Durant leur évolution, les génomes accumulent des mutations pouvant affecter d’un nucléotide à plusieurs gènes. Les modifications au niveau du nombre et de l’organisation des gènes dans les génomes sont dues à des mutations globales, telles que les duplications, les pertes et les réarrangements. En comparant les ordres de gènes des génomes, il est possible d’inférer les événements évolutifs les plus fréquents, le contenu en gènes des espèces ancestrales ainsi que les histoires évolutives ayant menées aux ordres observés. Dans cette thèse, nous nous intéressons au développement de nouvelles méthodes algorithmiques, par approche d’alignement, afin d’analyser ces différents aspects de l’évolution des génomes. Nous nous intéressons à la comparaison de deux ou d’un ensemble de génomes reliés par une phylogénie, en tenant compte des mutations globales. Pour commencer, nous étudions la complexité théorique de plusieurs variantes du problème de l’alignement de deux ordres de gènes par duplications et pertes, ainsi que de l’approximabilité de ces problèmes. Nous rappelons ensuite les algorithmes exacts, en temps exponentiel, existants, et développons des heuristiques efficaces. Nous proposons, dans un premier temps, DLAlign, une heuristique quadratique pour le problème d’alignement de deux ordres de gènes par duplications et pertes. Ensuite, nous présentons, OrthoAlign, une extension de DLAlign, qui considère, en plus des duplications et pertes, les réarrangements et les substitutions. Nous abordons également le problème de l’alignement phylogénétique de génomes. Pour commencer, l’heuristique OrthoAlign est adaptée afin de permettre l’inférence de génomes ancestraux au noeuds internes d’un arbre phylogénétique. Nous proposons enfin, MultiOrthoAlign, une heuristique plus robuste, basée sur la médiane, pour l’inférence de génomes ancestraux et d’histoires évolutives d’un ensemble de génomes représentés aux feuilles d’un arbre phylogénétique. / During the evolution process, genomes accumulate mutations that may affect the genome at different levels, ranging from one base to the overall gene content. Global mutations affecting gene content and organization are mainly duplications, losses and rearrangements. By comparing gene orders, it is possible to infer the most frequent events, the gene content in the ancestral genomes and the evolutionary histories of the observed gene orders. In this thesis, we are interested in developing new algorithmic methods based on an alignment approach for comparing two or a set of genomes represented as gene orders and related through a phylogenetic tree, based on global mutations. We study the theoretical complexity and the approximability of different variants of the two gene orders alignment problem by duplications and losses. Then, we present the existing exact exponential time algorithms, and develop efficient heuristics for these problems. First, we developed DLAlign, a quadratic time heuristic for the two gene orders alignment problem by duplications and losses. Then, we developed OrthoAlign, a generalization of DLAlign, accounting for most genome-wide evolutionary events such as duplications, losses, rearrangements and substitutions. We also study the phylogenetic alignment problem. First, we adapt our heuristic OrthoAlign in order to infer ancestral genomes at the internal nodes of a given phylogenetic tree. Finally, we developed MultiOrthoAlign, a more robust heuristic, based on the median problem, for the inference of ancestral genomes and evolutionary histories of extent genomes labeling leaves of a phylogenetic tree.

