Les carbapénèmes sont des antibiotiques de la famille des β-lactamines utilisées en dernier recours à cause de leur stabilité vis-à-vis de la plupart des mécanismes de résistance. Cependant, on assiste chez les entérobactéries à l’émergence de carbapénèmases capables d’inactiver ces molécules. Les objectives de ce travail étaient d’explorer l’émergence de ces mécanismes de résistance dans des entérobactéries isolées au Nord Liban entre 2008 et 2012, d’analyser leur support génétique, ainsi que le fond génétique et la pathogénicité des souches porteuses. Nous avons observé une augmentation d’un facteur quatre de la prévalence des entérobactéries de sensibilité diminuée ou résistantes aux carbapénèmes dans les prélèvements cliniques hospitaliers entre 2008 et 2012. Un portage intestinal a été également observé chez 1,5% des individus dans une population d’enfants issus de la communauté. Le phénotype de résistance observé était lié à la production de la carbapénèmase OXA-48. Bien que sept espèces productrices ont été identifiées, la plupart des isolats étaient des souches non-redondantes appartenant aux espèces K. pneumoniae et surtout E. coli. Le vecteur de la diffusion de OXA-48 dans ces bactéries était trois plasmides du groupe d’incompatibilité IncL/M de 49 kb, 63 kb et 84 kb. Cependant, 67% des souches E. coli portaient le gène codant OXA-48 (blaOXA-48) sur le chromosome. La caractérisation des supports génétiques par des approches de séquençage à haut débit a montré qu’ils étaient apparentés et le produit de remaniements génétiques impliquant le transposon Tn21-like, la séquence d'insertion IS1R ou un nouveau transposon composite appelé Tn6237. L’insertion chromosomique de blaOXA-48 résultait de la transposition de Tn6237 qui est capable de transférer un fragment plasmidique de 20 kb dans différents sites du chromosome de E. coli. Les souches K. pneumoniae produisant OXA-48 n’appartenaient pas aux génotypes capsulaires hautement virulents K1 et K2, mais portaient des facteurs identifiées pour favoriser la virulence ou la colonisation de l’hôte. OXA-48 a été observée dans tous les phylogroupes de E. coli, y compris les phylogroupes B2 et D connus pour contenir les souches pathogènes extra-intestinales. Une souche se distinguait par une accumulation sans précédent de huit îlots de pathogénicité. Cette souche induisait une létalité inhabituellement élevée dans un modèle murin de sepsis. En conclusion, l’acquisition du gène blaOXA-48 est donc liée à la diffusion de plasmides apparentés, qui sont marqués par une plasticité conduisant à une localisation chromosomique du gène pouvant favoriser sa persistance. Elle conduit à une diffusion multi-clonale de souches K. pneumoniae et surtout E. coli potentiellement hautement virulentes. Cette association entre de l’espèce E. coli et la carbapénèmase OXA-48 est inquiétante, car E. coli constitue à la fois un réservoir dont la taille peut être considérable et un pathogène responsable d’infections fréquentes pouvant parfois mettre en jeu le pronostic vital. / In the β-lactam family, carbapenems are the most effective antimicrobial agents used as a last resort due to their stability toward most resistance mechanisms. However, we recently observed the emergence of carbapenemase-producing Enterobacteriaceae. The aim of the present study consisted to explore (i) the epidemiological situation of carbapenem-resistant Enterobacteriaceae isolated in North Lebanon between 2008 and 2012, (ii) the identification of the resistance mechanisms, and (iii) the characterization of pathogenicity and genetic background of the corresponding strains. We observed a 4-fold increase in the prevalence of Enterobacteriaceae exhibiting decreased susceptibility or resistance to carbapenems in the clinical isolates collected at hospital during 2008-2012. The prevalence of fecal carriage of carbapenemase-producing Enterobacteriaceae was estimated to 1.5% in healthy children of the community. OXA-48 was the only carbapenemase identified among non-redundant isolates which spread to seven species. E. coli and K. pneumoniae were the main represented species. The OXA-48-encoding