Stevia rebaudiana Bertoni, une herbe vivace de la famille des Asteraceae originaire du Paraguay, est d'un intérêt croissant en tant que source d’édulcorants naturels acoloriques, les glycosides de steviol (SVglys). Ces diterpénoïdes sont organisés autour d’un noyau de steviol et diffèrent par le nombre et la nature d’unités de sucre liées à ce noyau. Ils sont accumulés à des concentrations allant de 4 à 20% de la masse sèche des feuilles, selon le génotype, le stade phénologique et les conditions de croissance. S. rebaudiana apparaît comme une espèce alternative prometteuse en Europe, mais nécessite au préalable une évaluation de ses besoins en culture et un travail de sélection variétale afin d’optimiser la teneur et la composition en SVglys en milieu tempéré. L'objectif de ce travail était d'étudier les sources de variabilité génotypique et environnementale pour l’accumulation en SVglys et la production de biomasse foliaire. Une forte variabilité génotypique a été observée pour la composition en SVglys et, à un degré moindre, pour la teneur en SVglys ainsi que pour des critères morphologiques et de précocité. L’environnement (fertilisation, durée du jour, stade phénologique, âge de la plante) a également eu un effet sur l’élaboration de la biomasse foliaire et sur la teneur en SVglys, alors que la composition en SVglys a été moins affectée par ces facteurs. Ces résultats suggèrent des mécanismes biochimiques et génétiques complexes régissant la voie de biosynthèse des SVglys. Ils laissent également entrevoir des possibilités de sélection variétale et donnent des indications sur les exigences de S. rebaudiana pour sa culture sous nos climats. / Stevia rebaudiana Bertoni, a perennial shrub of the Asteraceae family originating from Paraguay, is of increasing interest as a source of zero-calorie natural sweeteners: the steviol glycosides (SVglys). These diterpenoids differ in the number and the nature of sugar units bound to a steviol skeleton. They accumulate in leaves at concentrations ranging from 4 to 20%, according to genotype, phenological stage, and growth conditions. S. rebaudiana appears as a promising alternative culture in Europe, but requires investigations to assess its cultivation plant requirements and a breeding effort to optimize SVgly content and composition under temperate climate. The objective of this work was to explore the sources of genotypic and environmental variability for SVglys accumulation and leaf biomass production. High genotypic variability has been observed for SVgly composition and, to a lesser extent, for SVgly content as well as for morphological criteria and precocity. Leaf biomass and SVgly content varied also with the environment (fertilization, daylength, phenological stage) and over the years in perennial culture, while SVgly composition was less affected by these factors. These results suggested complex biochemical and genetic mechanisms regulating SVglys biosynthetic pathway. In parallel they revealed breeding potentialities and gave indications on S. rebaudiana requirements for its cultivation under temperate climate.

Dans un contexte de changement climatique les cultures vont être plus fréquemment soumises à des événements climatiques extrêmes. Continuer le progrès sur le rendement du maïs requiert de considérer de nouvelles méthodes génétiques pour caractériser les avantages comparatifs de génotypes en conditions de sécheresse et de températures élevées. L'objectif principal de cette thèse est d'améliorer les connaissances du contrôle génétique du rendement du maïs et de ses composantes sous stress hydrique et thermique dans un réseau d'essai au champ. Pour cela, nous avons utilisé des données issues du projet UE DROPS et du projet français Amaizing avec 29 essais au champ répartis en Europe et au Chili, en 2012 et 2013, avec des traitements irrigué et non irrigué dans chaque site. Une caractérisation précise des conditions environnementale a été réalisée, ainsi qu’une mesure précise de la phénologie et du rendement et de ses composantes sur un panel de 244 hybrides de maïs. L’approche utilisée dans cette thèse a consisté à utiliser la caractérisation environnementale précise en chaque site pour disséquer les interactions entre génotype et environnement. Dans un premier temps nous avons classé les 29 essais en six scenarios environnementaux qui avaient été préalablement définis sur de longues séries climatiques dans toute l'Europe. Les régions génomiques associées au rendement ont eu des effets très variables entre sites, qui dépendaient des scenarios environnementaux. On peut donc associer chaque allèle à une région d'Europe où il a une forte probabilité d'effet positif. Dans un second temps, en combinant les données issues de plateforme et du champ, nous avons estimé les réponses du rendement