Introduction La traite transatlantique, du 15ième au 19ième siècle, a changé radicalement la démographie des Amériques. Des milliers d'esclaves africains ont réussi à échapper aux plantations des colonisateurs européens, et ont formé des colonies indépendantes de peuples libres (ou 'Marron'). Dans notre travail, nous étudions quatre communautés Noir Marron de la Guyane française et du Surinam, ainsi que d'autres populations ayant un héritage africain : Brésil et Colombie, ainsi que des populations d'Afrique de l'Ouest : Bénin, Côte-d'Ivoire et Mali. Afin de définir les différentes histoires démographiques, ces populations ont été caractérisées à l'aide de plusieurs marqueurs génétiques des lignées uniparentales: chromosome Y (17 Y-STR et 96 Y-SNP), ADN mitochondrial (génomes complet), et de données pan-génomiques (4,5 millions de SNP). Résultats Les ADN paternels et maternels ont mis en évidence différents modèles de biais sexuels dans les populations afro-brésiliennes et afro-colombiennes, ce qui suggère des comportements de mariages préférentiels. À l'opposé, les communautés Noir Marron présentent l'origine africaine la plus élevée pour tous les systèmes génétiques analysés (supérieure à 98%). Dans ces communautés, on note l'absence de flux génique avec les groupes non-africains, et également des coefficients de consanguinité très élevés. En accord avec les études linguistiques, les communautés Noir Marron montrent une origine géographique africaine associée aux royaumes historiques de l'Afrique de l'Ouest qui existaient au Bénin durant la traite des esclaves. En accord avec les études historiques, l'origine des afro-colombiens montre des liens génétiques avec la région de la Côte de l'Or, et celle des afro-brésiliens avec la région de l'Afrique centrale. Conclusions Cette étude fournit une importante information génétique sur les afro-américains et nous permet de reconstruire les liens brisés avec leur passé africain. Les communautés Noir Marron montrent une identité africaine très élevée, reliée au Golfe du Bénin. Les populations afro-brésiliennes et afro-colombiennes font apparaitre différentes histoires démographiques en raison de leur passé colonial différent. Confronté avec les études historiques, la génétique permet de mieux appréhender l'identité ethnique africaine sur les deux rives de l'Atlantique. / Background The transatlantic slave trade, from the 15th to the 19th centuries, changed dramatically the demography of the Americas. Thousands of enslaved Africans managed to escape from the plantations of European colonizers, and formed independent African settlements of free people (or 'Marron'). Here, we study four Noir Marron communities from French Guiana and Surinam, as well as other populations with noteworthy African heritage in Brazil and Colombia, and West African populations in Benin, Ivory Coast, and Mali. To uncover different population histories, these populations were specifically characterized using different genetic markers based on 17 Y-STRs, 96 Y-SNPs, whole mtDNA genome, and genome-wide SNP data (4.5 million autosomal SNP). Results Paternally and maternally inherited DNA highlighted different patterns of sex-biased gene flow in both Afro-Brazilian and Afro-Colombian populations that suggest different preferential marriage behaviours. In sharp contrast, the Noir Marron communities presented the highest African ancestry in all genetic systems analysed (above 98%). These communities have apparently a null gene flow with non-African groups, and also present elevated inbreeding coefficients. In good agreement with linguistic studies, the Noir Marron communities showed a biogeographical ancestry associated with historical West African Kingdoms that existed in modern Benin during the slave trade. Afro-Colombians indicated genetic ancestry linked with the Gold Coast region. While Afro-Brazilian genetic ancestry was linked with the West Central African region, also supported by historical research. Conclusions This study provides specific genetic information in African Americans and thereby helps us to reconstruct broken links with their African past. The Noir Marron communities revealed a remarkably high African identity, which is still linked to Bight of Benin region. The Afro-Brazilian and Afro-Colombian populations present different demographic histories because of their different colonial pasts. Within an appropriate historical framework, genetic ancestry can add further understanding of ethnicity in African populations throughout the Atlantic world.

Le Syndrome d’Impatiences Musculaires de l’Éveil (SIME) est une maladie neurologique caractérisée par un besoin urgent de bouger les jambes. C’est également l’une des causes les plus fréquentes d’insomnie. C’est une maladie très répandue, avec une prévalence de presque 15 % dans la population générale. Les maladies multifactorielles comme le SIME sont souvent le résultat de l’évolution d’une composante génétique et d’une composante environnementale. Dans le cadre du SIME, les études d’association génomique ont permis l’identification de 4 variants à effet modéré ou faible. Cependant, ces quatre variants n’expliquent qu’une faible partie de la composante génétique de la maladie, ce qui confirme que plusieurs nouveaux variants sont encore à identifier. Le rôle des déséquilibres génomiques (Copy Number Variations ou CNVs) dans le mécanisme génétique du SIME est à ce jour inconnu. Cependant, les CNVs se sont récemment positionnés comme une source d’intérêt majeur de variation génétique potentiellement responsable des phénotypes. En collaboration avec une équipe de Munich, nous avons réalisé deux études CNVs à échelle génomique (biopuces à SNP et hybridation génomique comparée (CGH)) sur des patients SIME d’ascendance germanique. À l’aide d’une étude cas-contrôle, nous avons pu identifier des régions avec une occurrence de CNVs différentes pour les patients SIME, comparés à différents groupes contrôles. L’une de ces régions est particulièrement intéressante, car elle est concordante à la fois avec des précédentes études familiales ainsi qu’avec les récentes études d’associations génomiques. / Restless Legs syndrome (RLS) is a neurological disorder characterized by the urge to move one’s limbs. It is also one of the most frequent causes of insomnia. The prevalence of RLS is estimated to be around 15% in the general population. Complexes disorders like RLS are often the result of the evolution of genetic and environmental components. For RLS, recent Genome Wide Association Study (GWAS) have identified four variants with mild to moderate effects. However, those four variants explain only a small part of the disease heritability and thus, we expect that many new variants are still to be found. The impact of Copy-Number Variation (CNV) in the genetic mechanism of RLS is still unknown. However, many studies have recently position the CNVs as a significant source of genetic variation potentially responsible of phenotypes. In collaboration with a team from Munich, we conducted two genome-wide CNVs studies (Genome Wide SNP chips and Comparative Genomic Hybridization (CGH)) on RLS patients from Germany. Using cases-controls studies, we identified regions with a different occurrence of CNVs for RLS patients, compared to different groups of controls. One of these regions is particularly interesting, as it has already been identified by both linkage and association studies.

