La recherche est imbriquée dans les soins cliniques en oncologie, de sorte que la dualité de rôles (clinicien, investigateur) est une réalité connue des oncologues. Vu l'importance de la génomique pour guider les soins en oncologie pédiatrique, la plupart des patients sont enrôlés dans des études génomiques au Québec. En pratique, l'oncologue, par sa présence aux réunions d'oncogénomique, participe avec les chercheurs à l'interprétation des résultats génétiques ainsi qu'aux décisions de divulgation au patient. Ce projet vise à identifier et caractériser les enjeux éthico-légaux soulevés par la dualité de rôles de l'oncologue durant ce partage de résultats génétiques en amont du patient. Un questionnaire incluant six vignettes narratives a été diffusé électroniquement à tous les oncologues pédiatres du Québec. Des entrevues semi-dirigées ont été effectuées avec un sous-groupe de participants. Vingt-huit oncologues ont complété le questionnaire et cinq oncologues ont participés aux entrevues. Les niveaux de confort des oncologues étaient influencés par le type de résultat génétique, par le contenu discuté lors du consentement et par le rôle de l'oncologue envers le patient (oncologue traitant ou non). Le fait d'être informé d'un résultat génétique de recherche suffisait pour déclencher un sentiment de responsabilité par rapport à celui-ci. La dualité de rôles est incontournable et donne à l’oncologue un accès privilégié à l'information génétique, au-delà de ce à quoi aura accès le patient. Les responsabilités et les devoirs de l’oncologue dans le cadre de la relation thérapeutique sont au centre des enjeux éthiques et légaux soulevés par la dualité de rôles. / Research is heavily integrated in oncology care, with oncologists well acquainted with the concept of duality of roles (doctor, researcher). Given the importance of genomics in pediatric oncology, most patients are offered genomic sequencing via research initiatives in Quebec. Practical experience reveals that oncologists, by attending molecular tumour board meetings, participate with the research team in the interpretation of genetic research results and decisions regarding disclosure to patients. This project aims to identify and characterise the ethical and legal issues related to the duality of roles of oncologists during this process of genetic information sharing, prior to informing the patient. A questionnaire including six narrative case vignettes was electronically distributed to all pediatric oncologists in Quebec. A semi-structured interview was then conducted with a sub-group of participants. Twenty-eight oncologists completed the questionnaire and five oncologists participated in the interviews. Oncologists' comfort levels were influenced by the type of genetic result, by the content of prior consent discussions and by their specific role regarding the patient (treating oncologist or not). The state of becoming aware of a result was sufficient to trigger a feeling of responsibility regarding that genetic research result. Duality of roles is inevitable and provides the oncologist with privileged access to genetic information, above what will be accessible to the patient. Responsibilities and duties of the oncologist in the setting of a therapeutic relationship are central to the ethical and legal issues raised by the duality of roles.

Contexte. L’insuffisance cardiaque (IC) touche 1 à 2% de la population et sa prévalence menace d’augmenter dans la population vieillissante. L’IC et ses nombreux facteurs de risque ont une forte composante héréditaire. Il existe plusieurs phénotypes d’IC qui se démarquent par leurs mécanismes physiopathologiques et leur pronostic. Objectif. Ce mémoire vise dans un premier temps à faire état des connaissances actuelles sur la pharmacogénomique de l’IC et, dans un deuxième temps, à décrire une cohorte de patients atteints d’IC montée dans la cadre d’une étude cas-contrôle. Les caractéristiques descriptives de différents sous-groupes de patients sont présentées et comparées avec les données épidémiologiques actuelles. Résultats. 829 patients atteints d’IC qui ont participé au projet de la Biobanque de l’Institut de cardiologie de Montréal étaient éligibles à notre étude. L’âge moyen de ces cas est de 66,1 ± 10,2 ans et 76,6% sont des hommes. La fraction d’éjection du ventricule gauche (FEVG) médiane est 38% (intervalle interquartile : 28–52%) et 55,0% des cas sont d’étiologie ischémique. L’IC à FEVG réduite représente 55,4% des sujets; les phénotypes d’IC à FEVG intermédiaire et préservée représentent 11,2% et 33,4%, respectivement. Conclusion. Le phénotype d’IC à FEVG préservée est sous-représenté dans notre cohorte par rapport à ce qui est décrit dans la littérature scientifique, avec un nombre plus élevé d’hommes et l’étiologie ischémique majoritaire. Ceci s’explique par le fait que l’Institut de cardiologie est un centre référent de greffe. Toutefois, les caractéristiques des principaux phénotypes d’IC concordent avec la littérature scientifique, ce qui suggère que les phénotypes d’IC dans notre cohorte sont représentatifs de ces