Les études d'association à grande échelle consistent à étudier la corrélation de plusieurs millions de polymorphismes nucléotidiques avec un risque de cancer chez des milliers d'individus, sans avoir besoin de connaissances préalables sur la fonction biologique de ces variants. Ces études ont été utiles pour établir des hypothèses étiologiques et comprendre l'architecture génétique sous-jacente de plusieurs maladies humaines. Cependant, la plupart des facteurs héréditaires de ces maladies restent inexpliqués. Une partie de cette variation pourrait venir de variants rares qui ne sont pas ciblés par les puces de génotypage actuelles ou encore de variants avec un effet plus modéré voire faible pour lesquels une détection par les études d'association actuelles n'est pas envisageable. Dans ce contexte et comme illustré dans cette thèse, les récentes études d'association peuvent maintenant servir de point de départ pour de nouvelles découvertes, en mettant en place des stratégies innovantes pour étudier à la fois les variants rares et les maladies rares. Nous avons plus particulièrement exploré ces techniques dans le cadre du cancer du poumon, des voies aérodigestives et du lymphome de Hodgkins. L'utilisation de la bioinformatique pour combiner les résultats des études avec d'autres sources d'information, l'intégration de différents types de données génomiques ainsi que l'investigation de la relation entre altérations germinales et somatiques représentent les principales opportunités poursuivies dans ce travail de thèse / Genome-wide association (GWA) studies consist in testing up to one million (or more) single nucleotide polymorphisms (SNPs) for their association with cancer risk in thousands of individuals, without requiring any prior knowledge on the functional significance of these variants. These studies have been valuable for establishing etiological hypotheses and understanding the underlying genetic architecture of human diseases. However, most of the heritable factors of these traits remain unexplained. Part of this variation may come from rarer variants that are not targeted by current genotyping arrays or variants with moderate to low effects for which detection by current GWA studies is impractical. In this context and as illustrated in this thesis, GWA studies can now serve as starting points towards further discoveries, looking for new strategies to study both rarer variants and rarer diseases. We have specifically explored these approaches in the context of lung cancer, head and neck cancer and Hodgkin's lymphoma. The use of bioinformatics to combine recent GWA study results with other sources of information, the integration of different types of genomic data as well as the investigation of the interrelationship between germline and somatic alterations represent the main opportunities pursued in this thesis work

La création de nouvelles enzymes pour l’hydrolyse de la biomasse est une stratégie clé pour ledéveloppement du bioraffinage. Dans ce contexte, les xylanases de la famille GH11 sont déjàdéployées dans de nombreux procédés industriels et donc bien positionnées pour jouer un rôleimportant dans ces procédés. La cible de cette étude, la xylanase GH11 (Tx-Xyl) de la bactérieThermobacillus xylanilyticus, est une enzyme thermostable et donc une bonne candidate pour destravaux d’ingénierie visant l’amélioration de son activité sur des substrats ligno-cellulosiques.Dans cette étude, deux stratégies d’ingénierie des enzymes ont été employées afin d’obtenir denouvelles informations portants sur les relations structure-fonction au sein de Tx-Xyl. La premièrestratégie a consisté en l’utilisation d’une approche de mutagenèse aléatoire, couplée à l’emploi deméthodes de recombinaison in vitro. Ces travaux avaient pour objectif d’améliorer la capacitéhydrolytique de Tx-Xyl sur la paille de blé. La deuxième stratégie mise en oeuvre s’est appuyée surune approche semi-rationnelle visant la création d’une enzyme chimérique, qui bénéficierait d’uneamélioration des interactions enzyme-substrat au niveau du sous-site -3.Le premier résultat majeur de cette thèse concerne le développement d’une méthode de criblagequi permet l’analyse à haut débit de banques de mutants pour la détection de variants quiprésentent une activité hydrolytique accrue directement sur paille de blé. A l’aide de ce crible, nousavons pu analyser plusieurs banques de mutants, représentant un total de six générations demutants, et identifier une série de combinaisons de mutations différentes. D’un côté, un variant,comportant deux mutations silencieuses, permet une meilleure expression de Tx-Xyl, alors qued’autres enzymes mutées présentent des modifications intrinsèques de leurs aptitudes catalytiques.Comparés à l’enzyme parentale Tx-Xyl, certains mutants solubilisent davantage les arabinoxylanes dela paille et, lorsqu’ils sont déployés avec un cocktail de cellulases, participent à une réactionsynergique qui permet un accroissement du rendement des pentoses et du glucose libérés.A l’aide d’une approche semi-rationnelle, une séquence de 17 acides aminés en provenance d’unexylanase GH11 fongique a été ajoutée à l’extrémité N-terminale de Tx-Xyl, afin de créer de nouveauxbrins β. L’enzyme chimérique a pu être exprimée avec succès et caractérisée. Néanmoins, l’analysede ses propriétés catalytiques a révélé que celle-ci ne présente pas davantage d’interactions avec sonsubstrat dans le sous-site -3, mais les résultats obtenus fournissent de nombreux renseignements surles relations structure-fonction au sein de l’enzyme. De plus, ces travaux nous permettent depostuler que Tx-Xyl posséderait un site de fixation secondaire pour les xylanes, un élement jusqu’iciinsoupçonné dans cette enzyme. Par ailleurs, l’analyse de nos résultats nous permet de proposer uneexplication rationnelle pour l’échec de notre stratégie initiale / Engineering new and powerful enzymes for biomass hydrolysis is one area that will facilitate thefuture development of biorefining. In this respect, xylanases from family GH11 are already importantindustrial biocatalysts that can contribute to 2nd generation biorefining. The target of this study, theGH11 xylanase (Tx-Xyl) from Thermobacillus xylanilyticus is thermostable, and is thus an interestingtarget for enzyme engineering, aiming at