au rayonnement intercepté pendant la période végétative, et à la température et au déficit hydrique à la floraison. Nous avons identifié les régions génomiques associées à ces réponses, rendant les génotypes analysés tolérants ou sensibles à la variable considérée. Ce travail ouvre des perspectives pour l’amélioration des plantes dans un contexte de changement climatique. / Climate changes are a reality and crops will encounter more frequent climatic accidents. Continuing progress in yield requires considering new genetic method to characterize the comparative advantages of genotypes under drought and high temperatures. The main goal of this thesis is to improve the knowledge of the genetic control of grain yield and its components as affected by drought and heat in a network of field experiments. We used for that data coming from the EU project DROPS and the French project Amaizing with 29 field trials spread over Europe and Chile, in 2012 and 2013, with irrigated and rainfed treatments in each location. A detailed environmental characterisation was carried out and associated with precise measurement of phenology and grain yield and its component on a panel of 244 maize hybrids. The approach consisted in using the precise environmental characterisation to dissect the genotype-by-environment interaction. In the first place, we have classified the 29 experiments into six environmental scenarios that were previously defined using long climatic series over Europe. The genomic regions associated with grain yield displayed differents effects between sites, depending on the environmental scenarios. It is thereby possible to associate each allele to a European region in which it is likely to have positive effect. In a second time, by combining data coming from the field and the platform, we have estimated responses of grain yield to intercepted radiation during the vegetative period, and to temperature and water deficit at flowering. We have identified the genomic regions associated with the responses, making the studied genotypes tolerant or sensitive to the considered variable. This work opens new perspectives for plant breeding under climate change.

Les ataxies (HCA) et paraparésies spastiques héréditaires constituent les deux extrémités du spectre des entités neurodégénératives spinocérébelleuses (SCE). Elles sont marquées par une forte hétérogénéité clinique, avec des signes associés variés, et génétique. Elles peuvent se transmettre sur tous les modes d'hérédité, et des mutations ont été décrites dans une myriade de gènes. Les SCE sont donc une entité qui bénéficie particulièrement des avancées technologiques de la Nouvelle Génération de Séquençage. Ce travail décrit des résultats obtenus sur de grandes cohortes, par séquençage de panel de gènes ciblés ou de l'exome entier, ainsi que des études de familles. Celles-ci nous ont permis de décrire de nouveaux modes de transmission de mutations dans des gènes déjà connus en pathologie humaine, avec un dans un cas une dysfonction similaire, dans l'autre un gain versus une perte de fonction. Nous rapportons aussi deux gènes nouvellement impliqués, dans une forme autosomique dominante de HCA (CACNA1A), et dans un sous-type autosomique récessif de dystonie avec atrophie cérébelleuse (TOR1AIP1). Nos résultats illustrent bien la refonte nosologique en marche dans les maladies génétiques complexes, qui remettent en permanence les corrélations génotype-phénotype en question. Nous discutons du pourquoi et du comment du diagnostic moléculaire dans cette nouvelle ère du séquençage. / Hereditary cerebellar ataxias (HCA) and spastic paraplegias constitute both ends of the neurodegenerative spectrum of spinocerebellar entities (SCE). Theses diseases are marked by a pronounced heterogeneity, both clinically, with various additional neurological or extraneurological signs, and genetically. They can indeed follow all transmission modes, and mutations in a myriad of genes have been described. SCE is hence a group of diseases that benefit greatly from Next-Generation Sequencing technologies. This work reports both screenings of large cohorts of patients with either panel or whole exome sequencing, as well as family studies. The latter allowed us to describe new modes of transmission for genes previously involved in human pathology, with either similar protein dysfunction, or loss- versus gain-of-function. We also describe two new genes implicated in a form of autosomal dominant HCA (CACNA1A), and an autosomal recessive subtype of dystonia and cerebellar atrophy (TOR1AIP1). Our results are illustrative of the genetic remodelling underway in complex genetic diseases, with permanent questioning of genotype-phenotype correlations. We discuss the how and the why of molecular diagnosis in this new era of sequencing.