sous-populations. / Context. Heart failure (HF) affects 1 to 2% of the population and its prevalence is expected to increase in the aging population. Recent evidence suggests that HF and associated risk factors are heritable. HF has multiple phenotypes each associated with different risk factors, pathophysiology and prognosis. Objective. This project presents the current knowledge on HF pharmacogenomics found in the scientific literature and describes a cohort of HF patients who participated in a case-control study. The characteristics of different subgroups are presented and compared to current epidemiologic data. Results. We recruited 829 HF patients who participated in the Montreal Heart Institute biobank project. The mean age is 66,1 ± 10,2 years and 76,6% are male. The median left ventricular ejection fraction (LVEF) is 38% (interquartile range: 28–52%) and ischemic etiology accounts for 55,0% of HF cases. The HF with a reduced LVEF phenotype represents 55,4% of participants while 11,2% and 33,4% of cases have HF with a mid-range LVEF and HF with a preserved LVEF, respectively. Conclusion. The HF with a preserved LVEF phenotype was underrepresented in our cohort compared to what is expected in the scientific literature. We report more men and ischemic etiology, which could be explained by the fact that the Montreal Heart Institute is a reference center for transplantation. Characteristics of the major HF phenotypes are consistent with those reported in the scientific literature, thus suggesting that our cohort is representative of these sub-groups.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Chez l'humain, près de 30% de la masse génomique est constituée de séquences répétées dispersées qui se sont amplifiées par le mécanisme de rétroposition. Ce processus, présent dans tous les génomes eucaryotes, implique la transcription inverse de l'ARN d'un élément répété et l'intégration de l'ADNc qui en résulte dans une nouvelle localisation génomique. Les "Long Interspersed Elements" (LINE) codent pour les activités spécifiques de la rétroposition, telles que la transcriptase inverse et l'endonucléase. A l'inverse les "Short Interspersed Elements" (SINE) ne codent pour aucune activité enzymatique et sont considérés comme des "satellites" des éléments LINE. Nous avons caractérisé 5 nouvelles familles de rétroposon SINE chez les mammifères. Celles-ci font partie des SINE dérivés d'ARNt et ont, comme caractéristique commune, un domaine central nommé "core". Les régions 3 sont distinctes pour chacune des familles, mais fortement identiques aux extrémités 3' de différents LINE. D'autres séquences SINE possédant ces mêmes critères sont présentes dans les génomes d'oiseaux, de reptiles, de poissons et de céphalopodes. Nous avons ainsi identifié une nouvelle "superfamille" de rétroposon appelée CORE-SINE présente chez tous les vertébrés. L'étude du rôle de chaque segment des CORE-SINE ; région dérivée d'ARNt, "core" et région dérivée de LINE, nous a permis de donner de nouveaux éléments de réponse sur l'évolution des rétroposons dans les génomes eucaryotes. Enfin, nous avons décrit la présence d'un nouvel élément LINE dans les génomes de marsupiaux. Celui-ci est fortement identique au rétroposon Bov-B des génomes bovins et reptiles. Sa présence dans ces différents génomes soulève la possibilité d'un transfert horizontal de cet élément. / Almost 30% of the human genome consists of copies of interspersed repeats that amplified by retroposition, a process widely spread among eukaryotic taxa. Retroposition involves reverse transcription of the transcribed copies and reintegration of the resulting cDNAs into the host genome. Retroposition requires specific activities in addition to the enzymatic machinery commonly found in the host cells. The reverse transcriptase as well as the endonuclease involved in the cDNA synthesis and integration, are coded by the actively retroposing long elements such as LINEs. In contrast, short elements (SINEs) do not encode any protein facilitating their proliferation. However, these elements must have used both host-specific and retroposition-specific activities provided in trans to secure their efficient amplification. We have characterised 5 new SINE retroposon families from mammalian genomes. They belong to tRNA-derived SINEs and have also a common central domain called "core". The 3 end regions of all families are distinct but they display high identity with the 3'extremities of different LINEs. Several SINEs with the same characteristics have been found in bird, reptile, fish, and cephalopod genomes. These data point to the existence of a new "super-family" of SINE retroposons, named CORE-SINE, present in all vertebrate genomes. The study of each CORE-SINE segments, i.e. tRNA-derived region, "core" and LINE-derived region, gave new insight into the evolution of retroposon in eukaryotic genomes. Finally, we also described a new LINE element from marsupial genomes. It presents high identity with the Bov-B element from bovine and reptile genomes, which raises the possibility of a horizontal transfer of this element between genomes.