increasing its specific activity on lignocellulosic biomass,such as wheat straw. Nevertheless, the action of xylanases on complex biomass is not yet wellunderstood, and thus the use of a rational engineering approach is not really feasible.In this doctoral study, to gain new insight into structure-function relationships, two enzymeengineering strategies have been deployed. The first concerns the development of a randommutagenesis and in vitro DNA shuffling approach, which was used in order to improve the hydrolyticpotency of Tx-Xyl on wheat straw, while the second strategy consisted in the creation of a chimericenzyme, with the aim of probing and improving -3 subsite binding, and ultimately improvinghydrolytic activity.The first key results that has been obtained is the development of a novel high-throughputscreening method, which was devised in order to reliably pinpoint mutants that can better hydrolyzewheat straw. Using this screening method, several generations of mutant libraries have beenanalyzed and a series of improved enzyme variants have been identified. One mutant, bearing silentmutations, actually leads to higher gene expression, while others have intrinsically altered catalyticproperties. Testing of mutants has shown that some of the enzyme variants can improve thesolubilization of wheat straw arabinoxylans and can work in synergy with cellulose cocktails torelease both pentose sugars and glucose.Using a semi-rational approach, 17 amino acids have been added to the N-terminal of Tx-Xyl, withthe aim of adding two extra β-strands coming from a GH11 fungal xylanase. A chimeric enzyme hasbeen successfully expressed and purified and its catalytic properties have been investigated.Although this approach has failed to create increased -3 subsite binding, the data presented revealsimportant information on structure-function relationships and suggest that Tx-Xyl may possess ahitherto unknown secondary substrate binding site. Moreover, a rational explanation for the failureof the original strategy is proposed.

Les glucane-saccharases sont des transglucosidases de la famille 70 des glycoside-hydrolases. A partir de saccharose, ces enzymes catalysent la synthèse d’alpha -glucanes, polymères de haute masse molaire formés d’unités glucosyle. Elles sont aussi capables de synthétiser des oligosaccharides ou glucoconjugués par réaction de transglucosylation sur des accepteurs exogènes de natures variées. De par la diversité de leurs spécificités, tant au niveau des liaisons osidiques synthétisées [alpha (1→2) ; alpha (1→3) ; alpha (1→4) ou alpha (1→6)] que de l’organisation de ces liaisons au sein des produits formés, ces biocatalyseurs peuvent être mis à profit pour produire des hydrates de carbones d'intérêt pour les secteurs de l'alimentation, de la santé et de l'environnement. L'objectif de ces travaux de thèse était de générer par ingénierie enzymatique de nouvelles glucane-saccharases capables de synthétiser des alpha -glucanes et des gluco-oligosaccharides de structures et propriétés innovantes, afin d’élargir le panel d'applications de ces molécules. Sur le plan fondamental, l'enjeu était aussi d'améliorer la compréhension des relations entre structure et spécificité des glucane-saccharases. Pour atteindre nos objectifs, nous avons utilisé une stratégie d'ingénierie combinatoire de la dextrane-saccharase DSR-S de Leuconostoc mesenteroides NRRL B-512F, qui catalyse la synthèse d’un dextrane formé à 95 % de liaisons alpha (1→6) et 5 % alpha (1→3). Le travail a tout d'abord consisté à développer une méthode de criblage multi-étapes et à haut-débit, pour isoler et trier les variants de spécificités de liaisons variées. La stratégie comprend une première étape de sélection in vivo sur milieu solide suivie d’un criblage par RMN 1D 1H automatisé au format microplaque. Il s'agit de la première méthode de criblage à haut-débit de la spécificité de liaison des transglucosidases et glycosyltransferases. Cette stratégie a ensuite été appliquée au criblage de deux banques de variants de la DSR-S, totalisant plus de 36 000 clones obtenus par mutagénèse de saturation et recombinaison simultanée de 8 résidus du domaine catalytique. Au total, 82 mutants capables de synthétiser entre 2 et 8 fois plus de liaisons alpha (1→3) par rapport à l’enzyme parentale ont été isolés. La caractérisation des propriétés catalytiques de sept mutants représentatifs de la diversité de spécificité générée a permis d’identifier un nouveau motif peptidique 460DYVHT464 impliqué dans la spécificité de DSR-S. Enfin, la caractérisation de la structure et des propriétés rhéologiques et mécaniques des dextranes synthétisés par ces 7 mutants a mis en évidence les différences de taille et de conformation de ces macromolécules en solution et révélé l’aptitude du polymère synthétisé par le variant H463R/T464V/S512T à former des films bio-sourcés innovants, dont les propriétés mécaniques sont remarquables en comparaison de celles d'autres biopolymères extraits de plantes ou produits par fermentation / Glucansucrases are transglucosidases from glycoside hydrolase family 70. From sucrose, these enzymes catalyse the synthesis of alpha -glucans, high molecular weight polymers formed of glucosyl units. Glucansucrases are also able to synthesize oligosaccharides or glucoconjugates by transglucosylation reaction onto various exogenous acceptors. Due to the large specificity, in terms of osidic linkages synthesized [alpha (1→2); alpha (1→3); alpha (1→4) or alpha (1→6)] and their organization within the formed products, these biocatalysts can be used to produce carbohydrates of interest in food, health and environment fields. The aim of this research work was to generate, by enzyme engineering, new glucansucrases able to synthesize alpha -glucans and gluco-oligosaccharides with novel structures and properties, to enlarge applications of these molecules. At fundamental level, the work was to improve the understanding of the relationships between structure and specificity of glucansucrases. To reach our objectives, we used a combinatorial engineering strategy on the dextransucrase DSR-S of Leuconostoc mesenteroides NRRL B-512F, which catalyses the synthesis of a dextran formed by 95 % of alpha (1→6) and 5 % alpha (1→3) linkages. The work consisted first in the development