La prédiction de la zygotie à partir du génotype le plus probable en la comparant à la PCR-SSP, n’était pas fiable liée à la possibilité d’avoir d’autres génotypes possibles pour le même phénotype. En effet, la fréquence très proche de l’haplotype R0 et r dans la population tunisienne rend la déduction du génotype le plus probable très aléatoire. Dans un deuxième temps, l’évaluation de la méthode moléculaire la plus convenable à la détermination de la zygotie RHD a été réalisée par comparaison des trois techniques moléculaires (PCR-SSP, PCR-RFLP et Q-PCR) et par l’analyse des résultats discordants par séquençage du gène RHD et des « boîtes Rhésus ». L’analyse de 370 échantillons RH:1 à l'aide de ces trois tests moléculaires a montré que 81,9% des résultats étaient en concordance alors que 18,1% en discordance. L’analyse des cas discordants a montré que notre cohorte se compose de 193 sujets dizygotes et 145 hémizygotes et 32 dont la zygotie reste inconnue. Cette étude a révélé 19 nouveaux polymorphismes des « boîtes Rhésus » et a permis aussi de décrire trois nouveaux allèles RHD: RHD(Trp185Stop), RHD(Ala176Thr) et RHD(Ile342Ile). Cette étude a également mis en valeur l’hétérogénéité des « boîtes Rhésus » et la complexité des allèles RHD en décrivant les nouveaux polymorphismes obtenus, ce qui met en évidence les limites des approches moléculaires de la détermination de la zygotie. La Q-PCR a été la méthode la plus adaptée à la détermination de la zygotie, mais en raison des contraintes économiques locales, la PCR-RFLP pourrait être une alternative malgré l’hétérogénéité des « boîtes Rhésus » et la complexité du gène RHD. / Determination of paternal RHD zygosity can help the clinician to assess the risk of HDN. It was determined initially by both assignment of the most probable genotype and PCR-SSP. The prediction of zygosity based on the most probable genotype was not reliable due to the possibility of other genotypes for the same phenotype. In fact, the frequencies of R0 and r haplotypes in the Tunisian population are approached and make the deduction of the most probable genotype very aleatory. Secondly, the evaluation of the most convenient molecular method for RHD zygosity determination was realized by comparison of three molecular techniques (PCR-SSP, PCR-RFLP and RQ-PCR) and analysis of discordant results by sequencing of the RHD gene and Rhesus boxes. Analysis of 370 RH:1 samples by these three molecular tests showed concordant results in 81.9% and discordant results in 18.1%. Molecular investigations revealed that our cohort consists of 193 dizygous and 145 hemizygous samples and 32 which zygosity remains unknown. This study revealed 19 novel Rhesus boxes polymorphisms, and described 3 novel RHD alleles: RHD(Trp185Stop), RHD(Ala176Thr) and RHD(Ile342Ile). This study also underlined Rhesus boxes heterogeneity and RHD alleles complexity by describing of new polymorphisms which showed the limits of molecular approaches for RHD zygosity determination. RQ-PCR is the most convenient method for first intension paternal RHD zygosity determination in Tunisians. However taking into account local economic constraints PCR-RFLP could be an alternative despite the Rhesus boxes heterogeneity and RHD complexity.

Une large part de la composante génétique du risque de cancer du sein est encore inexpliquée. J'ai ainsi étudié dans quelle mesure les variants observés sur le génome mitochondrial pourraient en partie expliquer ce risque. En effet la mitochondrie, en tant que source d'énergie cellulaire, est un organite impliqué dans la synthèse des espèces oxygénées réactives ou radicaux libres, éléments contribuant à l'instabilité génomique et au développement tumoral. Un premier axe de recherche m'a conduit à étudier une interaction potentielle entre des variants du génome mitochondrial et du génome nucléaire, en conjonction avec la consommation d'alcool. J'ai ensuite analysé les haplogroupes mitochondriaux peuvent être considérés en tant que potentiels modificateurs de l'association entre le risque de cancer du sein et les mutations causales portées par les gènes BRCA1 et BRCA2. L'haplogroupe T1a1 a été identifié comme modificateur du risque conféré par les mutations pathogènes localisées sur le gène BRCA2. Enfin, j'ai caractérisé par séquençage à haut débit le génome mitochondrial de 436 femmes ayant un cancer du sein et de forts antécédents familiaux, mais n'étant porteuses d'aucune mutation causale sur BRCA1 et BRCA2. Plusieurs variants ont été prédits comme dommageables. Deux gènes en particulier MT-ATP6 et MT-CYB, sont spécifiquement enrichis à la fois en nombre de variants portés, et de par le nombre d'individus porteurs de ces variants dans notre étude. L'ensemble du travail réalisé a ainsi contribué à enrichir les connaissances sur les potentielles associations entre les variations du génome mitochondrial et le risque du cancer du sein / A large part of the genetic