Candida albicans, une levure pathogène de l’humain, cause des infections envahissantes chez les individus immunodéprimés. C. albicans peut changer sa morphologie entre les formes levures et filamenteuses, un déterminant de virulence considérable qui est influencé par plusieurs facteurs environnementaux comme le pH, le sérum, les nutriments, et le farnesol, une molécule de la détection du quorum. Le génome de C. albicans a été séquencé et à date, plusieurs gènes codant des régulateurs de transcription (RT) restent incaracterisés. Basé sur des criblages à grande-échelle, il a été possible d’attribuer des phénotypes à certains des RT incaractérisés, cependant, leurs cibles traduisant ces phénotypes restent inconnues. Le but de cette thèse était d’étudier les fonctions biologiques de RT sélectionnés et d’établir des réseaux transcriptionnels chez C. albicans. J’ai utilisé des approches génétiques et génomiques afin d’identifier et de caractériser le regulon de ces RT, ce qui a permis de déterminer leur fonctions biologiques. Notre groupe avait identifié Fcr1p, un RT dont la délétion augmente la filamentation et la tolérance à plusieurs antifongiques. Cependant, le mécanisme sous-jacent reste inconnu. Dans le Chapitre 2, j’ai identifié le régulon d’Fcr1p et j’ai trouvé qu’il régule ses cibles de façon complexe étant en même temps un activateur et un répresseur d’expression de gènes. J’ai démontré que Fcr1p agit comme répresseur direct des gènes de l’assimilation et du métabolisme de l’azote. L’expression de plusieurs de ces cibles était dépendante d’Fcr1p en conditions d’épuisement d’azote. J’ai montrés que Fcr1p agit aussi comme répresseur indirect de gènes hyphe-spécifiques ainsi qu’un activateur indirect de transport et de métabolisme du carbone et de gènes levure-spécifiques. De plus, la suréxpression d’Fcr1p abolit la filamentation sur le milieu Spider, confirmant que c’est un répresseur de filamentation. Dans le Chapitre 3, j’ai décris un crible génétique basé sur un principe de co-culture pour identifier des mutants de RT défectueux en production de farnesol. Conséquemment, les RT Ada2p, Cas5p, Fgr15p, Cas1p, et Rlm1p, impliqués dans le maintien de la paroi cellulaire, ont été identifiés. La quantification du farnesol intracellulaire de ces mutants a confirmé que le défaut observé peut être attribué à un défaut de la biosynthèse de farnesol plutôt qu’à un défaut de sécrétion de celui-ci. Pour comprendre le mécanisme responsable de ce défaut, nous avons commencé par caractériser le régulon de Cas5p par des analyses de profilages d’expression et de localisation. J’ai montré que Cas5p se lie à des gènes impliqués dans le catabolisme des hydrocarbures et la production d’énergie. Cas5p induit aussi des gènes impliqués dans le catabolisme des hydrocarbures et des lipides et réprime des gènes impliqués dans le métabolisme primaire, montrant que Cas5p régule plusieurs voies métaboliques, notamment celle du carbone. En plus des fonctions d’Ada2p et Rlm1p dans la liaison et/ou la régulation de gènes du catabolisme des hydrocarbures, nos résultats appuient avec la proposition que le farnesol constitue une traduction du métabolisme du carbone cellulaire. Dans l’ensemble, ces résultats ont aidé à élucider le rôle d’Fcr1p ainsi que 5 autres RT dans la régulation de voies métaboliques fondamentales influençant le dimorphisme, un attribut crucial de la virulence chez C. albicans. / Candida albicans, an important human fungal pathogen, causes life-threatening invasive infections in immuno-compromised individuals. It switches between yeast and filamentous forms. This dimorphism is a considerable virulence attribute and one that is influenced by many environmental factors, such as pH, serum, nutrients and farnesol, a quorum sensing molecule. The genome of C. albicans has been sequenced and to date, many of the genes encoding transcriptional regulators (TRs) remain uncharacterized. Based on large-scale screens, it was possible to assign phenotypes to some of the uncharacterized TRs, however the targets of these TRs that mediate these phenotypes remain to be identified. The aim of this thesis work was to understand the normal biological function of selected TRs and construct transcriptional networks in C. albicans. I used genetic and genomic approaches to identify and characterize the regulon of these TRs, which helped to define their biological functions. Our group has previously identified Fcr1p, a zinc cluster TR whose deletion increases cell tolerance to multiple drugs and enhances filamentation. However, the mechanism by which it mediates these phenotypes is still unknown. In Chapter 2, I identified the regulon of Fcr1p and found that it regulates its targets in a complex manner since it can act both as an activator and as a repressor of gene expression. I have shown that Fcr1p acts as a direct negative regulator of genes involved in nitrogen source assimilation and metabolism. The Fcr1p-dependent expression of a number of its targets also occurs under nitrogen starvation conditions. Results also showed that Fcr1p is an indirect negative regulator of hyphal-specific genes, and an indirect positive regulator of carbon source transport and metabolism, as well as yeast-specific genes. Furthermore, Fcr1p overexpression abrogates filamentation on Spider medium confirming that it is a negative regulator of filamentation. In Chapter 3, I describe a genetic screen based on a co-culture assay with A. nidulans to identify TR mutants defective in farnesol production. Our results identified Ada2p, Cas5p, Fgr15p, Cas1p, and Rlm1p, five TRs involved in cell wall integrity. Intracellular farnesol quantification in these mutants confirmed that the observed defect in farnesol production could be attributed to impairment in farnesol biosynthesis rather than export of this molecule. To get an insight into the molecular mechanism responsible for this defect, we started by identifying the regulon of Cas5p using expression and location profiling. Results showed that Cas5p binds genes involved in carbohydrate catabolism and energy production. Cas5p also upregulates genes involved in carbohydrate and lipid catabolism and downregulates genes involved in primary metabolism, indicating that Cas5p is involved in the regulation of many pathways, with a clear involvement in carbon metabolism. Coupled to the known function of Ada2p and Rlm1p in binding and/or regulating genes involved in carbohydrate catabolism, our results support the proposition that farnesol is a metabolic read-out of the cell carbon metabolic activity. Taken together, these results helped elucidate the role of Fcr1p as well as five other TRs in the regulation of central metabolic pathways that influence morphological switching, a crucial attribute of C.albicans virulence.