of a multi-step high throughput screening methodology to sort out and isolate variants with altered linkage specificities. The strategy includes a first stage of in vivo selection on solid medium followed by an automated 1D 1H NMR-based screening using microplates. To date, this is the first high-throughput screening method for linkage specificity determination of transglucosidases and glycosyltransferases. This strategy was applied to the screening of two DSR-S variants libraries, totalizing more than 36,000 clones obtained by saturation mutagenesis and simultaneous recombination of 8 residues from the catalytic domain. Eighty two mutants able of synthesize 2 to 8 times more alpha (1→3) linkages compared to the parental enzyme were isolated. The characterization of the catalytic properties of 7 representative mutants enabled the identification of a new peptide motif 460DYVHT464, involved in DSR-S specificity. Finally, the characterization of structural, rheological and mechanical properties of dextrans synthetized by these 7 mutants highlighted the differences in size and conformation of these macromolecules in solution and revealed the capacity of the polymer synthesized by H463R/T464V/S512T variant to form biofilms, whose mechanical properties are remarkable in comparison to those of other biopolymers extracted from plants or produced by fermentation.

L'utilisation d'organismes génétiques modèles a permis l'investigation à grande échelle de mécanismes cellulaires et moléculaires pour la biologie. La larve de poisson zèbre (Danio rerio) est un organisme vertébré modèle simple qui présente plusieurs avantages pour identifier les bases moléculaires et pharmacologiques du développement et du comportement à travers des cribles génétiques et chimiques respectivement. Plusieurs paradigmes expérimentaux reposent sur une caractérisation précise du phénotype comportemental associé avec un génotype ou l’application d’une drogue. Ce processus de phénotypage bénéficierait d'une compréhension globale des manœuvres possibles afin de caractériser précisément le comportement globale de larves observé au cours d'une expérience. L'analyse sur plusieurs minutes de la locomotion spontanée des larves de poisson zèbre en groupe fournit un cadre idéal pour atteindre ces objectifs.Si l'analyse manuelle du comportement animal est possible pour l'observation de manœuvres isolées et stéréotypées, elle n’est pas compatible avec une approche à grande échelle. A partir de cinq jours, la larve de poisson zèbre se meut sous forme de bouffées natatoires qui arrivent à haute fréquence et sont séparées par quelques secondes. La difficulté d'observation à haute fréquence et d'analyse de la locomotion en bouffée rend une analyse manuelle simple à partir de séquences vidéos du comportement impossible. Le développement récent de caméras rapides avec acquisition en mode continu, couplé aux avancées en informatique et en intelligence artificielle rend possible une analyse automatique du comportement. Les systèmes commerciaux actuels permettent des enregistrements sur des longues durées mais sans capturer la complexité et la diversité des mouvements réalisés. Nous avons donc créé ZebraZoom, notre système d'analyse haut débit permettant de suivre, de quantifier et de catégoriser le comportement spontané de chaque larve de poisson zèbre au sein d’un groupe.Nous avons monté un dispositif expérimental qui consiste à placer sept larves de poisson zèbre âgées d'entre cinq et sept jours dans huit boîtes de pétri. Les boîtes de pétri sont disposées sur une table lumineuse et une caméra rapide positionnée au-dessus enregistre le comportement spontané à 337 Hz pendant quatre minutes. Une fois la vidéo acquise, ZebraZoom localise automatiquement chacune des huit boîtes de pétri, puis suit tête et queue de chacun des animaux sur l'ensemble de la vidéo, grâce à des procédures de vision par ordinateur. ZebraZoom identifie automatiquement chaque bouffée natatoire. Le phénotypage du comportement a été réalisé grâce à deux méthodes complémentaires : l'extraction de paramètres globaux caractérisant la dynamique des mouvements et la catégorisation automatique des mouvements en différents manœuvres stéréotypées. Nous avons utilisé l’analyse des paramètres globaux afin de caractériser l'effet de drogues agissant sur les récepteurs de neurotransmetteurs et l’analyse d’un mutant aveugle. La catégorisation automatique des mouvements est réalisée grâce a des procédures d’apprentissage automatique (« Machine Learning »). Nous avons illustré l’utilité de cette catégorisation pour étudier les interactions entre larves à ces stades précoces. En conclusion, notre programme ZebraZoom permet de réaliser un phénotypage automatique et complet, et cette approche pourra être appliquée dans d'autres systèmes et contextes expérimentaux. / The use of simple genetic model organisms has allowed large-scale investigation of cellular and molecular mechanisms in biology. The zebrafish larva (Danio rerio) is a simple vertebrate model with several advantages for the identification of the molecular and pharmacological basis of development and behavior thanks to genetic and chemical screens. Several experimental paradigms rely on a precise behavioral characterization associated with a genotype or a drug application. This phenotyping process would benefit from a global comprehension of all possible zebrafish larvae maneuvers in order to precisely characterize the global behavior of larvae observed during an experiment. The analysis over multiple minutes of the spontaneous locomotion of zebrafish larvae in a group provides an ideal framework for achieving these goals.The manual analysis of animal behavior is possible for the observation of stereotyped and isolated maneuvers, but it is not compatible with large-scale approaches. After five days, the zebrafish larva moves in burst of movement occurring at high frequency and separated by a few seconds. The difficulty of observation of high-frequency maneuvers makes a manual analysis of videos impossible. The recent development of high-speed cameras, coupled with advances in computer science and artificial intelligence, make an automatic analysis of behavior possible. The available commercial solutions allow long acquisitions but without capturing