Les récepteurs nucléaires de l'acide rétinoïque (AR) appelés RAR, se comportent comme des facteurs de transcription inductibles par le ligand. La transcription des gènes cibles induite par l'AR, nécessite la fixation des RAR au niveau de séquences spécifiques des promoteurs et met en jeu des changements conformationnels des récepteurs qui contrôlent l'association/dissociation de toute une panoplie de corégulateurs. Cependant, en plus de ce modèle génomique et nucléaire bien établi, l'équipe du Dr Cécile Rochette-Egly a montré récemment que l'AR a aussi des effets non-génomiques et induit rapidement la voie de signalisation p38MAPK/MSK1 qui ensuite cible les RAR pour des cascades de phosphorylations et module la transcription des gènes cibles. Pendant mon travail de thèse, j'ai mis en exergue trois nouveaux concepts originaux du mécanisme d'action du sous-type RARα. J'ai montré qu'une sous-population de RARα est présente dans des microdomaines membranaires, les radeaux lipiques ou "lipid rafts"où elle interagit avec les protéines Gαq. Cette interaction est le signal des effets non génomiques de l'AR, l'activation de la voie de la p38MAPK. Ces effets ont été corrélés à l'activité des gènes cibles de l'AR, prouvant ainsi leur nécessité. J'ai identifié un nouveau partenaire de RARα, la profiline IIA. J'ai analysé le mécanisme moléculaire de l'interaction et démontré qu'elle a lieu dans le noyau. La profiline IIA s'est révélée être un régulateur des effects génomiques de RARα et est recrutée avec RARα au niveau des promoteurs des gènes cibles. Finalement j'ai mis en évidence une nouvelle fonction de RARα dans le contrôle de l'adhésion et de l'étalement des cellules. D'où l'hypothèse de nouveaux effets génomiques de RARα avec la profiline IIA dans le contrôle de l'expression des protéines d'adhésion. Cependant, de manière inattendue, j 'ai identifié une nouvelle population de RARα dans le cytoplasme de ces cellules. D'où l'hypothèse de nouveaux effets non génomiques dans le cytoplasme, via l'interaction de RARα avec des protéines d'adhésion.