La leucémie aiguë lymphoblastique (LAL) est une maladie complexe à l’étiologie multifactorielle. Elle représente la forme la plus commune de cancer pédiatrique et malgré une augmentation significative du taux de survie des patients, près de 15% d’entre eux ne répondent pas aux traitements classiques et plus de 2/3 subissent les effets du traitement à long terme. Réduire ces chiffres passe par une meilleure compréhension des causes sous-jacentes de la LAL. À travers l’analyse des données de séquençage de nouvelle génération (SNG) de la cohorte QcALL du CHU Sainte-Justine, je me suis intéressé aux déterminants génomiques contribuant aux différents aspects de la LAL (prédispositions, développement/progression et rechutes). Dans un premier temps, j’ai développé un outil d’analyse (SNooPer) basé sur un algorithme d’apprentissage intégrant les données SNG normales et tumorales des patients, permettant d’identifier les mutations somatiques au sein de données à faible couverture (low-pass). Cet outil, couplé aux analyses prédictives in silico et aux validations fonctionnelles adéquates, nous a permis de caractériser les événements rares ou récurrents impliqués dans le processus leucémogène. En analysant les données de LALs pré-B, j’ai pu mettre en évidence une série de mutations drivers rares au niveau de gènes (ACD, DOT1L, HCFC1) qui n’avaient jamais été associés à la LAL. L’étude fonctionnelle de la mutation identifiée au niveau d’ACD, membre du complexe shelterin, a démontré qu’elle conduit à une réduction de l’apoptose et une augmentation de la taille des télomères. Outre l’intérêt de la découverte de ces nouveaux drivers, je souhaitais démontrer l’importance des mutations somatiques rares afin d'établir la spécificité interindividuelle, généralement sous-estimée, et d’identifier l’ensemble des fonctions cellulaires impliquées. Au cours de ces travaux, j'ai également mis en évidence de nouveaux évènements récurrents de la LAL à cellules T (LAL-T), en particulier au niveau de patients présentant un phénotype immature encore mal caractérisé. J'ai démontré l’influence d'une mutation dans le gène codant pour U2AF1, membre de la machinerie d’épissage (spliceosome), sur l’épissage de gènes d’intérêt et ainsi confirmer l’importance du dysfonctionnement de l’épissage dans le développement de la leucémie. J'ai également identifié deux suppresseurs de tumeurs portés par le chromosome X, MED12 et USP9X, qui n’avaient jamais été associés à la LAL-T auparavant et qui représentent un intérêt particulier étant donné le débalancement de l'incidence en fonction du sexe (ratio garçon:fille =1.22). Enfin, grâce à l’étude longitudinale de patients LAL-B ayant subi une ou plusieurs rechutes, j'ai analysé l'architecture et l'évolution clonales des tumeurs. J’ai ainsi identifié 2 profils évolutifs distincts gouvernant les rechutes précoces et tardives: d'un côté, une dynamique élevée alimentée par un dysfonctionnement des mécanismes de réparation de l'ADN et conduisant à l'émergence rapide de clones mieux adaptés – de l'autre, une dynamique réduite, quasi-inerte, suggérant l'échappement de cellules en dormance épargnée par la chimiothérapie. De manière générale, cette thèse a permis de contribuer à la caractérisation des déterminants génomiques qui constituent la variabilité inter- et intra-tumorale, participent au processus leucémogène et/ou aux mécanismes de résistance au traitement. Ces nouvelles connaissances contribueront à un raffinement de la stratification des patients et leur prise en charge personnalisée. / Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is a complex disease with a multi-factorial etiology. It represents the most frequent pediatric cancer and despite a significant increase of survival rate, about 15% of the patients still do not respond to current treatment protocols and over 2/3 of survivors experience long-term treatment related side effects. To reduce these numbers, a better understanding of the underlying causes of ALL is needed. Through the analysis of next-generation sequencing (NGS) data obtained from the established Quebec cALL (QcALL) cohort of the Sainte-Justine hospital, I have been particularly concerned about the genomic determinants that contribute to different phases of ALL (predispositions, onset/progress and relapses). First, I developed an analysis tool (SNooPer) based on a machine learning algorithm integrating both normal and tumor NGS data of the patient to identify somatic mutations from low-pass sequencing. This tool, combined to in silico predictive analysis and to adequate functional validations, allowed us to characterize rare or recurrent events involved in the leukemogenesis process. Through the analysis of pre-B ALLs, I have been able