all the complexity and diversity of the movements. We thus created ZebraZoom, our high-throughput analysis system which makes it possible to follow, quantify and categorize the spontaneous behavior of all zebrafish larva in a group.We built an experimental setup which consisted in placing seven 5- to 7-day old zebrafish larvae in eight petri dishes. The petri dishes were placed on a light table and a high-speed camera was placed above the setup and allowed to record the spontaneous behavior at 337 Hz during four minutes. Once the video was acquired, ZebraZoom localized automatically each of the eight petri dishes and followed the head and the tail of each of the animals on the entire video, thanks to computer vision methods. ZebraZoom then identifies automatically all burst of movement.The behavior phenotyping was performed thanks to two complementary methods: the extraction of global parameters characterizing movement dynamics and the automatic categorization of movements into stereotyped maneuvers. We used global parameters analysis to characterize the effect of drugs acting on neurotransmitters receptors and to analyze the behavior of a blind mutant. The automatic categorization of movements was carried out thanks to machine learning procedures. We showed the utility of this categorization method in studying interactions between larvae at early stages. In conclusion, our ZebraZoom program makes it possible to carry out an automatic and complete phenotyping, and this approach could be used in other systems and experimental contexts.

Le système immunitaire adaptatif joue un rôle de premier plan dans la défense contre les infections. La réponse humorale, impliquant la production d'anticorps, est un élément important de la réponse immunitaire adaptative. Au cours d'une infection, des cellules B spécifiques du système immunitaire prolifèrent et libèrent de grandes quantités d'anticorps qui se lient sélectivement à la protéine cible (antigène) trouvée sur le pathogène invasif, induisant la destruction du pathogène.Cependant, le système immunitaire ne répond pas toujours suffisamment efficacement pour détruire les agents pathogènes, et les mécanismes de tolérance empêchent la génération d'anticorps contre les protéines humaines - comme les marqueurs de surface cellulaire sur les cellules cancéreuses ou les cytokines impliquées dans des maladies inflammatoires et auto-immunes - qui pourraient être des cibles thérapeutiques importantes. Par conséquent, il existe un grand intérêt pour la recherche et le développement d'anticorps spécifiques qui peuvent être utilisés pour le traitement des patients par immunothérapie. En raison de leur grande affinité et de leur liaison sélective aux antigènes, les anticorps monoclonaux (mAbs) sont apparus comme des agents thérapeutiques puissants. Les anticorps monoclonaux dérivés de cellules B individuelles ont une séquence unique et présentent une affinité de liaison pour un antigène spécifique. Cependant, jusqu'à maintenant, la découverte des mAbs a été limitée par l'absence de méthodes à haut débit pour le criblage direct et à grande échelle de cellules B primaires non immortalisées pour découvrir les rares cellules B qui produisent des anticorps spécifiques d'intérêt clinique. Ceci est maintenant possible avec l'émergence et l'amélioration des méthodes de compartimentation in vitro pour l'encapsulation et le criblage de cellules uniques dans des gouttelettes picolitriques. Dans mon projet de doctorat, je décris le développement d'immunodosages et de dispositifs microfluidiques pour le criblage phénotypique direct de cellules individuelles à partir de populations de cellules B enrichies. Ce développement a permis une analyse détaillée de la réponse immunitaire humorale, avec une résolution à l’échelle de la cellule unique. C’est aussi un élément essentiel d'un pipeline de détection d'anticorps couplant le criblage phénotypique de cellules individuelles au séquençage d'anticorps sur cellules uniques. Il est maintenant possible, pour la première fois, de cribler des millions de cellules B individuelles en fonction de l'activité de liaison des anticorps sécrétés et de récupérer les séquences d'anticorps / The adaptive immune system plays a leading role in defense against infection. The humoral response, involving the production of antibodies, is an important component of the adaptive immune response. During an infection, specific B cells of the immune system proliferate and release large amounts of antibodies which bind selectively to the target protein (antigen) found on the invading pathogen, inducing destruction of the pathogen. However, the immune system does not always respond efficiently enough to destroy pathogens, and tolerance mechanisms prevent the generation of antibodies against human protein - such as cell surface markers on cancer cells or cytokines involved in inflammatory and autoimmune disease - that could be important therapeutic targets. Hence, there is great interest in research and development of specific antibodies that can be used for immunotherapy of patients. Due to their high affinity and selective binding to antigens, monoclonal antibodies (mAbs) have emerged as powerful therapeutic agents. Monoclonal antibodies derived from single B cells have a unique sequence and display binding affinity for a specific antigen. However, until now, the discovery of mAbs has been limited by the lack of high-throughput methods for the direct and large-scale screening of non-immortalized primary B cells to uncover rare B cells which produce the specific antibodies of clinical interest. This is now becoming possible with the emergence and improvement of in vitro compartmentalization methods for single-cell encapsulation and screening in picoliter droplets. In my PhD project, I describe the development of binding immunoassays and microfluidic devices for the direct phenotypic screening of single-cells from enriched B cell populations. This development has enabled detailed analysis of the humoral immune response, with single-cell resolution and is an essential component of an antibody-discovery pipeline coupling single-cell phenotypic screening to single-cell antibody sequencing. It is now possible, for the first time, to screen millions of single B cells based on the binding activity of the secreted antibodies and to recover the antibody sequences

