèce. Dans le troisième chapitre, j'utilise des données génomiques obtenues grâce à la technologie GBS pour reconstruire l'histoire invasive du longicorne asiatique en Amérique du Nord (NA) et mieux comprendre les invasions biologiques. Les résultats révèlent que la plupart des populations invasives de NA proviennent de plusieurs introductions indépendantes du nord de la Chine. Les origines spécifiques incluent la Région Nord Deux pour les populations de l'Illinois, de Toronto et de l'Ohio, la Région Sud pour les populations du Massachusetts, et la Région Nord Un pour les populations de Farmingdale, New York. Après leur introduction, toutes les populations ont connu des goulots d'étranglement, certaines connaissant également une seconde expansion, comme New York. Les résultats de notre étude sont cohérents avec les données historiques, offrant de nouvelles perspectives sur la dynamique d'invasion de cette espèce. En conclusion, cette thèse présente une étude approfondie sur la structure populationnelle, l'adaptation et l'histoire invasive du longicorne asiatique en utilisant des techniques génomiques avancées. Nos découvertes améliorent non seulement notre compréhension de la biologie de ce coléoptère et de ces mécanismes adaptatifs, mais fournissent également des perspectives précieuses pour le développement de stratégies de biosurveillance efficaces pour gérer et atténuer les impacts de ses invasions. Alors que la menace des espèces invasives continue d'augmenter à l'échelle mondiale, les méthodes et les connaissances acquises grâce à cette étude peuvent être appliquées à d'autres nuisibles invasifs, contribuant finalement à la protection de nos forêts, écosystèmes et économies. / The Asian longhorned beetle (ALB) Anoplophora glabripennis, native to China and Korea Peninsula, has become a global insect pest that poses a significant threat to forests and economies worldwide. Effective management of its invasions and potential damage relies on early detection through biosurveillance methods. In this thesis, I utilize next-generation sequencing (NGS) techniques and population genomics methods to 1) characterize the beetle's population similarity and differentiation, 2) identify genomic signatures that determine the differentiation between genetic lineages in its native range and signatures related to environmental adaptation associated with climate variables especially cold adaptation, and 3) provide insight on its invasion history in North America. In the first chapter, I investigate the population structure of native ALB populations to inform the design of biosurveillance tools for identifying invasion sources. By collecting native population samples, sequencing their genomes using genotyping-by-sequencing (GBS), and obtaining genome-wide single nucleotide polymorphism (SNP) markers, I compared genetic diversity, measured gene flow, and conducted population assignment tests. I identified six genetic clusters with a clear division between northern and southern groups. Our results demonstrate that a small number of SNPs can accurately assign individuals to geographic regions, laying the foundation for new ALB biosurveillance tools. In the second chapter, I examine genomic signatures under selection and associated with climate variables, specifically temperature. I performed whole genome sequencing on ten pooled samples, each with 20 individuals, to produce high-density genome-wide SNP markers. Genome scans and gene-environment analysis (GEA) were used to identify over 5,000 genes potentially involved in local adaptation in ALB. Notably, while common cold tolerance genes, such as glycerol kinase, cytochrome P450s, antifreeze protein, and heat shock proteins, were found through selection scans, these were not significant in GEA analysis, indicating a complex relationship between environmental factors and genetic evolution of cold tolerance. This comprehensive genomic profiling provides new insights into the genetic mechanisms underlying local adaptation in this species. In the third chapter, I use genomic data obtained through GBS technology to reconstruct the invasion history of the Asian longhorned beetle in North America (NA) to better understand the biological invasions in the invasive region. Findings reveal that most NA invasive populations originated from multiple independent introductions from northern China. Specific origins include North Region Two for populations in Illinois, Toronto, and Ohio, South Region for Massachusetts populations, and North Region One for Farmingdale, New York populations. Post introduction, all populations experienced bottleneck events, with some also experiencing secondary spread, such as New York. The results of our study are consistent with historical records, offering further insights into the invasion dynamics of this species. In conclusion, this thesis presents a detailed study of the Asian longhorned beetle's population structure, adaptation, and invasion history using advanced genomic techniques. Our findings not only enhance our understanding of the beetle's biology and adaptive mechanisms but also provide valuable insights for developing effective biosurveillance strategies to manage and mitigate the impacts of its invasions. As the threat of invasive species continues to rise globally, the methods and knowledge gained from this study can be applied to other invasive pests, ultimately contributing to the protection of our forests, ecosystems, and economies.