to identify several rare driver genes which had never been associated to ALL before (ACD, DOT1L, HCFC1). The functional study of the identified mutation in ACD, a member of the shelterin complex, showed a concomitant lengthening of the telomeres and decreased apoptosis levels in leukemia cells. Besides the interest aroused by the discovery of these new drivers, I wanted to demonstrate the importance of low-frequency somatic events to establish the generally underestimated interindividual specificity and identify all cellular functions involved. During this work, I also identified new recurrent driver events in T-cell ALL (T-ALL), particularly among poorly characterized immature T-ALL patients. For example, I demonstrated the impact of a recurrent mutation in U2AF1, member of the spliceosome, on alternative splicing of cancer-relevant genes, further suggesting the importance of aberrant splicing in leukemogenesis. I also identified two new X-linked tumor suppressors, MED12 and USP9X, never associated to T-ALL before and obtained results supporting a potential role for these genes in the male-biased sex ratio observed in T-ALL (ratio male:female =1.22). Finally, through the longitudinal study of pre-B cALLs who suffered one or multiple relapses, I analyzed the clonal architecture and evolution of the tumors. I identified two distinct evolution patterns governing either early or late relapses: on one hand a highly dynamic pattern, sustained by a defect of DNA repair processes, illustrating the quick emergence of fitter clones - and on the other hand, a quasi-inert evolution pattern suggesting the escape from dormancy of neoplastic stem cells likely spared from initial cytoreductive therapy. Overall, this thesis contributed to the characterization of genomic determinants that constitute the inter- and intra-tumor variability, participate in leukemogenesis and/or in resistance mechanisms. This new knowledge will contribute to refine patient stratification and treatment.

Une réconciliation entre un arbre de gènes et un arbre d’espèces décrit une histoire d’évolution des gènes homologues en termes de duplications et pertes de gènes. Pour inférer une réconciliation pour un arbre de gènes et un arbre d’espèces, la parcimonie est généralement utilisée selon le nombre de duplications et/ou de pertes. Les modèles de réconciliation sont basés sur des critères probabilistes ou combinatoires. Le premier article définit un modèle combinatoire simple et général où les duplications et les pertes sont clairement identifiées et la réconciliation parcimonieuse n’est pas la seule considérée. Une architecture de toutes les réconciliations est définie et des algorithmes efficaces (soit de dénombrement, de génération aléatoire et d’exploration) sont développés pour étudier les propriétés combinatoires de l’espace de toutes les réconciliations ou seulement les plus parcimonieuses. Basée sur le processus classique nommé naissance-et-mort, un algorithme qui calcule la vraisemblance d’une réconciliation a récemment été proposé. Le deuxième article utilise cet algorithme avec les outils combinatoires décrits ci-haut pour calculer efficacement (soit approximativement ou exactement) les probabilités postérieures des réconciliations localisées dans le sous-espace considéré. Basé sur des taux réalistes (selon un modèle probabiliste) de duplication et de perte et sur des données réelles/simulées de familles de champignons, nos résultats suggèrent que la masse probabiliste de toute l’espace des réconciliations est principalement localisée autour des réconciliations parcimonieuses. Dans un contexte d’approximation de la probabilité d’une réconciliation, notre approche est une alternative intéressante face aux méthodes MCMC et peut être meilleure qu’une approche sophistiquée, efficace et exacte pour calculer la probabilité d’une réconciliation donnée. Le problème nommé Gene Tree Parsimony (GTP) est d’inférer un arbre d’espèces qui minimise le nombre de duplications et/ou de pertes pour un ensemble d’arbres de gènes. Basé sur une approche qui explore tout l’espace des arbres d’espèces pour les génomes considérés et un calcul efficace des coûts de réconciliation, le troisième article décrit un algorithme de Branch-and-Bound pour résoudre de façon exacte le problème GTP. Lorsque le nombre de taxa est trop grand, notre algorithme peut facilement considérer des relations prédéfinies entre ensembles de taxa. Nous avons testé notre algorithme sur des familles de gènes de 29 eucaryotes. / A reconciliation between a gene tree and a species tree depicts an evolutionary scenario of the homologous genes in terms of gene duplications and gene losses. To infer such a reconciliation given a gene tree and a species