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Les études d’association pan-génomiques ont révélé plusieurs variants génétiques associés à des traits complexes. Les mesures érythrocytaires ont souvent fait l’objet de ce genre d’études, étant mesurées de façon routinière et précise. Comprendre comment les variations génétiques influencent ces phénotypes est primordial étant donné leur importance comme marqueurs cliniques et leur influence sur la sévérité de plusieurs maladies. En particulier, des niveaux élevés d’hémoglobine fœtal chez les patients atteints d’anémie falciforme est associé à une réduction des complications et une augmentation de l’espérance de vie. Néanmoins, la majorité des variants génétiques identifiés par ces études tombent à l’intérieur de régions génétiques non-codantes, augmentant la difficulté d’identifier des gènes causaux. L’objectif premier de ce projet est l’identification et la caractérisation de gènes influençant les traits complexes, et tout particulièrement les traits sanguins. Pour y arriver, j’ai tout d’abord développé une méthode permettant d’identifier et de tester l’effet de gènes knockouts sur les traits anthropométriques. Malgré un échantillon de grande taille, cette approche n’a révélé aucune association. Ensuite, j’ai caractérisé le méthylome et le transcriptome d’érythroblastes différentiés à partir de cellules souches hématopoïétiques et identifié plusieurs gènes potentiellement impliqués dans les programmes érythroïdes fœtaux et adultes. Par ailleurs, j’ai identifié plusieurs micro-ARNs montrant des motifs d’expression spécifiques entre les stages fœtaux et adultes et qui sont enrichis pour des cibles exprimées de façon opposée. Finalement, j’ai identifié plusieurs variants génétiques associés à l’expression de gènes dans les érythroblastes (eQTL). Cette étude a permis d’identifier des variants associés à l’expression du gène ATP2B4, qui encode le principal transporteur de calcium des érythrocytes. Ces variants, qui sont également associés à des traits sanguins et à la susceptibilité à la malaria, tombent dans un élément d’ADN spécifique aux cellules érythroïdes. La délétion de cet élément par le système CRISPR/Cas9 induit une forte diminution de l’expression du gène et une augmentation des niveaux de calcium intracellulaires. En conclusion, des échantillons de génotypages exhaustifs seront nécessaires pour étudier l’effet de gènes knockouts sur les traits complexes. Les érythroblastes montrent de grandes différences au niveau de leur méthylome et transcriptome entre les différents stages développementaux. Ces différences influencent potentiellement la régulation de l’hémoglobine fœtale et impliquent de nombreux micro-ARNs et régions régulatrices non-codantes. Finalement, l’exemple d’ATP2B4 montre qu’intégrer des études épigénomiques, transcriptomiques et des expériences d’édition de génome est une approche puissante pour caractériser des variants génétiques non-codants. Par ailleurs, ces résultats impliquent ATP2B4 dans l’hydratation des érythroblastes, qui est associé à la susceptibilité à la malaria et la sévérité de l’anémie falciforme. Cibler ATP2B4 de façon thérapeutique pourrait avoir un impact majeur sur ces maladies qui affectent des millions d’individus à travers le monde. / Genome-wide association studies (GWAS) have revealed several genetic variants associated with complex phenotypes. This is the case for red blood cell (RBC) traits, which are particularly amenable to GWAS as they are routinely and accurately measured. Understanding RBC trait variation is important given their significance as clinical markers and modifiers of disease severity. Notably, increased fetal hemoglobin (HbF) production in sickle cell disease (SCD) patients is associated with a higher life expectancy and decreased morbidity. Nonetheless, most variants identified through GWAS fall in non-coding regions of the human genome, increasing the difficulty of identifying causal links. The main goal of this project was to identify and characterize genes influencing complex traits, and in particular RBC phenotypes. First, I developed an approach to identify and test potential gene knockouts affecting anthropometric traits in a large sample from the general population, which did not yield significant associations. Then, I characterized the DNA methylome and transcriptome of erythroblasts differentiated ex vivo from hematopoietic progenitor stem cells (HPSC), and identified several genes potentially implicated in fetal and adult-stage erythroid programs. I also identified microRNAs (miRNA) that show specific developmental expression patterns and that are enriched in inversely expressed targets. Finally, I mapped expression quantitative trait loci (eQTL) in erythroblasts, and identify erythroid-specific eQTLs for ATP2B4, the main calcium ATPase of RBCs. These genetic variants are associated with RBC traits and malaria susceptibly, and overlap an erythroid-specific enhancer of ATP2B4. Deletion of this regulatory element using CRISPR/Cas9 experiments in human erythroid cells minimized ATP2B4 expression and increased intracellular calcium levels. In conclusion, large and comprehensive genotyping datasets will be necessary to test the role of rare gene knockouts on complex phenotypes. The transcriptomes and DNA methylomes of erythroblasts show substantial differences correlating with their developmental stages and that may be implicated in HbF production. These results also suggest a strong implication of erythroid enhancers and miRNAs in developmental stage specificity. Finally, characterizing the erythroid-specific enhancer of ATP2B4 suggest that integrating epigenomic, transcriptomic and gene editing experiments can be a powerful approach to characterize non-coding genetic variants. These results implicate ATP2B4 in erythroid cell hydration, which is associated with malaria susceptibility and SCD severity, suggesting that therapies targeting this gene could impact diseases affecting millions of individuals worldwide.