gene (blaOXA-48) was carried by three novel IncL/M plasmids of 49 kb, 63 kb and 84 kb. However, 67% of E. coli strains encoded blaOXA-48 chromosome-mediated. The sequencing of the previously mentioned genetic structures by high -throughput approaches showed that they are the product of genetic rearrangements involving the Tn21-like transposon, the insertion sequence IS1R and a novel composite transposon designed Tn6237. The chromosomal insertion of blaOXA-48 was due to the acquisition of element Tn6237 leading consequently to the transposition of 20 kb plasmid fragment into different sites of E. coli chromosome. The pathogenicity profile of K. pneumoniae strains showed that they did not belong to highly virulent capsular genotypes K1 and K2, but harbored factors promoting virulence and host colonization. E. coli isolates belonged to different phylogroups, including phylogroups B2 and D known to contain the extra-intestinal pathogenic strains. An E. coli strain was characterized by a broad accumulation of pathogenicity islands (n=8). In addition, this strain induced an unusually high lethality in a mouse model of sepsis. In conclusion, the acquisition of the blaOXA-48 gene is linked to the spread of related IncL/M plasmids, which are marked by a plasticity leading to a chromosomal location of blaOXA-48 and probably promoting its persistence. It leads to a multiclonal diffusion of K. pneumoniae and especially E. coli potentially highly virulent. This association between E. coli and the carbapenemase OXA-48 is worrying because E. coli represent a putative important reservoir and a pathogen agent responsible for frequent infections that can be a life threatening.

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La qualité microbiologique des produits alimentaires est primordiale, que ce soit pour la salubrité ou l'innocuité alimentaire ou la consistance de ceux-ci. Dans le cas des produits laitiers comme le fromage cheddar, il est important de s'intéresser au microbiote du lait cru et principalement aux bactéries lactiques (LAB) résistantes au traitement thermique appliqué au lait. Ces LAB font partie de la flore secondaire du fromage et sont parfois responsables de défauts organoleptiques. Comme le microbiote du lait cru est modulé par l'environnement de la ferme, il est tout indiqué d'évaluer l'impact de différentes pratiques de gestion à la ferme susceptibles d'influencer le niveau de LAB dans le lait. Cette thèse s'est intéressée premièrement à l'ensilage, des plantes fourragères fermentées en anaérobie par des LAB et l'impact de son inoculation avec Lactobacillus buchneri. Un total de 24 fermes utilisant différents fourrages (foin, ensilages inoculés ou non de graminées, de légumineuse ou de maïs) a été échantillonné à deux reprises (automne 2015 et printemps 2016). Nos résultats indiquent que l'ensilage constitue pour le lait cru une source mineure de contamination en LAB, car le typage des isolats a montré un taux de transfert des souches de 6%. De plus, Lactobacillus buchneri, très présent dans tout type d'ensilages (42%) et utilisé comme inoculant, a été rarement isolé dans les laits. Par ailleurs, une souche de Lactobacillus plantarum RKG 2-212 collectée dans le lait et qui provenait de l'ensilage de maïs a démontré une résistance à la chaleur significativement supérieure à la souche de référence L. plantarum ATCC 14917 (P < 0.0001). Son impact lors de la fabrication et l'affinage du cheddar a été évalué et comparé à une autre souche thermorésistante, Lactobacillus delbrueckii RKG R10. Bien que n'influençant pas l'acidification du lait lors de la production modèle d'un cheddar, L. plantarum RKG 2-212 a eu un effet sur l'affinage. Après 12 jours à 30 °C, l'augmentation de sa population a diminué significativement le pH de la pâte. De plus, des changements dans les composés volatils ont été observés dont certains correspondent à des flaveurs impropres au cheddar. La deuxième pratique à la ferme qui a été évaluée est l'utilisation de la litière de fumier recyclé (LFR) qui gagne en popularité. En raison de la charge bactérienne élevée du fumier et du procédé de fabrication