tree, parsimony is generally used according to the number of gene duplications and/or losses. The combinatorial models of reconciliation are based on probabilistic or combinatorial criteria. The first paper defines a simple and more general combinatorial model of reconciliation which clearly identifies duplication and loss events and does not only induce the most parsimonious reconciliation. An architecture of all possible reconciliations is developed together with efficient algorithms (that is counting, randomization, and exploration) to study combinatorial properties of the space of all reconciliations or only the most parsimonious ones. Based on the classical birth-death process, an algorithm that computes the likelihood of a reconciliation has recently been proposed. The second paper uses this algorithm together with the combinatorial tools described above to compute efficiently, either exactly or approximately, the posterior probability of the reconciliations located in the considered subspace. Based on realistic gene duplication and loss rates and on real/simulated datasets of fungal gene families, our results suggest that the probability mass of the whole space of reconciliations is mostly located around the most parsimonious ones. In the context of posterior probability approximation, our approach is a valuable alternative to a MCMC method and can competes against a sophisticated, efficient, and exact computation of the probability of a given reconciliation. The Gene Tree Parsimony (GTP) problem is to infer a species tree that minimizes the number of duplications and/or losses over a set of gene family trees. Based on a new approch that explores the whole species tree space for the considered taxa and an efficient computation of the reconciliation cost, the third paper describes a Branch-and- Bound algorithm that solves exactly the GTP problem. When the considered number of taxa is too large, our algorithm can naturally take into account predefined relationships between sets of taxa. We test our algorithm on a dataset of eukaryotic gene families spanning 29 taxa.

L’objectif de cette thèse est de déterminer l’étendue de la variabilité épigénétique, plus particulièrement du polymorphisme de méthylation de l’ADN, non liée à la variabilité génétique dans les populations asexuées en milieu naturel. Cette évaluation nous a permis de mieux cerner l’importance que peuvent avoir les processus épigénétiques en écologie et en évolution. Le modèle biologique utilisé est l’hybride clonal du complexe gynogénétique Chrosomus eos-neogaeus. Malgré une homogénéité génétique, une importante variabilité phénotypique est observée entre les hybrides d’une même lignée clonale mais retrouvés dans des environnements différents. L’influence des processus épigénétiques apporte une explication sur ce paradoxe. L’épigénétique se définit comme une modification de l’expression des gènes sans changement de la séquence d’ADN. La diversité des phénotypes peut entre autre s’expliquer par des patrons de méthylation différentiels des gènes et/ou des allèles des gènes entre les hybrides génétiquement identiques. La diversité des lignées épiclonales peut quant à elle s’expliquer par la colonisation de plusieurs lignées épiclonales, s’établir en réponse à l’environnement ou de façon aléatoire. Plusieurs méthodes seront utilisées afin de survoler le génome des hybrides clonaux pour mettre en évidence le polymorphisme de méthylation de l’ADN à l’échelle de l’individu et entre les individus de différentes populations. / The aim of the thesis is to determine the extent of epigenetic variation, more specifically DNA methylation polymorphism, not linked to genetic variation in natural populations of an asexual vertebrate. This evaluation enables to better understand the importance that plays epigenetics processes in ecology and evolution. The biological model used is the clonal hybrid of the gynogenetic Chrosomus eos-neogaeus complex. Even in absence of genetic difference, an important phenotypic variability is observed among hybrids of the same clonal lineage living in different environments. Epigenetics, a modification of genes expression without a change at the DNA sequence, provides an explanation to this paradox. The diversity of phenotypes may be explained by differential methylation patterns of genes and/or alleles among genetically identical hybrids. The diversity of epiclonal lineages may be explained by the colonisation of many epiclonal lineages, established in response to the environment or stochastically. Many methods were used for screening the genome of clonal hybrids in order to highlight DNA methylation polymophism at the scale of an individual and among individuals of different populations.