component of breast cancer risk (BCR) is still unexplained. Therefore I studied if variants of the mitochondrial genome (mtDNA) might explain a part of this risk. In fact, mitochondria is the main source of reactive oxygen species (ROS), which contribute to genomic instability and tumor development. As a first axis of research, I studied potential interactions between some nuclear and mitochondrial variants, in conjugation to alcohol consumption. Despite the large dimensions of our dataset, the lack of statistical significant interaction in our data might reveal that former published results that show such interactions were not robust. I also studied if mitochondrial haplogroups could be considered as modificators of known association between BCR and pathogenic mutations in the BRCA1/2 genes. I identified haplogroup T1a1 such as modificator for individuals carrying a mutated BRCA2. Finally, I characterized by NGS mitochondrial genome of women diagnosed for a familial breast cancer, but tested negative for known pathogenic BRCA1/2 mutations. Several variants were identified as potentially damaging. Two genes, MT-ATP6 and MT-CYB are specifically enriched both in terms of distinct variants and in the number of individuals carrying these variants. They are both essential structural components of the mitochondrial respiratory chain, the main ROS production source in the cell. All these analyses contribute to enrich the knowledge about associations between BCR and variability of mtDNA, by integrating questions linked to interactions between genomic variants, environmental exposure, and effect modifications related to mitochondrial haplogroups

Nous avons développé la base HBVdb (http://hbvdb.ibcp.fr) pour permettre aux chercheurs d'étudier les caractéristiques génétiques et la variabilité des séquences du virus de l'hépatite B (VHB), ainsi que la résistance virale aux traitements. HBVdb contient une collection de séquences annotées automatiquement sur la base de génomes de référence annotés manuellement, ce qui assure une nomenclature normalisée pour toutes les entrées de la base. HBVdb est accessible via un site Web dédié avec des outils d'analyses génériques et spécialisés (annotation, génotypage, détection de profils de résistance), et des jeux de données pré-calculés. La polymérase du VHB est la principale cible des traitements anti-VHB. Les analogues de nucléos(t)ides (NA) inhibent l'activité de la transcriptase inverse (RT), mais il existe des mutations de résistance aux NA. Cependant, un autre domaine enzymatique pourrait être une cible potentielle : la RNase H, liée au domaine RT, permettant la dégradation de l'ARN durant la transcription inverse. Pour pallier l'absence d'une structure expérimentale résolue, et grâce à l'analyse de séquences à partir de HBVdb, nous avons construit le modèle par homologie de la RNase H, qui a permis de définir les caractéristiques de cette RNase H de type 1. Enfin pour vérifier des hypothèses émises à partir de ce modèle, et pour le placer dans son contexte, nous avons construit un modèle plus étendu de la polymérase du VHB, qui comprend la les domaines RT et RNase H, et contribue à répondre à la question sur l'existence d'un domaine de connexion les reliant. Nous avons utilisé notre modèle pour analyser les interactions entre le site catalytique de la RT et le ténofovir / We developed HBVdb (http://hbvdb.ibcp.fr) to allow researchers to investigate the geneticcharacteristics and variability of the HBV sequences and viral resistance to treatment. HBVdb contains a collection of computer-annotated sequences based on manually annotated reference genomes. The automatic annotation procedure ensures standardized nomenclature for all HBV entries across the database. HBVdb is accessible through a dedicated website integrating generic and specialized analysis tools (annotation, genotyping, resistance profile detection), and pre- computed datasets. The HBV polymerase is the main target of anti-HBV drugs, nucleos(t)ides analogues (NA), which inhibit the activity of reverse transcriptase (RT), but NA resistance mutations appeared. Nevertheless, another enzymatic domain could be a potential drug target: RNase H domain, linked to RT, and involved in degradation of the RNA during the reverse transcription. To overcome the lack of experimental solved structure, thanks to sequences analysis from HBVdb, we built an homology model of RNase H, which helped to define the features of this type 1 RNase H. Finally, to confirm assumptions from this model and to put it in a more global context, we built an extensive HBV polymerase model, which includes the RT and RNase H domains, and helps to answer the question about the existence of connection domain linking them. We performed analyses on this model, regarding the interactions between the RT catalytic site and the Tenofovir, mapping known resistance mutations and the most variables positions of the HBV polymerase