de cette litière, il semble probable qu'elle soit une source de contamination en LAB thermorésistantes pour le lait. Des laits provenant de 84 fermes utilisant la LFR ou la paille ont été analysés au printemps 2018. Cette étude a démontré que l'abondance des spores de bactéries d'altération n'était pas supérieure dans les laits associés à la LFR. Cependant, les Streptococcus sp. et les Enterococcus faecalis thermorésistants étaient plus prévalents dans les échantillons de lait associés à la LFR. Parmi ceux-ci, trois E. faecalis et un Streptococcus thermophilus ont démontré une excellente survie durant la production expérimentale de cheddar (test de Pearce). Ces derniers pourraient avoir des effets néfastes lors de l'affinage. En conclusion, des pratiques de gestion à la ferme comme l'utilisation de l'ensilage et la LFR peuvent moduler les LAB du lait et il est possible que les bactéries thermorésistantes influencent négativement la production fromagère. Les producteurs et transformateurs laitiers devraient considérer l'impact de l'utilisation de la LFR et de l'ensilage sur les bactéries thermorésistantes du lait afin de développer des stratégies pour les minimiser. / The microbiological quality of food is essential, whether for food safety or for the product consistency. For dairy products, including cheddar cheese, the focus should be on milk microbiota and mainly on lactic acid bacteria (LAB) resistant to the heat treatment applied to milk. These LAB in cheese are called non-starter lactic acid bacteria and they are sometimes responsible for organoleptic defects. As the raw milk microbiota is modulated by the farm environment, the impact of different farm management practices that may influence the presence of LAB in milk should be assessed. This thesis firstly focused on silage, forage plant anaerobically fermented with LAB and the impact of its inoculation with Lactobacillus buchneri. A total of 24 farms using different forages (hay, grasses, legumes or corn silage inoculated or not) were sampled twice (fall 2015 and spring 2016). Silage has been shown to be a minor source of LAB contamination for milk. The typing of isolates indicated a 6% transfer rate of the strains. Also, Lactobacillus buchneri, which is often present in all types of silage (42%) and used as an inoculant, has been rarely isolated from milk. A strain of Lactobacillus plantarum RKG 2-212 collected in milk and which came from corn silage demonstrated a thermoresistance significantly higher than the reference strain L. plantarum ATCC 14917 (P < 0.0001). Its impact during the production and ripening of cheddar was evaluated and compared with another thermoresistant strain, Lactobacillus delbrueckii RKG R10. Although it did not influence the acidification of milk in the model production of a cheddar, L. plantarum RKG 2-212 impacted ripening. After 12 days at 30°C, the increase in its population significantly decreased the pH of the curd. Moreover, changes in volatile compounds have been observed, some of which correspond to unsuitable flavor. The second farm management practice that has been evaluated is the recycled manure solids bedding (RMS) which is gaining popularity. Due to the high bacterial load of the manure and the manufacturing process of this litter, it seems likely that it is a source of thermoresistant LAB for milk. Milk samples from 84 farms using RMS or straw bedding were analyzed in spring 2018. This study demonstrated that the spores of spoilage bacteria were not higher in RMS-milk samples. However, Streptococcus sp. and Enterococcus faecalis were more prevalent in RMS-milk samples. Of these, three E. faecalis and one Streptococcus thermophilus demonstrated excellent survival during experimental cheddar production (Pearce activity test). These could cause defects during cheese ripening. In conclusion, farm management practices such as the use of silage and RMS can modulate LAB in milk and may have a negative impact on cheese production. Dairy farmers and processors should consider the impact of RMS and silage on thermoresistant bacteria in milk in order to develop strategies to minimize them.