Le caryotype moléculaire permet d’identifier un CNV chez 10-14% des individus atteints de déficience intellectuelle et/ou de malformations congénitales. C’est pourquoi il s’agit maintenant de l’analyse de première intention chez ces patients. Toutefois, le rendement diagnostique n’est pas aussi bien défini en contexte prénatal et l’identification de CNVs de signification clinique incertaine y est particulièrement problématique à cause du risque d’interruption de grossesse. Nous avons donc testé 49 fœtus avec malformations majeures et un caryotype conventionnel normal avec une micropuce CGH pangénomique, et obtenu un diagnostic dans 8,2% des cas. Par ailleurs, des micropuces à très haute résolution combinant le caryotype moléculaire et le génotypage de SNPs ont récemment été introduites sur le marché. En plus d’identifier les CNVs, ces plateformes détectent les LOHs, qui peuvent indiquer la présence d’une mutation homozygote ou de disomie uniparentale. Ces anomalies pouvant être associées à la déficience intellectuelle ou à des malformations, leur détection est particulièrement intéressante pour les patients dont le phénotype reste inexpliqué. Cependant, le rendement diagnostique de ces plateformes n’est pas confirmé, et l’utilité clinique réelle des LOHs n’est toujours pas établie. Nous avons donc testé 21 enfants atteints de déficience intellectuelle pour qui les méthodes standards d’analyse génétique n’avaient pas résulté en un diagnostic, et avons pu faire passer le rendement diagnostique de 14,3% à 28,6% grâce à l’information fournie par les LOHs. Cette étude démontre l’utilité clinique d’une micropuce CGH pangénomique chez des fœtus avec malformations, de même que celle d’une micropuce SNP chez des enfants avec déficience intellectuelle. / Molecular karyotyping identifies a CNV in 10-14% of individuals affected with intellectual disability and/or congenital abnormalities. Therefore, it is now the first-tier analysis for these patients. However, the diagnostic yield is not as clear in the prenatal context, and the risk of pregnancy termination makes the detection of variants of uncertain clinical significance particularly problematic. We tested 49 fetuses with major malformations and a normal karyotype, using a pangenomic CGH array, and obtained a diagnosis in 8.2% of cases. Furthermore, high-resolution microarrays combining molecular karyotyping and SNP genotyping were recently introduced on the market. In addition to identifying CNVs, these platforms detect LOHs, which can indicate the presence of a homozygous mutation or of uniparental disomy. Since these abnormalities can be associated with intellectual disability or congenital abnormalities, their detection is of particular interest for patients whose phenotype remains unexplained. However, the diagnostic yield obtained with these platforms is not confirmed, and the real clinical value of LOH detection is not yet established. We tested 21 children affected with intellectual disability for whom standard genetic analyses failed to provide a diagnosis, and were able to increase the diagnostic yield from 14.3% to 28.6% as a result of the information provided by LOHs. This study shows the clinical usefulness of pangenomic CGH arrays in fetuses with malformation(s), as well as that of SNP arrays in children with intellectual disability.

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are the most widespread eukaryotic symbionts, forming mutualistic associations known as Arbuscular Mycorrhizae with the majority of plantroots. AMF are obligate biotrophs belonging to an ancient fungal lineage of phylum Glomeromycota. Their mycelia are formed by a complex network made up of coenocytic hyphae, where nuclei and cell organelles can freely move from one compartment to another. AMF are commonly acknowledged to improve plant growth by enhancing mineral nutrient uptake, in particular phosphate and nitrate, and they confer tolerance to abiotic and biotic stressors for plants. Despite their significant roles in ecosystems, their genetics and evolution are not well understood. Studying AMF is challenging due to their obligate biotrophy, their slow growth, and their limited morphological criteria. In addition, intra-isolate genetic polymorphism of nuclear DNA brings another level of complexity to the investigation of the biology, ecology and function of AMF. Genetic polymorphism of nuclear DNA within a single isolate limits the development of efficient molecular markers mainly at lower taxonomic levels (i.e. the inter-isolate level). Instead, mitochondrial (mt) genomics have been used as an attractive alternative to study AMF. In AMF, mt genomes have been shown to be homogeneous, or at least much less polymorphic than nuclear DNA. However, by generating large mt sequence datasets we can investigate the efficiency and usefulness of developing molecular marker toolkits in order to study the dynamic and evolutionary mechanisms of AMF. This approach also elucidates the population genetics, community ecology and functions of Glomeromycota. Therefore, the objectives of my Ph.D. project were: 1) To investigate mitochondrial genome evolution using comparative mitogenomic analyses of closely related species and isolates as well as phylogenetically distant taxa of AMF; 2) To explore mt genome inheritance among compatible isolates of the model AMF Rhizophagus irregularis through anastomosis formation; and 3) To assess mtDNA and mt genes for marker development and phylogenetic analyses. We used whole genome shotgun, 454 pyrosequencing and HiSeq Illimina to sequence AMF taxa selected according to their importance and availability in our lab collections. De novo assemblies, Sanger sequencing, annotation and comparative genomics were then performed to characterize complete mtDNAs. We discovered interesting evolutionary mechanisms in Gigaspora rosea: 1) we found a fully reshuffled mt genome synteny compared to Rhizaphagus irregularis DAOM 197198; and 2) we discovered the presence of fragmented cox1 and rns genes. We demonstrated that two cox1 transcripts are joined by trans-splicing. We also reported an unusual mtDNA organization in Rhizophagus sp. DAOM 213198, whose mt genome consisted of two circular mtDNAs. In addition, we observed a considerably higher number of mt plasmidrelated sequences in Glomeraceae compared with Gigasporaceae, contributing a mechanism for faster evolution of mtDNA in Glomeromycota. We also sequenced other isolates of R. irregularis and Rhizophagus sp. in order to unravel their evolutionary relationships and to develop molecular toolkits for their discrimination. Comparative mitogenomic analyses of these mtDNAs revealed the occurrence of many mobile elements such as mobile open reading frames (mORFs), short inverted repeats (SIRs), and plasmid-related sequences (dpo) that impact mt genome synteny and mtDNA alteration. All together, these evolutionary mechanisms among closely related AMF isolates give us clues for designing reliable and efficient intra- and inter-specific markers to discriminate closely related AMF taxa and isolates. Data generated in my Ph.D. project advances our knowledge of mitochondrial genomes evolution not only in Glomeromycota, but also in the larger framework of the Fungal kingdom and Eukaryotes in general. Molecular toolkits developed in this project will offer new opportunities to study population genetics, genetic exchanges and ecology of AMF. In turn, this work will contribute to understanding the role of these fungi in nature, with potential applications in both agriculture and environmental protection.