Sélectionner les animaux qui ont le plus haut niveau de production, en tenant peu compte d’autres caractères, a toujours bien fonctionné dans les conditions d’un environnement favorable (i.e. ration riche en nutriments, faible charge pathogène, thermoneutralité). Toutefois, pour de nombreuses raisons (économiques, climatiques, écologiques), les éleveurs auront sans doute de plus en plus de mal à réunir de telles conditions dans l’environnement de leur troupeau, et pourront même délibérément choisir de ne pas le faire. Sélectionner des animaux qui soient adaptés avec les conditions futures des troupeaux devient donc tout aussi important qu’adapter la conduite du troupeau en fonction des génotypes sélectionnés. Pour mieux identifier les contraintes et les opportunités d'appliquer ces deux options, nous proposons, pour la première fois dans cette thèse, un modèle animal intégrant les effets de la sélection génétique et de la conduite du troupeau. Ce modèle intègre des coefficients d’allocation de la ressource alimentaire entre les fonctions biologiques en tant que caractères héritables Il permet de simuler à court-terme les performances zootechniques et à long-terme les réponses à la sélection résultant de la transmission de ces caractères d’allocation entre générations. Le modèle a été appliqué à la chèvre laitière et se focalise sur la conduite en lactation longue (LL) d’une partie des chèvres du troupeau (conduite consistant à préserver des femelles en lactation ayant après une mise bas sans réengagement d’une nouvelle reproduction). Nous sommes partis du principe que la sélection et la conduite du troupeau influencent tous deux la façon dont chaque animal alloue ses ressources entre ses fonctions biologiques. Nous avons cherché à évaluer la portée de ce principe pour mieux comprendre le développement des interactions génotype-environnement (G x E) sur le long terme. Dans un troupeau soumis à des variations du niveau d'alimentation, différentes stratégies de sélection ciblant l’amélioration de la production laitière et de la longévité ont été simulées. En accord avec la théorie de l’allocation, les réponses à la sélection révèlent que l’amélioration de la production et de la survie doit faire face à un compromis entre ces deux caractères. Cependant, ce compromis est atténué lorsque la sélection est combinée avec la conduite en LL d’une partie du troupeau. Un tel effet de synergie entre sélection et conduite résulte d’une interaction complexe entre la dynamique individuelle de performance au cours de la LL et le renouvellement du troupeau. Ainsi, la capacité innée des chèvres à prolonger leur lactation semble pouvoir être valorisée pour améliorer la résilience du troupeau. / Selecting those animals that have the greatest level of production, with little regard for other traits, has historically worked well in a favorable environment (i.e. nutrient-rich diet, low pathogen load, thermo-neutrality). However, for numerous reasons (economic, climatic, ecological) farmers will find it increasingly difficult, and indeed may actively choose not, to provide such favorable conditions in their herd environment. Selecting animals that match the future herd environments thus becomes as important as managing the herd environment to match the selected genotypes. To better identify constraints and opportunities to apply these two options, we propose, for the first time, in this thesis an animal model integrating the effects of selection and management. This model integrates resource allocation between life-functions resource as heritable traits. It enables simulating short-term performance and long-term selection response resulting from the transmission of allocation traits between generations. The model was applied to the dairy goat and focused on the management of extended lactation (EL) for a part of the herd (management practice based on keeping females in lactation without a new reproductive cycle). Both selection and management were assumed to influence the way every animal allocates its resource between functions. We aimed to assess the significance of this assumption for a better understanding of the development of genotype-environment interactions (G × E) over the long-term. In a herd subject to variations in the feeding level, different selection strategies aiming at improving milk production and longevity were simulated. In agreement with the resource allocation theory, the selection responses show improving production and survival has to face a trade-off between these two traits. However, this trade-off is alleviated when selection is combined with some proportion of EL in the herd. Such a synergistic effect between selection and management results from a complex interaction between the individual dynamic performance during EL and the herd turnover. Thereby, the innate capacity of goats to extend their lactation might be promoted to enhance herd resilience.