Le rôle de la génétique est reconnu en tant que facteur de développement de la parodontite et pourrait expliquer certaines disparités dans la prévalence au sein des populations. Étant une maladie inflammatoire, la parodontite implique des voies de signalisation, dont celle de TLR4/MyD88, menant à la production de cytokines et ultimement à la destruction parodontale. Cette étude s'est penchée sur l'association entre les variations génétiques de la voie de signalisation TLR4/MyD88 et le développement de la parodontite chez une population d'origine québécoise. Un total de 146 participants dont 58 avec parodontite et 88 sans parodontite ont été inclus. Les participants ne devaient pas avoir reçu de traitement parodontal préalablement et ne devaient pas présenter de maladies systémiques contribuant au développement de la maladie. Trois mL de salive étaient récoltés initialement pour les 2 groupes, ainsi que 3 mL après la thérapie initiale pour le groupe avec parodontite. L'ADN était extrait des échantillons pour génotypage. Une quantification de TNF-α était réalisée. Nos résultats ne montrent pas de différence significative dans la distribution des polymorphismes génétiques de la voie de signalisation de TLR4/MyD88 et leur association avec le développement de la parodontite. En comparant spécifiquement les participants < 52 ans et ceux ≥ 52 ans, le génotype C en position rs5030416 (TRAF6) chez les plus jeunes (C : OR = 3,0 (95% CI : 8,944-1,006) ; ρ = 0,0341) et le génotype A en position rs5030472 (TRAF6) chez les plus vieux (A : OR = 4,83 (95% CI : 22,464-1,040) ; ρ = 0,0431) ont montré une susceptibilité accrue à la parodontite. Chez les femmes, une association significative entre le polymorphisme de rs8177374 (MyD88) et le développement de la maladie a été observée (AG : OR = 2,8333 (95% CI : 8,087-0,993) ; ρ = 0,0335). Du côté des hommes, cette association avec rs8177374 était tout aussi significative, mais inversée (AG : OR = 0,2614 (95% CI : 0,761-0,0898) ; ρ = 0,0146). Les concentrations de TNF-α ont également révélés une différence significative, avec une plus grande réduction post-thérapie pour les participants exprimant le génotype CT en position rs2770150 (TLR4) (ρ = 0,049). Certains génotypes de la voie de signalisation de TLR4/MyD88 semblent donc moduler la prévalence de la maladie et l'expression cytokinique salivaire post-thérapie. Le nombre limité de participants doit être considéré dans l'interprétation de ces résultats.

Le syndrome métabolique est un amalgame de facteurs de risque cardiovasculaire souvent associés à un déséquilibre du profil lipidique incluant une hypertriglycéridémie (hyperTG) et une hyperapobêtalipoprotéinémie (hyperapoB). Plusieurs données pointent les mutations indépendantes dans les gènes de la lipoprotéine lipase (LPL) et de l'apolipoprotéine E (apoE) pour expliquer les anomalies des concentrations plasmatiques des triglycérides ou de l'apolipoprotéine B (apoB). La contribution combinée de ces mutations a cependant été très peu explorée jusqu'à maintenant. Les hypothèses du présent projet partent de la prémisse que ces génotypes pourraient avoir un effet combiné athérogène sur le phénotype du syndrome métabolique et ainsi aggraver le risque cardiovasculaire. Le but du présent travail était donc de mieux comprendre l'influence des génotypes combinés de la LPL et de l'apoE sur l'expression de l'hyperTG et de l'hyperapoB puisque ces deux phénotypes sont intimement liés au syndrome métabolique et donc au risque de développer des maladies cardiovasculaires. Nos résultats ont permis de montrer que le génotype combiné LPL/apoE influence de façon significative le risque d'exprimer le phénotype hyperTG/hyperapoB et ce, plus particulièrement lorsque l'allèle e4 est présent. Par conséquent, en raison de l'implication du phenotype hyperTG/hyperapoB sur le risque cardiovasculaire et des complications associées à l'expression du syndrome métabolique, l'identification de mutations fréquentes comme celles-ci peut être utile et pourrait se traduire en avenues prometteuses pour le développement de nouveaux outils thérapeutiques ou de stratégies préventives.