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro. / Estradiol (E2) is an essential female hormone in the regulation and determination of various physiological conditions in vivo, such as cell proliferation and differentiation. When supplementing exogenous E2 as a clinical strategy for hormone therapy, it generates genomic and non-genomic effect simultaneously via binding to the estrogen receptors in the cell nucleus or membrane site. Compared to the genomic effect, it is quite difficult to monitor the E2-induced non-genomic biological behavior because this effect occurs in extremely transient time scale and the bioavailability and accessibility of E2 to target cells is very low due to the hydrophobic nature of E2. As a result, it is indispensable to develop E2 delivery systems to specifically understand estrogenic non-genomic nature. One of strategies is to graft E2 to the hydrophilic macromolecules, e.g. bovine serum albumin (BSA) or poly(amido)amine dendrimer, to maintain E2 interacting with membrane estrogen receptors instead of penetrating into the cell nucleus. However, the instability of those E2-macromolecules systems, either containing free E2 leaching or discrepancies of cellular localizations, led to controversies. Herein, the objective of present thesis is to develop novel E2-functionlized platforms by the principle of bottom-up and top-down approaches for understanding the mechanism of estrogenic non-genomic effect, and further, to explore their potential applications in the biomedicine. As a bottom-up approach, an activated E2 ligand, 17α-ethinylestradiol-benzoic acid was covalently conjugated onto a phosphorylcholine substituted chitosan polymer (CH-PC-E2) as a prodrug strategy for the fabrication of self-assembled films. Through a series of combined physicochemical and cellular investigations, the relationship between various chemical compositions of chitosan-phosphorylcholine (CH-PC) films and cellular responses was also evaluated. Based on atomic force microscopy (AFM) examination, zeta-potential measurements, surface plasmon resonance (SPR), and quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) measurements, surface topography, charge, and rheology of CH-PC films with 15, 25, and 40 mol% PC contents were characterized. Moreover, QCM-D measurements indicated that the amount of fibrinogen adsorbed on CH-PC films decreased significantly with increasing PC content. Finally, it was also showed that human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) form spheroids on CH-PC25 and CH-PC40 films, but not on CH-PC15 films cultured over 4 days. In addition, the CH-PC-E2 polymer conjugates were prepared and characterized by several techniques, such as 1H nuclear magnetic resonance (1H NMR), Fourier transformed infrared-attenuated total refraction (FTIR-ATR) and UV/Vis spectra measurements. The hydrogel nature of CH-PC-E2 film as well as its interactions to estrogen receptors was further extensively investigated by QCM-D study. In the cellular study, CH-PC-E2 hydrogel films can significantly stimulate the production of nitric oxide, a protective molecule in the cardiovascular system, in the endothelial cells by a diaminofluorescein-FM diacetate imaging study. The studies above demonstrated the different roles and potential applications of CH-PC-E2 and CH-PC surfaces in the cardiovascular regenerative medicine. As a top-down approach, micropatterned substrates were used for E2 functionalization, which were prepared by photolithography via aligning ~ 2 μm in diameter gold arrays onto a glass substrate. After that, a cell adhesive peptide, cyclic RGD was introduced to the glass surface in order to induce the attachment of cells. Meanwhile, estradiol was covalently immobilized on the gold surface and the process was monitored and validated by combining SPR and QCM-D studies. In the micropatterned substrate-coupled cell ELISA study, a phosphorylation level of extracellular signal-regulated kinase (ERK), which is an important non-genomic marker, was significantly elevated by this E2-functionalized micropatterned surface after 1 hour incubation. Furthermore, E2-functionalized micropatterned substrate didn’t proliferate cancer cells indicating the absence of genomic effect stimulation. Based on these results, our E2-functionalized micropatterned substrates can function as an in vitro model for the elucidation of estrogenic non-genomic behaviors.