La relation qui lie la séquence d'une protéine à sa fonction nous échappe toujours en grande partie, pourtant elle est essentielle à la compréhension de l'évolution moléculaire.La microfluidique permet de remplacer les traditionnels tubes à essais par des micro-gouttelettes afin de tester séparément des mutants d'enzyme à des fréquences de l'ordre du kilohertz. Cette technique fournit un moyen de coupler le génotype et le produit de l'activité enzymatique (phénotype). Sélectionner et récupérer les gouttelettes sur demande et séquencer leur contenu permet d'effectuer la cartographie génotype-phénotype de millions de mutants d'enzymes en une seule expérience.Au cours de cette thèse, j'ai tout d'abord développé un système microfluidique basé sur l'expression de protéines in vitro afin de pouvoir réaliser la cartographie génotype-phénotype de Streptomyces griseus aminopeptidase (SGAP). Des gènes mutants de l'enzyme SGAP sont encapsulés (un par gouttelette au maximum) amplifiés, exprimés et testés contre un substrat fluorogénique. Des incompatibilités entre les étapes d'amplification, d'expression et d'essai enzymatique en gouttelettes obligent à réaliser chacune de ces étapes séparément et successivement, afin de diluer le produit de chaque réaction par l'électro-coalescence des gouttelettes. Je montre qu'un work-flow microfluidique dans lequel (i) les gènes sont encapsulés et amplifiés dans des gouttes de 0.2 pL, (ii) exprimés in vitro, (iii) testés contre un substrat fluorogenique dans des gouttelettes de 20 pL, permet de mesurer l'activité de variants de SGAP avec un contraste important. Afin d'optimiser l'essai enzymatique en gouttelettes de SGAP, j'ai aussi développé, en collaboration avec Dr. Johan Fenneteau (Laboratoire de Chimie Organique, ESPCI Paristech), un nouveau substrat fluorogénique basé sur une rhodamine hydrophile. Cette sonde est caractérisée par un échange limité de la rhodamine entre les gouttelettes.J'ai ensuite développé un work-flow microfluidique in vivo, pour Ratus norvegicus trypsin (la trypsine du rat), dans lequel les capacité de sécrétion de Bacillus subtilis sont utilisées afin de simplifier les expériences. Des cellules uniques de B. subtilis sont encapsulées dans des gouttelettes de 20 pL où elles sécrètent des mutants de la trypsine en protéine de fusion avec un rapporteur permettant de mesurer le niveau d'expression. Les mutants sont testés par électro-coalescence avec des gouttelettes de 2 pL contenant un substrat fluorogénique de la trypsine. En normalisant l'activité totale détectée par la fluorescence du rapporteur du niveau d'expression, l'efficacité catalytique peut être directement mesurée en gouttelettes. C'est la première fois qu'un système expérimental d'essai enzymatique haut-débit fournit l'opportunité de mesurer directement l’efficacité catalytique de mutants d'une enzyme à une fréquence de l'ordre du kilo Hertz. Une méthode afin de réaliser la mutagenèse saturée (tous les simples mutants) du gène de la trypsine du rat a aussi été développée. Combinée au séquençage nouvelle génération, la méthode microfluidique développée permettra de réaliser la première cartographie génotype-phénotype de tous les simples mutants de la trypsine du rat / The question of how sequence encodes proteins' function is essential to understand molecular evolution but still remains elusive.Droplet-based microfluidics allows to use micro-metric droplets as reaction vessels to separately assay enzyme variants at the kHz frequency. It also provides an elegant solution to couple the genotype with the product of the catalytic activity of enzymes. Sorting droplets on demand and sequencing their content enables to map the genotype of millions of enzyme variants to their phenotype in a single experiment.First, I developed a cell-free microfluidic work-flow to carry out genotype-phenotype mapping of Streptomyces griseus aminopeptidase (SGAP). Single enzyme variant genes are encapsulated and amplified in droplets, expressed, and assayed against a fluorogenic substrate. Incompatibilities between gene amplification, expression and assay reactions, constrain to execute each one of those steps successively and to dilute the product of each reaction by droplet electro-coalescence. I show that a work-flow in which (i) genes are encapsulated and amplified into 0.2 pL droplets, (ii) expressed using cell-free expression reagents in 2 pL droplets and (iii) assayed with a fluorogenic substrate in 20 pL droplets, allows to measure SGAP variants activity with high contrast. To optimize the SGAP droplet assay, I also developed in collaboration with Dr. Johan Fenneteau (Laboratory of Organic Chemistry, ESPCI Paristech), a hydrophilic rhodamine based substrate, characterized by limited exchange of the released fluorophore between droplets.Second, I developed an in vivo microfluidic work-flow on Ratus norvegicus trypsin (rat trypsin), in which Bacillus subtilis secretion abilities are used to simplify the microfluidic work-flow. Single B. subtilis cells are encapsulated in 20 pL droplets where they secrete trypsin variants as fusion proteins with a fluorescent expression-level reporter. The variants are assayed by droplet electro-coalescence with 2 pL droplets containing a trypsin fluorogenic substrate. Trypsin variants catalytic efficiency can be directly measured in droplets, by normalizing the total trypsin activity by the expression-level reporter fluorescence. This is the first time a high-throughput protein assay work-flow gives the opportunity to directly measure the catalytic efficiency of enzyme variants at the kHz frequency. A method to carry out saturated mutagenesis on the rat trypsin gene was also developed. Together with deep sequencing, the developed experimental work-flow will allow to perform the first quantitative genotype-phenotype mapping of all single point mutants of the rat trypsin protein