Les microorganismes représentent la forme de vie la plus diverse et abondante sur Terre et jouent un rôle fondamental dans tous les processus biologiques. Cependant, du fait de la grande diversité des communautés microbiennes, la caractérisation fine des environnements complexes reste difficile par les approches moléculaires actuelles de PCR et de métagénomique. En effet, ces approches ne conduisent qu’à une caractérisation partielle des communautés et ne permettent pas systématiquement d’associer la structure des communautés aux fonctions métaboliques réalisées. L’approche de capture de gènes par hybridation appliquée à des échantillons métagénomiques complexes a démontré son intérêt pour révéler toute la diversité connue mais aussi inconnue des biomarqueurs fonctionnels ciblés, ainsi que pour enrichir leurs régions flanquantes sur quelques centaines de permettant en évidence des associations de gènes. Ainsi, les travaux de thèse ont visé à développer une nouvelle méthode de capture de gènes par hybridation capable d’enrichir de façon ciblée de larges régions génomiques à partir d’échantillons complexes, permettant ainsi de faire le lien entre structure et fonction des communautés microbiennes. Ces développements ont nécessité la détermination de sondes de capture, l’utilisation d’une méthode d’extraction d’ADN de haut poids moléculaire et la mise au point d’un protocole de capture permettant de piéger des fragments nucléiques de grande taille (jusqu’à 50 kb). La validation de la méthode de capture par hybridation sur un échantillon environnemental de sol a permis de révéler tout son potentiel. Appliquée au gène exprimant l’ARNr 16S, cette stratégie a permis de révéler une diversité microbienne non accessible par les approches moléculaires conventionnelles, avec une résolution d’identification jusqu'au niveau de l’espèce rendue possible grâce à la reconstruction de la séquence complète de ce marqueur phylogénétique. Appliquée à un gène fonctionnel, elle a conduit à la reconstruction de la séquence du biomarqueur et de ses régions flanquantes pouvant atteindre plusieurs dizaines de kb, permettant d’identifier les microorganismes possédant les capacités métaboliques d’intérêt. Ainsi, la capture par hybridation représente une approche alternative prometteuse pour le diagnostic environnemental en conduisant à une meilleure caractérisation des communautés microbiennes. / Microorganisms are the most diverse and abundant life forms on Earth and are key players in thefunctioning of all biological processes. Nevertheless, PCR and metagenomics strategies aiming to describemicrobial communities are hampered by their huge diversity. Indeed, these molecular methods only drive to apartial description of communities and do not systematically allow linking functions back to the identities of themicroorganisms. Hybridization capture applied to complex metagenomic samples has demonstrated its efficiency to reveal all known and unknown diversity of targeted biomarkers, and to enrich their flanking regions over a few hundred bp facilitating the discovery of gene associations.Thus, this work aimed at developing a new hybridization capture method capable of specifically enrichinglarge genomic regions from complex samples allowing to associate structure and functions of communities. Thedevelopment of this method required the design of capture probes, the use of a high molecular weight DNAextraction method, and the elaboration of a capture protocol dedicated to the enrichment of large genomicfragments (up to 50 kbp).The validation of the hybridization capture method on an environmental soil sample uncovered all itspotential. Applied to the 16S rRNA gene, this strategy revealed greater microbial diversity than conventionalmolecular methods and improved phylogenetic resolution up to the species level thanks to the reconstruction offull-length genes. Applied to a functional gene, the method enabled the reconstruction of large genomic regionscarrying the targeted biomarker and its flanking regions over several tens of kbp, leading to the identification ofmicroorganisms with specific metabolic functions. Hybridization capture thus appears as a promising alternativemethod for environmental diagnosis, through providing a better knowledge of microbial communities.