La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale dont la pathogenèse reste obscure. Cette maladie affecte 2-4% des adolescents de 10-18 ans parmi les garçons et les filles. Il est à noter que les filles sont plus sévèrement affectées et ce en plus grand nombre que les garçons. Les études de jumeaux ont montré que les facteurs génétiques jouent un rôle important dans la scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA). Depuis 2010, les études d'association pan génomiques ont été multipliées dans les recherches, visant à trouver des gènes candidats impliqués dans la SIA à travers des examens des polymorphismes nucléotidiques (SNPs). Un test génétique nommé "ScoliScore" a été publié pour essayer de prédire la progression de courbure dans la population caucasienne. Cependant, l'association n'a pas été reproduite dans une grande étude japonaise, soulignant l'importance d'une étude de réplication dans une population caucasienne indépendante. Dans ce contexte, mon projet de maîtrise a permis de génotyper plus de 1,4 millions de SNPs dans une cohorte canadienne-française dans le but: 1) de valider l'association de ScoliScoreTM; et 2) d’identifier les variants génomiques associées à la SIA dans la population québécoise. Notre étude a montré qu’aucun des variants constituant le test ScoliScoreTM n’était associé à la SIA. Ceci suggère que l'absence d'association dans une cohorte japonaise n'est pas due à l'appartenance ethnique. Aussi, nous avons identifié des variants génomiques associés significativement à l’initiation et/ou la progression de SIA dans la population québécoise, suggérant des gènes candidats impliqués dans la pathogenèse de SIA. / Idiopathic scoliosis is a common spinal deformation occurring without clear reason. This disease affects 2-4% adolescents aging from 10-18 years old in both genders. Of note, girls are more affected in number and severity than boys. Twin studies demonstrated that genetic factors play an important role in adolescent idiopathic scoliosis (AIS). Since 2010, Genome-wide association studies (GWAS) have been multiplied in AIS researches, aiming to find out candidate genes involved in the disease by an examination of single nucleotide polymorphisms (SNPs) throughout the entire genome. A genetic test named “ScoliScore” was released for the prediction of curvature progression in Caucasian AIS population using 53 SNPs. However, such association was not replicated in a larger Japanese-population study. Such a discrepancy could be explained by ethnicity, raising the importance of a replication study in an independent Caucasian population of European descent. In that context, we genotyped over 1.4 million SNPs in a French-Canadian cohort: 1) to validate the association in ScoliScoreTM test; and 2) to identify genomic variants associated with AIS in the population of Quebec. As a result, the association of ScoliScoreTM genomic markers could not be reproduced in French-Canadian AIS patients, suggesting that the lack of association of these SNPs in a Japanese cohort is not due to ethnicity. Meanwhile, we identified genome-wide significant variants associated with spinal curve initiation and/or progression in French-Canadian population, suggesting candidate genes involved in AIS pathogenesis.

Les ataxies héréditaires sont des désordres neuro-dégénératifs qui causent une ataxie comme symptôme primaire; soit une perte de coordination des mouvements volontaires, un sens de l’équilibre déficient et un trouble à la motricité. Elles forment un groupe cliniquement et génétiquement hétérogène. De ce fait, de nombreuses classifications existent basées sur différents critères. Cependant, le consensus actuel veut que le mode de transmission soit le critère premier de classement. On estime la prévalence mondiale des ataxies héréditaires à 6/100 000 bien que ce nombre diffère entre régions. C’est le cas du Québec où la structuration historique du bassin génétique canadien-français a menée à des effets fondateurs régionaux, ce qui a eu comme conséquence de hausser la prévalence régionale de certaines maladies. L’Acadie est également une région canadienne-française avec des effets fondateurs où le taux de prévalence de certaines ataxies héréditaires est plus élevé. Nous avons recruté huit familles canadiennes-françaises provenant de diverses régions du Québec, ayant un lien génétique plus ou moins rapproché avec l’Acadie, dans lesquelles nous avons observé dix cas d’une forme d’ataxie spastique autosomique récessive relativement légère qui a résistée à l’analyse des gènes d’ataxies connues. Nous avons émis l’hypothèse d’être en présence d’une nouvelle forme d’ataxie à effet fondateur pour la population canadienne-française. Afin d’identifier le gène muté responsable de cette ataxie, un criblage génomique des marqueurs SNP pour les individus recrutés fut effectué. Puis, par cartographie de l’homozygotie, une région de 2,5 Mb fut identifiée sur le chromosome 17p13 dans une famille. Une revue de la littérature nous a permis de constater, qu’en 2007, quatre familles nord-africaines atteintes d’une ataxie dénommée SPAX2 qui présentaient des manifestations cliniques semblables avaient déjà été liées au même locus sur le chromosome 17. Afin de supporter notre hypothèse que les malades étaient porteurs de deux copies de la même mutation fondatrice et de cartographier plus finement notre région d’intérêt, les haplotypes de tous les atteints de nos huit familles furent étudiés. Nous avons établie qu’un intervalle de 200 kb (70 SNP), soit du marqueur rs9900036 à rs7222052, était partagé par tous nos participants. Les deux gènes les plus prometteurs des 18 se trouvant dans la région furent séquencés. Aucune mutation ne fut trouvée dans les gènes SLC25A11 et KIF1C. Par la suite, une analyse de liaison génétique stricte avec calcul de LOD score nous a permis d’exclure ce locus de 200 kb comme étant celui porteur du gène muté causant l’ataxie dans la majorité de nos