Malgré les progrès réalisés dans le séquençage de l’ADN, nous n’avons pas encore compris comment le phénotype d’un organisme se rapporte au contenu de son génome. Cependant, il est devenu clair que l'impact des gènes dépend du contexte. La simple présence d'un gène dans un génome ne nous informe pas du moment où il est exprimé et des autres gènes qui y sont exprimés. Comprendre comment l'expression des gènes est régulée est un élément nécessaire pour comprendre comment les phénotypes émergent d'un génotype donné. Les facteurs de transcription, qui peuvent activer ou réprimer l'expression d'un gène, forment un réseau complexe d'interactions entre eux et leurs gènes ciblés. Ce réseau consiste en une hiérarchie de groupes de facteurs de transcription fortement liés, chacun lié à des processus cellulaires distincts. La structure de ce réseau de régulation transcriptionnelle est-elle significative pour la réponse transcriptionnelle d'une cellule? Ici, nous utilisons une protéine de liaison à l'ADN programmable appelée CRISPR (répétitions courtes palindromiques groupées régulièrement) pour perturber l'expression génique des régulateurs globaux au sein du réseau de régulation transcriptionnelle. Ces régulateurs mondiaux régulent de nombreux processus cellulaires distincts et ont de nombreuses cibles génétiques. Le système CRISPR nous permet de perturber ces régulateurs dans toutes les combinaisons possibles, y compris les perturbations d'ordre supérieur avec tous les régulateurs mondiaux potentiellement ciblés perturbés en même temps. Nous enregistrons ensuite à la fois le modèle d'expression du transciptome en utilisant le séquençage de l'ARN et l'adéquation de chaque souche. Nous trouvons que la structure du réseau de régulation augmente la dimensionnalité de la réponse transcriptionnelle plutôt que de la réduire. Cela se traduit par une épistasie importante au-delà des interactions par paires. Cela a des implications sur la façon dont ces réseaux évoluent. L'épistasie par paires que nous trouvons entre les facteurs de transcription globaux repose sur la présence ou l'absence d'autres perturbations. Cela implique que d'autres perturbations pourraient agir comme des mutations de potentialisation. Le nombre de voies d'évolution potentielles augmente avec les épistasies d'ordre élevé, même si cela ne nous dit rien sur la qualité de ces voies. Fait important, les répliques de cette thèse sont toujours en cours et les données présentées ici n’ont pas encore exclu les artefacts expérimentaux. / Despite advances in DNA sequencing, we have yet to understand how an organism’s phenotype relates to the contents of their genome. However it has become clear that the impact of genes are context dependant. The mere presence of a gene within a genome does not inform us of when it is expressed, and which other genes are expressed along with it. Understanding how gene expression is regulated is a necessary piece of understanding how phenotypes emerge from a given genotype. Transcription factors, which can activate or repress the expression of a gene, form a complex network of interactions between themselves and their targeted genes. This network consists of a hierarchy of groups of strongly connected transcription factors, each relating to distinct cellular processes. Is the structure of this transcriptional regulatory network significant to the transcriptional response of a cell? Here we use a programmable DNA binding protein called CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) to perturb gene expression of global regulators within the transcriptional regulatory network. These global regulators are regulating many distinct cellular processes and have many genetic targets. The CRISPR system allows us to perturb these regulators in all possible combinations, including higher order perturbations with potentially all targeted global regulators perturbed at the same time. We then record both the expression pattern of the transciptome using RNA sequencing, and the fitness of each strain. We find that the structure of the regulatory network increases the dimensionality of the transcriptional response rather than reducing it. This results in significant high order epistasis beyond pair-wise interactions. This has implications for how these networks evolve. The pair-wise epistasis we find between global transcription factors rely on the presence or absence of other perturbations. This implies that other perturbations could act as potentiating mutations. The number of potential evolutionary paths increases with high order epistasis, although this alone tells us nothing about the quality of those paths. Importantly, the replicates for this thesis are still on-going and the data presented here has not yet excluded experimental artefacts.