Le mélanome cutané est un cancer des cellules de la peau (mélanocytes) qui se situe, en France, au 11e rang des cancers les plus fréquents. Sa mortalité reste élevée lorsqu’il est diagnostiqué à un stade tardif. Ce cancer résulte de nombreux facteurs génétiques, environnementaux et des interactions entre ces facteurs. La susceptibilité génétique à ce cancer recouvre un large spectre de variabilité génétique, depuis des mutations rares conférant un risque élevé jusqu’à des variants fréquents conférant un risque modeste. C’est dans le cadre de l’identification de variants fréquents liés à l’apparition du mélanome et à son pronostic que se situe mon travail de thèse. À ce jour, les études d’associations pangénomiques du mélanome ont identifié des variants fréquents à effets relativement modestes qui expliquent seulement une part de la composante génétique. Les variants fonctionnels au sein des régions identifiées sont le plus souvent inconnus. Les études pangénomiques ont eu principalement recours à des analyses simple-marqueur qui peuvent manquer de puissance pour détecter des variants ayant un effet individuel faible ou interagissant avec d’autres variants. L’objectif principal de ce travail de thèse a été de proposer des stratégies d’analyse multi-marqueurs pour identifier de nouveaux gènes impliqués dans le mélanome et pour caractériser des variants potentiellement fonctionnels au sein des régions du génome associées au mélanome.Pour identifier de nouveaux gènes associés au risque de mélanome et à un facteur pronostique de ce cancer (l’indice de Breslow), nous avons proposé une stratégie d’analyse multi-marqueurs qui intègre une analyse de pathways biologiques basée sur la méthode GSEA (Gene Set Enrichment Analysis) et une analyse d’interactions entre gènes au sein des pathways associés au mélanome. Ces analyses ont été menées dans deux études : l’étude française MELARISK et l’étude américaine du MD Anderson Cancer Center (MDACC), totalisant 2 980 cas et 3 823 témoins. Nous avons identifié une interaction entre les gènes, TERF1 et AFAP1L2, pour le risque de mélanome et une interaction entre les gènes, CDC42 et SCIN, pour l’indice de Breslow. Ces gènes sont particulièrement pertinents sur le plan biologique du fait de leur rôle dans la biologie des télomères pour la première paire de gènes et dans la dynamique des filaments d’actine pour la seconde paire. Afin d’identifier les variants potentiellement fonctionnels au sein des régions du génome mises en évidence par études pangénomiques, nous avons proposé une stratégie de cartographie fine qui repose principalement sur une méthode de régression pénalisée (méthode HyperLasso) appliquée à tous les variants de la région étudiée. Par l’analyse de la région 16q24 qui contient le gène MC1R dont les variants fonctionnels sont connus, nous avons montré que cette stratégie était capable d’identifier ces variants parmi de nombreux variants associés au mélanome dans cette région. Nous avons contribué à identifier cinq nouvelles régions du génome associées au mélanome par méta-analyse d’études pangénomiques réalisées au niveau mondial (43 000 sujets) puis mené une étude de cartographie fine de toutes les régions associées au mélanome, en se basant sur la stratégie proposée et validée dans la région 16q24. Les stratégies d’analyses multi-marqueurs proposées dans le cadre de ce travail de thèse ont permis d’identifier de nouveaux gènes associés au risque de mélanome et à un facteur pronostique de ce cancer et de caractériser les variants génétiques potentiellement fonctionnels au sein des régions du génome identifiées par études pangénomiques. / Cutaneous melanoma is a skin cancer developed from melanocytes. It is the 11th most common cancers in France. Mortality due to melanoma remains high when diagnosed at a late stage. This cancer results from many genetic, environmental factors and interactions between these factors. The genetic susceptibility to melanoma covers a broad spectrum of genetic variation, from rare mutations conferring high risk to common variants conferring low risk. My thesis was conducted in the framework of low-risk variants associated with melanoma occurrence and prognosis. To date, genome-wide association studies (GWAS) of melanoma have identified common variants with relatively modest effects which only explain a part of the genetic component of this cancer. Functional variants at the identified loci are mostly unknown. GWASs have been mainly conducted using single-marker analysis which may be underpowered to detect variants with small effect or interacting with each other. The main objective of this thesis was to propose multi-marker analysis strategies to identify novel genes involved in melanoma and to characterize potentially functional variants in chromosomal regions found associated with melanoma. To identify new genes associated with melanoma risk and a prognostic factor for this cancer (Breslow thickness), we