Afin de veiller à la sécurité des patients lors de transfusions sanguines, les banques de sang doivent tester les donneurs et les receveurs afin de s’assurer de la compatibilité du sang. Les méthodes de génotypage sanguin utilisées à l’heure actuelle sont complexes et fastidieuses ne permettant pas la caractérisation complète de tous les dons de sangs. Ce projet vise le développement de nouvelles stratégies de génotypage sanguin à l'aide de nanoparticules composites super luminescentes. Ce type de biocapteur pourrait être utilisé afin de faciliter ces opérations en offrant une méthode qui permettrait d’éviter l’étape d’amplification enzymatique qui limite la cadence des analyses. Ce faisant, elle serait beaucoup plus rapide et moins coûteuse que les méthodes traditionnelles. Dans ce mémoire, les différentes étapes de la synthèse de nanoparticules cœur-coquille fluorescentes, la fonctionnalisation de surface ainsi que la caractérisation des performances analytiques du système développé seront abordées. Les nanoparticules utilisées sont formées d'un cœur d'argent afin d'exploiter leurs propriétés plasmoniques. Elles sont ensuite recouvertes d'une couche de silice qui permet de rehausser la stabilité de la suspension colloïdale et qui peut être dopée avec des fluorophores. Par la suite, des brins d’ADN sonde sont greffés à la surface des nanoparticules afin de capturer spécifiquement les cibles d’ADN complémentaires, une tâche qui sera facilitée par la surface de silice des nanoparticules qui donne accès à plusieurs stratégies de fonctionnalisation utilisant la chimie des silanes. Pour terminer, un polymère transducteur est couplé à la sonde d’ADN et permet la reconnaissance de la réaction d’hybridation par un mécanisme de transfert d’énergie résonant (FRET, «Förster Resonant Energy Transfer»). / To ensure patient safety during blood transfusions, blood banks must test donors and receivers to ensure the compatibility of blood. Blood genotyping methods used presently are complex and fastidious and do not allow the complete characterization of all donated blood. This project involves the development of new strategies for blood genotyping using super luminescent composites nanoparticles. Such biosensors could be used to facilitate these operations by providing a method that would avoid the enzymatic amplification step which limits the analysis throughput. In doing so, it would be much faster and cheaper than traditional methods. In this master's essay, the synthesis of core-shell fluorescent nanoparticles, surface functionalization and characterization of the colloids will be presented. Also, the analytical performance of the system developed will be discussed. The nanoparticles are made of a silver core in order to exploit their plasmonic properties. Thereafter, they are covered with a silica layer doped with fluorophores by using a modified Stöber method in order to be stable and fluorescent. Subsequently, DNA single stranded probes are grafted to the surface of these nanoparticles to specifically capture the complementary DNA targets, a task that will be facilitated by the silica surface which provides access to a range of functionalization strategies using silane chemistry. Finally, a polymer transducer is complexed to the DNA probe and allows recognition of hybridization by Förster Resonant Energy Transfer (FRET).

Les cartes génétiques dérivées de l’étude d’une seule population de cartographie souffrent typiquement de plusieurs lacunes dont une couverture incomplète du génome et une résolution limitée. Une carte génétique consensus est une carte issue de la fusion de multiples cartes génétiques individuelles et permet de remédier à ces lacunes. Cette étude avait pour objectif de construire une carte génétique consensus à haute densité pour le soja (Glycine max (L.) Merr.) canadien au moyen de marqueurs obtenus par génotypage par séquençage (GBS). Six populations biparentales, dont l’effectif variait entre 278 et 365 lignées, ont été génotypées par GBS. Dans un premier temps, nous avons généré une carte génétique pour chaque population. Les tailles de ces cartes variaient entre 1869,3 cM et 2286,7 cM. Au total, quatre-vingt-trois (83) intervalles non-couverts ayant une taille > 10 cM (le maximum étant de 34,8 cM) ont été recensés. Ensuite, les six (6) cartes génétiques individuelles ont été fusionnées pour produire une carte consensus couvrant 99,5 % du génome, totalisant 16 311 SNP, s’étendant sur 2075,2 cM et comptant seulement deux intervalles dépourvus de marqueurs dont la taille excédait 10 cM. Cette carte consensus a ainsi pu remédier aux carences des cartes individuelles. Elle est considérée de meilleure qualité comparée aux cartes consensus précédentes, y compris la plus récente issue de 40 populations NAM (Nested Association Mapping ). En effet, cette dernière recèle encore 36 intervalles non couverts de > 10 cM et couvre une moins grande portion du génome. Finalement, la carte consensus GBS présente une meilleure cohérence entre la position physique et la position génétique des marqueurs. Grâce à cette carte consensus, nous avons pour chaque marqueur SNP dérivé du GBS une position à la fois sur la carte physique et sur la carte génétique, une information utile pour de nombreuses analyses génétiques et génomiques. / Genetic linkage maps using only one mapping population are described as maps with low resolution. These maps typically retain gaps, i.e. regions that are not covered by any markers. Consensus genetic maps were developed to overcome such limitations. They are generated by merging individual maps and using the common markers as reference points. The aim of this study was to generate a high-density consensus map for Canadian soybean using markers generated by genotyping by sequencing (GBS). Six mapping populations of varying size (n = 278 to 365) were genotyped using GBS. In a first step, we generated individual genetic maps. The size of the resulting maps varied between 1869.3 cM and 2286.7 cM and a total of 83 gaps with a size > 10 cM (the largest gap size was 34.8 cM) were observed across the six maps. In a second stage, we merged the six individual genetic maps to generate a single consensus map. On this map, 16,311 SNPs were assigned a position and these markers covered 99.5% of the genome. The map extends over 2075.2 cM and the number of gaps > 10 cM was reduced to only two. This map therefore overcame the limitations of the individual genetic maps and is superior to the previous consensus genetic maps such as the consensus genetic map generated from 40 nested association mapping (NAM) populations. The NAM map contains 36 gaps with a size > 10 cM and covers a smaller portion of the genome. In addition, the order of markers was much more concordant in the GBS map, when comparing the genetic and the physical positions. Thanks to this consensus map, we were able to assign both a physical and a genetic position for every SNP generated using GBS. These two types of information are important for many genetic and genomic studies.