L’objectif de ces travaux de thèse a été de contribuer à la compréhension de la physiopathologie des infections sur matériel ostéo-articulaire (IMOA) à C. acnes. Dans un premier temps, nous avons typé par MLST 108 isolats de C. acnes responsables de 34 cas d’IMOAs monomicrobiennes et corrélé les résultats de typage aux données clinico-biologiques. Nous avons ainsi montré que les IMOAs à C. acnes correspondent à 2 entités cliniques : i) les cas « homotypiques » qui sont des vraies infections dues à un clone de C. acnes responsable d’une réponse inflammatoire de l’hôte ii) les cas hétérotypiques qui sont une colonisation ou contamination itérative du matériel ostéo-articulaire en l’absence de réponse inflammatoire de l’hôte. Ces données de typage ont souligné les limites de la définition microbiologique actuelle d’une IMOA quand il s’agit de C. acnes et la nécessité d’intégrer un outil moléculaire fiable dans le diagnostic microbiologique de routine de ces infections. Nous avons par conséquent évalué la technique SLST développée pour un typage rapide et optimal de C. acnes en routine. Le pouvoir discriminant de cette technique était insuffisant suggérant que seule la mise en place du NGS en temps réel dans les laboratoires de microbiologie pourrait répondre au besoin de typage moléculaire pour améliorer le diagnostic microbiologique de ces infections.Nos résultats de typage ont montré que la clonalité de l’infection plutôt que le complexe clonal (CC) est le principal facteur déterminant du processus physiopathologique et inflammatoire de l’IMOA à C. acnes. Cette conclusion est concordante avec les résultats que nous avons obtenus dans un modèle in vitro d’infection de macrophages THP-1 par C. acnes. Grâce à ce modèle, nous avons pu montrer que la réponse inflammatoire in vitro de nos isolats est souche –et non CC– dépendante. De plus, les réponses inflammatoires in vitro et in vivo n’étaient pas corrélées. Ceci souligne les limites des modèles in vitro dans l’étude de la physiopathologie des IMOAs à C. acnes dans lesquels l’adaptation de la bactérie à l’hôte est complètement négligée lors de l’étude de la réponse immune. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons confirmé l’importance de l’environnement dans le conditionnement du comportement de la bactérie. Nous avons mené une étude comparative des caractéristiques culturales ex vivo et ex vitro de nos isolats de C. acnes. Nous avons montré l’impact du CC et des conditions environnementales, par extension la pression que peut exercer l’hôte, sur le profil cultural de C. acnes. En conclusion, nos travaux montrent qu’une approche multifactorielle, intégrant à la fois la génomique et la réponse de l’hôte, est nécessaire pour comprendre la physiopathologie des IMOAs à C. acnes. / The aim of this thesis was to contribute to the understanding of the physiopathology of C. acnes orthopedic-device related infections (ODRI). Firstly, we typed by MLST 108 C. acnes isolates responsible for 34 cases of monomicrobial ODRIs and correlated typing results with bio-clinical data. We have shown that C. acnes ODRIs correspond to two clinical entities: i) "homotypic" cases corresponding to true infections with a single pathogenic clone of C. acnes eliciting an inflammatory response ii) heterotypic cases corresponding to colonization or iterative contamination of the implant without systemic inflammatory response. These typing data highlighted the limitations of the current microbiological definition of ODRI when it comes to C. acnes and the need to incorporate a reliable molecular tool into the routine microbiological diagnosis of these infections. We therefore evaluated the SLST technique developed for a rapid and optimal typing of C. acnes. The discriminating power of this technique was insufficient suggesting that only the establishment of real-time NGS in microbiology laboratories could improve the microbiological diagnosis. Our typing results showed that the clonal status of the infection and not CC is the main determining factor in the physiopathological and inflammatory process of C. acnes ODRI. This conclusion is consistent with our results obtained on an in vitro model of a macrophage THP-1 infection. Using this model, we have shown that the in vitro inflammatory response of our isolates is strain- and non-CC-dependent. In addition, the in vitro and in vivo inflammatory responses were not correlated. This underscores the limitations of in vitro models in the study of C. acnes ODRIs in which the adaptation of the bacteria to the host is completely neglected during the study of the immune response. Finally, we confirmed the importance of the environment in the conditioning of the behavior of the bacterium. We conducted a comparative study of the ex vivo and ex vitro growth characteristics of our C.acnes isolates. We have shown the impact of CC and environmental conditions, by extension the pressure that can exert the host, on the cultural profile of C. acnes. In conclusion, our work shows that a multifactorial approach, integrating both genomics and host response, is needed to understand the physiopathology of C. acnes ODRI.