familles. Nous avons donc conclus que malgré qu’une famille soit homozygote pour une grande région du chromosome 17, l’absence d’Informativité des marqueurs SNP dans la région de 200 kb fut responsable de l’apparent partage d’haplotype homozygote. Le travail reste donc entier afin d’identifier les mutations géniques responsables de la présentation ataxique chez nos participants de souche acadienne. / Hereditary ataxias are neurodegenerative disorders which share ataxia as common feature is manifested by a decrease in limb coordination, imbalance and an unsteady gait. They consist in a clinically and genetically heterogeneous group. Many ataxia classifications have been proposed, however, the current consensus is to first characterize them according to their mode of transmission. Hereditary ataxias as a whole have a prevalence of 6/100 000, with variable estimation between country and region. In the Province of Quebec where the French Canadian genetic pool can be seen has a mosaic of regional gene pools there is clear differences in local variation in the prevalence of different ataxias. Acadia is also a French Canadian region with a history of many founder effects and a higher prevalence for certain hereditary ataxias. We recruit 8 French Canadian families from Quebec and with genealogical links with Acadia in which 10 cases manifest a presumably relatively mild autosomal recessive spastic ataxia of unknown etiology. The shared phenotype and Acadian background raised the possibility that they suffered from a new form of ataxia with a founder effect. To identify the mutated gene causing this ataxia, the individuals recruited were genotyped. By homozygosity mapping, a region of 2,5 Mb was identified in one family on chromosome 17p13. A literature review established that in 2007 four North Africans families segregating also a mild spastic ataxia were linked to the same locus on chromosome 17. To support our hypothesis that our patients were carrier of the same founder mutation we look closer at their haplotype in the region. We defined an interval of 200kb (70 SNP) between markers rs9900036 and rs7222052 shared by all affected cases. The two most promising gene in the interval were sequenced. No mutation was found in SLC25A11 and KIF1C. Thereafter a linkage analysis by LOD score excluded the candidate interval of 200 kb in the majority of our families. We conclude that even if in one family exists a large homozygous region on chromosome 17, the lack of informative SNP in the 200 kb region was responsible for the apparent sharing rather than they shared a common mutation. Further work will be necessary to identify the mutate gene causing the ataxia presentation in these cases of mild spastic ataxia.

Le complexe Burkholderia cepacia (Bcc) englobe 17 espèces retrouvées dans les infections pulmonaires d'individus atteints de mucoviscidose. Les bactéries de ce complexe sont présentes dans les sols, la rhizosphère de grandes cultures, les eaux usées et peuvent également être rencontrées dans le cadre d'infections nosocomiales. En France, les espèces B. multivorans et B. cenocepacia (Bcen) sont les espèces majoritaires au niveau des infections de patients atteints de mucoviscidose. Divers clones épidémiques ont été décrits au sein de l’espèce Bcen dont le clone ET12 associé au "syndrome cepacia". En 2004, une épidémie nosocomiale impliquant un clone du Bcc est survenue dans un hôpital de l’Ain. Durant ce travail, l’origine de ce clone (B&B), sa classification au sein du Bcc et certains phénomènes génétiques liés à son émergence ont été étudiés. Cela a permis d’identifier ce clone comme appartenant à l’espèce Bcen et une forte proximité de celui-ci avec la lignée ET12. L’étude des facteurs transcriptionnels de la famille σ70 au sein du Bcc a mis en évidence une structure génétique similaire entre la lignée ET12 et ce clone, mais différente de celle observée chez les autres espèces du Bcc. L’analyse d’éléments génétiques répétés de la famille des séquences d’insertion (IS) a cependant permis d’observer une organisation génomique distincte de la lignée ET12. Celle-ci a été reliée à des phénomènes d’instabilité génétique notamment à des phénomènes d’acquisition d’éléments génétiques mobiles de type îlot génomique. L’ensemble de ce travail a permis de caractériser un ensemble de phénomènes génétiques pouvant expliquer l’émergence de clones épidémiques tels que le clone B&B. / The Burkholderia cepacia complex (Bcc) comprises 17 species found in lung infections of individuals with cystic fibrosis. The bacteria of this complex are present in the soil, the rhizosphere of field crops, wastewater and may also be encountered in nosocomial infections. In France, the B. multivorans and B. cenocepacia species are the major species in infections of cystic fibrosis patients. Various epidemic clones have been described within the B. cenocepacia species whose ET12 clone associated with "cepacia syndrome". In 2004, a nosocomial outbreak involving a clone of Bcc occurred in a French hospital. During this outbreak, origin of this clone (B&B clone), its classification within the Bcc and several genetic events associated with its emergence have been studied. These investigations have identified this clone as belonging to the species B. cenocepacia with a strong proximity with the ET12 lineage. The study of transcriptional factors of σ70 family within the Bcc has revealed a similar genetic structure between the ET12 lineage and this clone, but different from that observed in other species of Bcc. Analysis of genetic elements repeated family of insertion sequences (IS), however, allowed to observe a distinct genomic organization of the ET12 lineage. It has been linked to phenomen of genetic instability including acquisition of mobile genetic elements like genomic island (GI). All of this work has helped to characterize a set of genetic events may explain the emergence of epidemic clones such as clone B&B.