La validité analytique et clinique des analyses de diagnostic moléculaire est régulièrement remise en doute. Parmi les modalités d’analyse d’acides nucléiques les plus répandues en laboratoire clinique, le génotypage par PCR allèle-spécifique et le séquençage massivement parallèle pour la détection prénatale non-invasive d’aneuploïdies (DPNI) représentent deux des applications les plus importantes en termes de volume. La perte allélique (« allele drop-out »), d’une part, ainsi que l’identification des variables déterminant la performance diagnostique, la disponibilité de matériel de référence et l’estimation de la fraction d’ADN fœtal, d’autre part, sont autant d’enjeux de validité analytique et clinique dont l’impact et la prise en compte dans la translation clinique demeurent à évaluer pour chacune de ces applications respectivement. Des cas représentatifs de ces deux applications furent donc sélectionnés afin d’étudier certains aspects pertinents à chacun de ces enjeux. En accord avec les doutes soulevés par plusieurs auteurs, des lacunes de validité analytique et clinique furent notées pour tous les aspects examinés. En particulier, la plupart des erreurs diagnostiques causées par les événements de perte allélique étaient dues à des phénomènes stochastiques ne pouvant être prévenus par un design d’amorces méticuleux, et les niveaux de précision de la PCR limitent la validité analytique et clinique de la DPNI par séquençage, bien que ce paramètre ne soit pas toujours quantifié et rapporté de façon rigoureuse dans la littérature. Malgré des impacts cliniques potentiels relativement faibles lorsqu’évalués au niveau populationnel, des impacts significatifs peuvent néanmoins affecter les patients au niveau individuel. Des solutions sont disponibles afin de corriger certaines des lacunes identifiées, alors que d’autres posent des défis plus importants. Les causes possibles de ces lacunes de validité affectant le domaine du diagnostic moléculaire sont en partie communes aux causes impliquées dans le problème de reproductibilité des résultats scientifiques en général et en partie le résultat de la complexité technique, relative nouveauté et de la nature historiquement qualitative des méthodes de génétique moléculaire. Une intégration des standards cliniques en amont du processus de découverte pourrait contribuer à améliorer la validité analytique et clinique des tests de diagnostic moléculaire et iii possiblement augmenter le rendement translationnel de la recherche vers la clinique. / The analytical and clinical validity of molecular diagnostic assays are regularly questioned. Among the most commonly used nuclei acid analysis modalities in clinical laboratories, genotyping by allele-specific PCR and non-invasive prenatal aneuploidy testing (NIPT) by massively parallel sequencing, represent two of the most important applications in terms of volume. Allele drop-out on the one hand, as well as identification of variables determining diagnostic performances, reference material availability and fetal fraction estimation on the other, are all examples of analytical and clinical validity issues for which both the impact, and how well they are taken into account, remain to be evaluated for each of these applications respectively. Representative cases of both applications were therefore selected in order to study certain aspects relevant to each of these issues. In accordance with the doubts raised by several authors, lack of analytical and clinical validity was noted for all aspects examined. In particular, most diagnostic errors caused by allele dropout events were due to stochastic phenomena that cannot be prevented by careful primer design, and PCR precision levels were a limiting factor for analytical and clinical validity of NIPT assays, even though this parameter is seldomly adequately quantified and reported in the literature. Although potential clinical impacts were likely modest at the population level, at the individual level, some of the impacts may nevertheless be significant. Solutions to correct some of these problems are available, while others raise more difficult challenges. The possible causes of this lack of validity affecting molecular diagnostics are partly shared with the general problem of lack of repeatability of scientific results and are partly the result of the technical complexity, relative novelty, and the historically qualitative nature of molecular genetic methods. Integrating clinical standards upstream of the discovery process could contribute to improve analytical and clinical validity of molecular diagnostic tests and possibly to increase “bench-to-bedside” translational yield.