Le virus du syndrome reproducteur et respiratoire porcin (VSRRP) est un pathogène important, entrainant des pertes économiques de 130 millions de dollars annuellement au Canada. La surveillance est effectuée par séquençage Sanger du gène ORF5 mais nous croyons que le séquençage du génome entier (SGE) du VSRRP permettrait une meilleure surveillance épidémiologique comparé au séquençage du gène ORF5. Pour développer une méthode efficace de SGE du VSRRP, 149 échantillons (sérums, poumons, tissus, autres) d’animaux malades ou récoltés pour fin de surveillance ont été analysés. L'ARN viral a été concentré par enrichissement d'ARN à queue poly (A) et le séquençage effectué sur une plateforme Illumina. Le SGE a été efficace dans 67,11% des échantillons, réussissant dans certains échantillons de poumons et de sérums possédant une valeur de quantification (Cq) du virus par RTqPCR jusqu’à 26,50 et 34.13, respectivement. La méthodologie développée de SGE du VSRRP a été 4650 fois plus sensible que les méthodes décrites précédemment. Pour quantifier l’impact du SGE, 88 échantillons (dont le SGE a réussi) ont été utilisés pour comparer le SGE au séquençageORF5. Deux génomes de VSRRP différents ont été trouvés dans quatre échantillons différents (taux de coinfection de 4,55%). Six génomes de VSRRP (6,52% des souches) ont été classés différemment par rapport à la classification ORF5. Ainsi, le SGE du VSRRP a permis une meilleure caractérisation de 9,10% des échantillons VSRRP positifs comparé au séquençage ORF5. Donc, le SGE du VSRRP est à la fois sensible et plus précis que la classification par l’ORF5. / Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) is an important pathogen, costing over 130 million dollars annually in Canada. Surveillance is done by Sanger sequencing of the ORF5 gene, but we hypothesized that whole genome sequencing (WGS) of PRRSV genome will allow a better epidemiological monitoring of PRRSV compared to ORF5 gene sequencing. To develop an efficient method of PRRSV WGS, 149 PRRSV samples (sera, lungs, pool of tissues and others) collected for surveillance or from sick animals were tested. Viral RNA was concentrated using a poly(A) tailed RNA enrichment method, and sequencing was done on an Illumina platform. WGS was successful in 67.11% of cases. WGS was successful in some tissues and lungs samples with RT-qPCR cycle quantification (Cq) values up to 26.50, and in some sera with Cq value up to 34.13. The developed WGS methodology was 4650 times more sensitive for PRRSV WGS than previously described methods. To quantify the impact of WGS, 88 successful samples for the WGS of PRRSV were used to compare efficiency of WGS and ORF5 sequencing. Two different full-length genomes of PRRSV were found in four of those samples (coinfection rate of 4.55%). Six full-length PRRSV genomes (6.52% of PRRSV strains) were found to cluster differently compared to ORF5 sequencing. WGS of PRRSV also enabled a better classification or characterisation of 9.10% of the PRRSV infected samples compared to ORF5 sequencing. Thus, WGS can be both sensitive and more accurate then ORF5 classification for the characterisation of PRRSV strains.

Les cancers du sein et de l’ovaire apparaissent dans 5 à 10% dans un contexte de prédisposition génétique, dont seule une faible part est expliquée par la présence d’un variant pathogène sur les gènes BRCA1, BRCA2 et PALB2. Le séquençage à haut-débit permet d’explorer cette hérédité manquante, mais représente un nouveau défi à la fois informatique, statistique et biologique. Trois approches utilisant cette nouvelle technologie ont été employées pour rechercher de nouveaux facteurs de prédisposition. En premier lieu, les risques associés à 34 gènes connus ou suspectés d’être impliqués dans les prédispositions ont été estimés à partir de l’analyse de 5 131 cas index et le développement d’une nouvelle approche statistique. Aussi la participation des néo-mutations en mosaïque dans le syndrome a été explorée à partir de 1 750 cas index issus de l’étude précédente, avec un logiciel de détection des variants faiblement représentés développé spécifiquement: outLyzer. Enfin, l’exploration par séquençage de l’hérédité manquante a été étendue à un panel de 201 gènes impliqués dans le cancer, à partir de 118 patientes sélectionnées pour la précocité d’apparition de leur maladie, élément fortement évocateur d’un facteur de prédisposition. Les résultats de ces travaux ont permis de valider la pertinence de l’étude de PALB2, RAD51C et RAD51D pour la prise en charge des patients, et suggèrent aussi une implication sous-estimée des variants en mosaïque. Cependant il reste encore très probablement d’autres facteurs génétiques fortement pénétrants à découvrir mais dont la modulation du risque répond à un modèle oligogénique. / Breast and ovarian cancers appear in 5 to 10% of cases in a context of genetic predisposition, of which only a small proportion is explained by the presence of a pathogenic variant on the BRCA1, BRCA2 and PALB2 genes. High throughput sequencing can explore this missing heredity, but represents a new challenge both in computing, statistics and biology. Three approaches using this new technology have been used to investigate new predisposition factors. First, the risks associated with 34 known or suspected genes involved in predispositions were estimated from the analysis of 5,131 index cases and the development of a new statistical approach. Also, the participation of mosaic neo-mutations in the syndrome was explored from 1,750 index cases from the previous study, with a software developed specifically for detecting poorly represented variants: outLyzer. Finally, the exploration by sequencing of the missing heredity was extended to a panel of 201 genes involved in cancer, from 118 patients selected for the early onset of their disease, a highly suggestive element of a predisposition factor. The results of this work validated the relevance of the PALB2, RAD51C and RAD51D study for patient management, and also suggested an underestimated involvement of mosaic variants. However, there are still very likely other highly penetrating genetic factors to be discovered, but whose risk modulation is based on an oligogenic model.