proposed a multi-marker analysis strategy which integrates pathway analysis based on the GSEA (Gene Set Enrichment Analysis) method and gene-gene interaction analysis within melanoma-associated pathways. These analyses were conducted in two studies: the French MELARISK study and the North-American MD Anderson Cancer Center (MDACC) study, with a total of 2,980 cases and 3,823 controls. We identified gene-gene interactions between TERF1 and AFAP1L2 genes for melanoma risk and between CDC42 and SCIN genes for Breslow thickness. These genes are biologically relevant because of their role in telomere biology for the former gene pair and in actin dynamics for the latter pair. To identify potentially functional variants at loci identified by GWAS, we proposed a fine mapping strategy which is mainly based on a penalized regression approach (HyperLasso method) that can be applied to all variants of the region under study. By studying the 16q24 region which harbors the MC1R gene whose functional variants are known, we showed this strategy was able to identify those variants among many variants associated with melanoma in this region. We contributed to the identification of five novel regions associated with melanoma through a worldwide meta-analysis of melanoma GWASs (43,000 subjects) and conducted fine mapping of all melanoma-associated loci using the strategy we proposed and validated in the 16q24 region. The multi-marker strategies proposed in this work have allowed identifying new biologically relevant genes associated with risk of melanoma and a major melanoma prognostic factor and characterizing potentially functional genetic variants within regions identified by GWAS.

La sénescence réplicative est le phénomène associé à un arrêt de croissance permanent causé par le raccourcissement progressif des télomères à chaque division. Lorsqu’ils atteignent une longueur critique, les télomères perdent leur structure terminale protectrice en t-loop, ce qui révèle l’extrémité du chromosome et déclenche une Réponse aux dommages à l’ADN (RDA) p53-dépendante. Le nombre de télomères ouverts nécessaire à la mise en place de la sénescence n’est pas connu, mais plusieurs évidences suggèrent que la cellule pourrait en tolérer un certain nombre avant de s’arrêter définitivement. Dans ce projet, nous utilisons un dominant négatif de Tin2 (Tin2DN), un membre du complexe nucléo-protéique nommé le télosome qui stabilise la t-loop, pour démontrer que la dysfonction chromatinienne télomérique seule ne suffit pas à déclencher un arrêt de croissance permanent. Lorsqu’il est exprimé, Tin2DN induit la formation de foyers de dommages de 53BP1, la RDA ainsi qu’un arrêt de croissance transitoire. De façon surprenante, nous observons que les cellules qui ont subi ce premier arrêt de croissance ré-entrent dans le cycle cellulaire et se divisent, et ce malgré la présence de foci télomériques. Cette réentrée cause l’apparition de cassures secondaires ainsi qu’une accumulation d’instabilités génomiques, telles que des ponts chromosomiques ou des micro-noyaux. Cet échappement des points de blocages du cycle cellulaire pourrait être expliqué par notre observation que la dysfonction télomérique induite par Tin2DN n’active que très faiblement p53 et p21, et pratiquement pas la kinase chkChk2. Néanmoins, en inhibant directement l’activité de p53, nous n’observons plus aucun arrêt de croissance mais une accumulation de foci et d’instabilités génomiques, avec une forte occurrence de catastrophes mitotiques. L’ensemble de ces résultats propose un nouveau modèle d’entrée en sénescence réplicative : l’ouverture des télomères induits une faible RDA menant à un premier arrêt de prolifération transitoire p53-dépendant. Les cellules échappent à cet arrêt et se divisent, mais l’ouverture des télomères ayant causé des fusions chromosomiques, la division crée alors de nouvelles cassures doubles brins dans le génome qui déclencheront une forte RDA et un nouvel arrêt de croissance permanent, la sénescence réplicative. / Replicative senescence is the physiological permanent growth arrest caused by telomeres shortening, at each round of replication. Once they have reach a critical length, the telomeres lose their t-loop structure, revealing the chromosome extremity that triggers a p53-dependant DNA damage response (DDR) and leads to proliferation arrest. The number of shortened telomeres that are necessary to onset senescence is not known, but accumulating evidences suggest that the cell is able to tolerate a certain level of telomere uncapping before stopping its divisions. Here, we used an inducible dominant negative form of Tin2 (Tin2DN), a member of the shelterin complex that stabilizes the t-loop, to show that telomeres uncapping alone is not sufficient to induce a stable growth arrest. When expressed, Tin2DN leads to the openingverture of the t-loop, creating a DDR with the formation of 53BP1 DNA damage foci (DDF) and a transient