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / La compréhension du lien entre les caractéristiques génomiques d’un individu, le génotype, et son état biologique, le phénotype, est un élément essentiel au développement d’une médecine personnalisée où les traitements sont adaptés à chacun. Elle permet notamment d’anticiper des maladies, d’estimer la réponse à des traitements et même d’identifier de nouvelles cibles pharmaceutiques. L’apprentissage automatique est une science visant à développer des algorithmes capables d’apprendre à partir d’exemples. Ces algorithmes peuvent être utilisés pour produire des modèles qui estiment des phénotypes à partir de génotypes, lesquels peuvent ensuite être étudiés pour élucider les mécanismes biologiques sous-jacents aux phénotypes. Toutefois, l’utilisation d’algorithmes d’apprentissage dans ce contexte pose d’importants défis algorithmiques et théoriques. La haute dimensionnalité des données génomiques et la petite taille des échantillons de données peuvent mener au surapprentissage; le volume des données requiert des algorithmes adaptés qui limitent leur utilisation des ressources computationnelles; et finalement, les modèles obtenus doivent pouvoir être interprétés par des experts du domaine, ce qui n’est pas toujours possible. Cette thèse présente des algorithmes d’apprentissage produisant des modèles interprétables pour la prédiction de phénotypes à partir de génotypes. En premier lieu, nous explorons la prédiction de phénotypes discrets à l’aide d’algorithmes à base de règles. Nous proposons de nouvelles implémentations hautement optimisées et des garanties de généralisation adaptées aux données génomiques. En second lieu, nous nous intéressons à un problème plus théorique, soit la régression par intervalles, et nous proposons deux nouveaux algorithmes d’apprentissage, dont un à base de règles. Finalement, nous montrons que ce type de régression peut être utilisé pour prédire des phénotypes continus et que ceci mène à des modèles plus précis que ceux des méthodes conventionnelles en présence de données censurées ou bruitées. Le thème applicatif de cette thèse est la prédiction de la résistance aux antibiotiques, un problème de santé publique d’envergure mondiale. Nous démontrons que nos algorithmes peuvent servir à prédire, de façon très précise, des phénotypes de résistance, tout en contribuant à en améliorer la compréhension. Ultimement, nos algorithmes pourront servir au développement d’outils permettant une meilleure utilisation des antibiotiques et un meilleur suivi épidémiologique, un élément clé de la solution à ce problème. / A thorough understanding of the relationship between the genomic characteristics of an individual (the genotype) and its biological state (the phenotype) is essential to personalized medicine, where treatments are tailored to each individual. This notably allows to anticipate diseases, estimate response to treatments, and even identify new pharmaceutical targets. Machine learning is a science that aims to develop algorithms that learn from examples. Such algorithms can be used to learn models that estimate phenotypes based on genotypes, which can then be studied to elucidate the biological mechanisms that underlie the phenotypes. Nonetheless, the application of machine learning in this context poses significant algorithmic and theoretical challenges. The high dimensionality of genomic data and the small size of data samples can lead to overfitting; the large volume of genomic data requires adapted algorithms that limit their use of computational resources; and importantly, the learned models must be interpretable by domain experts, which is not always possible. This thesis presents learning algorithms that produce interpretable models for the prediction of phenotypes based on genotypes. Firstly, we explore the prediction of discrete phenotypes using rule-based learning algorithms. We propose new implementations that are highly optimized and generalization guarantees that are adapted to genomic data. Secondly, we study a more theoretical problem, namely interval regression. We propose two new learning algorithms, one which is rule-based. Finally, we show that this type of regression can be used to predict continuous phenotypes and that this leads to models that are more accurate than those of conventional approaches in the presence of censored or noisy data. The overarching theme of this thesis is an application to the prediction of antibiotic resistance, a global public health problem of high significance. We demonstrate that our algorithms can be used to accurately predict resistance phenotypes and contribute to the improvement of their understanding. Ultimately, we expect that our algorithms will take part in the development of tools that will allow a better use of antibiotics and improved epidemiological surveillance, a key component of the solution to this problem.