L’avènement du séquençage haut débit permet actuellement d’étudier et d’analyser la part de lacomposante génétique des maladies complexes médiée par les variants rares. Cependant, leurinterprétation représente un défi majeur. En effet, le séquençage de milliers d’exomes et degénomes a révélé la complexité du polymorphisme humain et notamment la surreprésentation devariants rares. Et malgré le développement de logiciels d’analyse ainsi que de différentes bases dedonnées, la priorisation des variants rares reste difficile. Dans le cadre de cette thèse, nous avons focalisé nos analyses sur les variations génétiques rares impliquées dans la maladie d’Alzheimer (MA). D’un point de vue génétique, la MA répond dans une majorité des cas à un déterminisme multifactoriel mais une minorité des cas sont des formes précoces à transmission autosomique dominante. La caractérisation des gènes PSEN1, PSEN2 et APP responsables des formes mendéliennes de MA a permis de formuler l’hypothèse de la cascade amyloïde en plaçant le peptide amyloïde (Aβ) au centre du processus physiopathologique. Afin de détecter de nouveaux facteurs de risque génétique dans la survenue de la MA, nous avons réalisé une étude d’association à partir de données de séquençage d’exomes de 522 cas atteints de formes précoces de MA et 584 contrôles. Les premières analyses ont porté sur les variants mononucléotidiques ainsi que les courtes insertions/délétions et ont permis de mettre en évidence un enrichissement en variants rares prédits délétères dans le gène ABCA7 chez les individus malades. Notre attention s’est ensuite portée sur les variations du nombre de copies (CNVs). L’absence de récurrence à l’échelle d’un gène nous a amené à travailler sur une liste de gènes. En nous focalisant sur l’hypothèse amyloïdergique, nous avons construit une liste de 342 gènes impliqués dans le métabolisme et la toxicité du peptide Aβ. Grâce à cette stratégie, nous avons ainsi réussi à mettre en évidence un enrichissement de CNVs rares intersectant ce réseau centré sur le peptide Aβ. Le résultat majeur de cette étude de CNVs a été la mise en évidence d’une duplication du locus 17q21.31 chez 5 patients atteints d’une maladie neurodégénérative similaire à une maladie d’Alzheimer. Les patients porteurs présentent un diagnostic clinique de MA, des biomarqueurs et une imagerie métabolique en faveur d’une neurodégénérescence de type Alzheimer. En revanche, l’imagerie amyloïde et l’analyse neuropathologique n’ont pas révélé de pathologie amyloïde et sont donc en faveur d’une tauopathie pure. L’étude des CNVs a également révélé une délétion partielle du gène PSEN1, emportant les exons 9 et 10, pour laquelle nous avons pu réaliser des études fonctionnelles. Nous avons ainsi pu déterminer que la protéine mutante favorisait la production de peptides amyloïdes plus longs, ces derniers étant des médiateurs majeurs de la neurotoxicité d’Aβ. / Next-generation sequencing allows studying and analyzing the genetic component part of complexdiseases mediated by rare variants. However, their interpretation represents a major challenge.Indeed, the sequencing of thousands of exomes and genomes revealed the human polymorphismcomplexity and in particular the overrepresentation of rare variants. Despite the development ofsoftwares and variant databases, the prioritization of rare variants remains arduous. My thesis subject was focused on the involvement of rare variants in Alzheimer's disease (AD). From a genetic point of view, AD is caused, in most cases, by a multifactorial determinism, but a minority of cases are autosomal dominant early-onset forms (ADEOAD). The characterization of mutations in the PSEN1, PSEN2 and APP genes as a cause of these Mendelian forms of AD led to the formulationof the amyloid cascade hypothesis, stating that the amyloid-β peptide (Aβ) is triggering the pathophysiological process. In order to detect new genetic risk factors involved in AD, we performed an association study using exome sequencing data from 522 cases with early-onset Alzheimer Disease and 584 controls. The first analyzes focused on single nucleotide variants and short insertions / deletions, and revealed an enrichment in cases of variants that are predicted to be deleterious in the ABCA7 genes. We then then focused on copy number variations (CNVs). The lack of recurrence at the gene-level incited us to work on a gene list. By focusing on the amyloidogenic hypothesis, we built a list of 342 genes involved in the metabolism and toxicity of the Aβ peptide. Thanks to this strategy, we found an enrichment of rare CNVs intersecting this Aβ network in cases.The main result of this CNV study was the identification of a duplication of the 17q21.31 locus in 5patients with a neurodegenerative disease similar to Alzheimer's disease. These patients have aclinical diagnosis of AD, as well as biomarkers and metabolic imaging consistent with an ADneurodegeneration. However, amyloid imaging and neuropathological analysis did not reveal anyamyloid pathology, and were therefore pointing to a pure tauopathy. This CNV study also revealed a partial deletion of the PSEN1 gene, overlapping exons 9 and 10, for which we performed functional studies. We demonstrated that the mutant protein enhanced the production of longer amyloid peptides, the latter being major mediators of Aβ neurotoxicity.