growth arrest. Indeed, we observed that the cells were re-entering the cell cycle and dividing, despite their uncapped DDF harbouring telomeres. As telomere uncapping creates chromosome fusions, such division leads to the apparition of secondary DNA breaks, with an accumulation of genomic instabilities, such as chromosomes bridges or micronuclei. We observed that Tin2 DN-induced telomere uncapping leads to a very weak activation of p53 and p21, with almost no phosphorylation of chkChk2. Nevertheless, when we infected our cells with a shp53, the primary growth arrest did not occur, leading to an amplification of the damages, with strong signs of instability and mitotic catastrophe. Altogether, these results propose a new model for replicative senescence: telomere uncapping induces a weak DDR that leads to a transitory growth arrest. The cells divide with fused chromosomes, creating new randomly distributed double strand breaks that trigger a stronger DDR and a permanent growth arrest. In that model, replicative senescence is not directly induced by telomere uncapping, but by an amplification of DNA damages through mitotic catastrophe.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts. / The association between arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant roots is one of the most widespread symbioses involving plants, and thus has an important role in terrestrial ecosystems. In exchange for carbohydrates, AMF improve plant fitness by enhancing mineral nutrient uptake, especially in particular phosphate and nitrate. Although this symbiosisDespite the fact that these symbioses contribute provides to important services toin ecosystems, the species richness, community structure and functional diversity of AMF is not well understood due to a lack of reliable molecular tools. The intra-isolate genetic polymorphism of nuclear DNA observed in AMF, combined with a lack of genomic data in a broad range of phylogenetic groups, has made it difficult to develop molecular markers and to determine evolutionary relatedness at high levels of resolution (i.e. between genetically-similar species and/or isolates). For these reasons, it seems a good alternative to use a different genetic system by targeting the mitochondrial genome, which have been shown to be homogeneous within AMF isolates. However, given the peculiar lifestyle of these organisms, a better understanding of the mitochondrial evolutionary processes and dynamics were is necessary in order to validate the usefulness of such markers in diversity and population genetics studies. In that regard, the objectives of my PhD project were to investigate: i) the divergence between closely related species and isolates, ii) mitochondrial genomes plasticity, iii) mitochondrial heritability and potential segregation mechanisms and iv) in situ mitochondrial intra-isolate allelic diversity. With Using comparative mitochondrial genomics using and next generation sequencing (NGS) sequencing, we found substantial sequence variation in intergenic regions caused by the invasion of mobile genetic elements. This variation gives risecontributes to rapid mitochondrial genome evolution among closely related isolates and species, which makes it possible to design reliable intra- and inter-specific markers. Also, an extensive gene similarity network-based approach allowed us to provide strong evidence of inter-haplotype recombination in AMF, leading to a reshuffled mitochondrial genome. These findings suggest the coexistence of distinct mtDNA haplotypes in natural populations and raise questions as to whether AMF single spore cultivations artificially underestimates mitochondrial genetic diversity in natural population.. This apparent contradiction with the intra-isolate mtDNA homogeneity usually observed in these fungi, led to the investigation of mitochondrial heritability in the spore progeny resulting from crossed-cultures. Although an heteroplasmic state was observed in some daughter spores, we found that homoplasmy was the dominant state in all monosporal cultures, with an apparent bias towards one of the parental haplotypes. These results strongly support the presence of a putative mitochondrial segregation proteic machinery in AMF, whose complete set of genes were orthologous with those found in other fungi. Our findings suggest that segregation takes place either during spore formation or colony mycelium development. Finally, we performed a conventional PCR based approach with a high fidelity Taq polymerase, followed by downstream cloning and Sanger sequencing using the model organism Rhizophagus irregularis. We found in situ heteroplasmy along with substantial intra-isolate allelic variation within the mtDNA that persists in the transcriptome. Our study also suggest that genetic variation in Glomeromycota is higher than meets the eye and might be critically underestimated in most NGS based-AMF studies both in nuclei and mitochondria.