Un objectif fondamental de la biologie évolutive est de comprendre comment l’information contenue dans le génotype peut être transmise au phénotype. Les hybrides, issus du croisement entre deux espèces différentes, représentent une opportunité unique d’explorer le lien qui existe entre génotype et phénotype. L’hybridation peut mener à la mise en place de phénotypes extrêmes (tels que l’hétérosis ou la sous-dominance) et beaucoup d’études s’intéressent aux bases génétiques de ces phénotypes. Pourtant, il y a une véritable lacune dans notre compréhension du lien entre génotype et phénotype chez les hybrides. Notre hypothèse était que ce lien se fait par l’intermédiaire des complexes protéiques et que l’hybridation devrait induire une réorganisation des complexes. Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé une méthode d’étude des complexes protéiques (SEC-PCP-SILAC) qui permet de cibler un grand nombre de complexes dans la cellule. Des hybrides de levures ont été générés au laboratoire et SEC-PCP-SILAC a été utilisé pour comparer les complexes protéiques des hybrides par rapport aux complexes parentaux. Nous avons été en mesure de capturer une large fraction de l’interactome avec la détection de 39% des complexes protéiques présents chez la levure. Nos résultats mettent en évidence la robustesse générale des complexes protéiques après hybridation. Toutefois, des modifications non négligeables du réseau d’interactions ont aussi été détectées. Ces modifications affectent deux voies biologiques majeures : la voie de synthèse du glucose et la voie liée à l’activité ribosomale. Ce sont des voies candidates intéressantes pour expliquer la différence de phénotype qui peut exister entre parents et hybrides. Finalement, l’utilisation d’une méthode alternative, la PCA, a permis de complémenter les données de spectrométrie de masse, en démontrant notamment la présence d’interactions parentales (intra-espèces) et chimériques (inter-espèces) chez les hybrides. Ce mémoire souligne ainsi l’importance d’adopter une approche intégrative pour une meilleure compréhension du lien génotype-phénotype. / A fundamental goal in evolutionary biology is to understand how the information contains in the genotype can be transmitted to the phenotype. Hybrids, that are the result of the cross between different species, represent a unique opportunity to investigate the link between genotype and phenotype. Hybridization can lead to extreme phenotypes (such as heterosis or underdominance) and many studies try to understand the genetic bases of these phenotypes. However, there is a real gap in our understanding of the link between genotype and phenotype in hybrids. Our hypothesis was that protein complexes would play a key role and that hybridization would lead to changes in the organisation of protein complexes. To test this hypothesis, we used a method (SEC-PCP-SILAC) that allows studying broadly protein complexes in the cell. Hybrids between yeast species were generated in the laboratory and SEC-PCP-SILAC was applied to compare the protein complexes of the hybrids with their parental species. We were able to detect a large fraction of the interactome with the identification of 39% of the protein complexes reported in yeast. Our results highlight the general robustness of the protein complexes after hybridization. However, some significant changes of the interaction networks were also detected in hybrids. These modifications involve two main biological pathways: the glucose synthesis pathway and the ribosomal activity pathway. They are promising candidates to explain the phenotypic differences between hybrids and parents. Finally, a complementary PCA approach was used to complement the mass-spectrometry data and we demonstrated the presence of both parental (within species) and chimeric (between species) interactions. This thesis emphasizes the importance to use an integrative approach for a better understanding of the link between genotype and phenotype.