La fertilité de terres agricoles dépend en large partie du recyclage des nutriments dans le sol. Généralement, ce recyclage est effectué en grande partie par les communautés bactériennes du sol. On assume donc souvent que la diversité bactérienne du sol peut constituer un indicateur de sa santé/fertilité. Cependant, certaines pratiques agricoles conventionnelles nuisent à la diversité bactérienne du sol. Parmi ces pratiques, le labourage et les applications d’intrants chimiques tels que les pesticides, les antibiotiques et les engrais influencent négativement la diversité microbienne. Par conséquent, des recherches actives sont menées pour développer des façons de rétablir la diversité microbienne dans les sols en agriculture conventionnelle. Plusieurs alternatives biologiques ont été développées au fil des ans, aboutissant à des produits commerciaux en tant que des biostimulants incluant des substances d’origines biologiques, des microorganismes ou la combinaison des deux. Entre autres, le thé de compost a été développé et suggéré comme étant un produit riche en microorganismes bénéfiques, ayant les capacités d’améliorer les cultures et la durabilité des systèmes agricoles biologiques. Cependant, sa performance et son application à grande échelle dans les systèmes de production conventionnelle demeurent peu étudiées. L’objectif de ce mémoire et d’évaluer l'effet du thé de compost sur l'abondance, la diversité et la structure des communautés bactériennes du sol et les rendements, dans un essai en champs de la production du soja dans un système conventionnel de monoculture. Dans un champ d’environ trois hectares est subdivisé en six blocs, chacun contenait deux parcelles: l'une a été traitée par le thé de compost frais et l'autre a été utilisé comme témoin avec thé de compost stérilisé à la chaleur pour tuer les microorganismes. Notre hypothèse est que le thé de compost frais améliore la croissance du soja et son rendement avec l’apport de microorganismes bénéfiques et l’enrichissement des communautés bactériennes des sols. Le séquençage à haut débit de l’ADN ribosomique 16S bactérien extrait de différents échantillons (thé de compost, sol traité et sol témoin), associé aux analyses bio-informatiques et statistiques, a démontré que le traitement du thé de compost frais n'a pas influencé de manière significative les communautés bactériennes, ni par des changements dans la diversité alpha, ni dans la structure de la communauté de celles-ci. De plus, les résultats des analyses de croissance des plantes et de rendement ont eu aucun effet significatif du thé de compost frais sur la biomasse végétative des plantes ou le poids des graines de soja. Nos résultats de recherche indiquent que le thé de compost frais utilisé dans notre expérience n’a pas modifié les communautés bactériennes des sols traités et n’a pas influencé la croissance des plantes ni le rendement en grain. Notre hypothèse n’est pas supportée par ces résultats qui suggèrent que les bénéfices relatifs à l’application du thé de compost frais ne sont pas dus aux microorganismes vivants mais plutôt à un apport potentiel des nutriments. L’absence d'effets positifs dans notre étude pourrait être attribué spécifiquement à notre conception expérimentale, au thé de compost utilisé, ou à la dose ou la fréquence d'application de celui-ci. D’autres expériences sont nécessaires afin de tirer des conclusions robustes quant à l’effet et la performance du thé de compost sur des cultures conventionnelles. / The fertility of agricultural lands largely depends on the recycling of nutrients in the soil. Usually, this recycling is carried out largely by bacterial communities in the soil, that their diversity is an important indicator of the health and fertility of agricultural soils. However, some agricultural practices, especially in conventional production systems, harm the essential functions of these soil bacterial communities. Among these practices, tillage and the applications of chemical inputs such as pesticides, antibiotics and fertilizers negatively influence the diversity and structures of microbial communities. As a result, the abundance and diversity of these beneficial microorganisms and the potential services they provide decrease in these soils. Several biological alternatives have been developed over the years, resulting in commercial products as biostimulants including substances of biological origin, microorganisms or a combination of the two. Among others, compost tea has been developed and suggested as a product rich in beneficial microorganisms, with the capacity to improve crops and the sustainability of organic farming systems. However, its performance and large-scale application in conventional production systems remains little studied. The objective of this master’s thesis is to assess the effect of fresh compost tea on the abundance, diversity and structure of soil bacterial communities and yields, in a field trial of soybean production in a conventional system of monoculture. In a field of about three hectares is subdivided into six blocks, each one contained two plots: one was treated with fresh compost tea and the other was used as a control with heat sterilized compost tea to kill microorganisms. Our hypothesis is that fresh compost tea improves soybean growth and yield with the addition of beneficial microorganisms and the enrichment of bacterial communities in soils. High throughput sequencing of bacterial 16S ribosomal DNA extracted from different samples (compost tea, treated soil and control soil), combined with bioinformatics and statistical analyzes, demonstrated that processing of compost tea did not significantly influenced bacterial communities, neither by changes in alpha diversity nor in their community structure. In addition, the results of plant growth and yield analyzes had no significant effect of fresh compost tea on plant vegetative biomass or soybean weight. Our research results indicate that the fresh compost tea used in our experiment did not change the bacterial population in the treated soils and it did not show a significant effect on either plant growth or yield. Our hypothesis is not supported by these results which suggest that the relative benefits of the application of compost tea are not due to living microorganisms but rather to a potential supply of nutrients. The lack of positive effects in our study could be attributed specifically to our experimental design, the compost tea used, or the dose or frequency of its application. More experiments are needed in order to draw robust conclusions about the effect and performance of compost tea on conventional crops.

Dans le cadre du développement durable, les procédés rapides, propres et peu énergivores sont très recherchés particulièrement en chimie pour les réactions d’oxydation. A part les solutions de génie des procédés, la catalyse est l’un des meilleurs atouts pour améliorer le processus. Le vanadium étant l’un des meilleurs métaux catalytiques pour de tels réactions, nous avions à nous attaquer son problème de relargage dans le milieu réactionnel en vue d’applications acceptables pour l’environnement. Nous proposons donc dans cette thèse des catalyseurs au vanadium fixé à l’intérieur des nano pores de silices mésoporeuses hexagonales de type MCM-41. La grande dispersion et la rétention du vanadium sont promues grâce à la présence d’ion d’ancrage : Al(III), Ti(IV), Zr(IV) and Ce(IV). Une grande variété de catalyseurs de type V-(Al/Ti/Zr/Ce)-MCM-41 ont été préparés à partir de trois méthodes de synthèse: l’une, ultra-rapide en une étape assistée par micro-onde, la seconde à étapes séquentielles multiples mettant en œuvre une technique de pochoir moléculaire et la troisième à nombre d’étapes réduites utilisant un traitement thermique partiel d’une surface préalablement organosilylée avant le greffage des métaux. Un large panel de techniques physicochimiques fut appliqué à la caractérisation de ces solides avec une attention particulière portée à l’analyse de la bande de transfert de charge ligand-métal du vanadium au degré d’oxydation +5 dont le décalage vers le bleu est corrélé à la taille des clusters d’oxyde de ces ions. La rétention du vanadium dans le méthanol a été corrélée à la dispersion du vanadium comme la dégradation à l’air du 1,2-diphényle-2-méthoxyéthanol. Ce substrat fut choisi comme modèle pour étudier la dégradation de la lignine par clivage C-C ou C-O. Notons que ce bio-polymère produit du phénoxypropanol methylé bio-sourcé utilisé dans les bio-carburants et comme précurseur en chimie fine. Dans le cas présent, un balayage à haut débit de la dégradation de cette molécule mettant en œuvre 96 mini-réacteurs en parallèle a permis de sélectionner le solvant, le métal d’ancrage et la teneure des deux métaux donnant la plus haute conversion. Contrairement aux catalyseurs homogènes, nos catalyseurs présentent une très haute sélectivité en clivage C-C. / The search for practical large-scale, fast, clean and energy saving chemical processes are highly regarded in the frame of a sustainable development, particularly for the most problematic oxidation reactions. Apart from chemical engineering solutions, improving the process using heterogeneous catalysis is one of the most adapted solution. Vanadium being considered the best metal for such kind of reactions, one had to tackle the problem of its high dispersion on a support to minimize its high propensity for leaching and to optimize its stability for practicable, safe and clean uses. In the present thesis, vanadium is supported inside the nanopores of a mesoporous silica of MCM-41 type where the high dispersion is assisted by the presence of anchoring ions such as Al(III), Ti(IV), Zr(IV) and Ce(IV) ions. A large set of V-(Al/Ti/Zr/Ce)-MCM-41 catalysts was prepared according to three different methods of preparation: i) ultra-fast one-pot synthesis protocol using the assistance of microwave, ii) post-synthesis modification using molecular stencil patterning (MSP) technique and iii) partial thermal treatment (PTT) of the organo-silylated support. The catalysts were characterized thoroughly using a panel of physical techniques and, particularly, the blue shift of the optical gap measured from the vanadium charge transfer band known to correlated with the dispersion of the metal. In complement, the stability was tested from metal leaching using methanol as a corrosive solvent while their catalytic reactivity was estimated in the aerobic oxidation of 1,2-diphenyl-2-methoxyethanol. This is a model reaction that simulates the oxidative C-C bond cleavage in lignin, the most difficult and crucial step in the degradation of this biopolymer, then producing in a clean way valuable methoxylated phenoxy propanol units useful for biomass fuels or bio-sourced precursors for fine chemistry. A high throughput screening approach was applied to test this aerobic oxidation reaction running over 96 reactors in parallel at the same temperature and sorting out the best catalysts with the most suitable anchoring ions and metal loading for the highest catalytic efficiency. / 在可持续发展的背景下，对于清洁高效节能可行的大规模化工过程尤其是存在诸多问题的氧化反应过程的探索倍受瞩目。除化学工程解决方案之外，通过多相催化来改进反应过程也是最可行的途径之一。钒被认为是最适合于催化此类反应的金属之一，其亟待解决的问题是实现钒在载体上的高度分散，并最大限度地降低其浸出倾向，改善其稳定性，从而实现对其安全清洁有效的利用。本文提出将钒负载于MCM-41型六方介孔二氧化硅的纳米孔道中，通过锚定离子如Al(III)、 Ti(IV)、Zr(IV)、Ce(IV)离子的存在促进钒的高度分散和固载。采用三种不同的方法制备了一系列V-(Al/Ti/Zr/Ce)-MCM-41催化剂：1、超快微波一步合成法，2、使用分子复刻版技术改性的后嫁接法，3、对有机硅烷化载体进行部分热处理改性的后嫁接法。通过一系列物理化学技术对合成的催化剂进行了充分表征，特别是对与金属分散度相关的钒的电荷跃迁带的测量和与其对应的光谱带隙蓝移进行了分析。随后，以甲醇作为腐蚀溶剂对合成的钒催化剂进行了金属析出的稳定性测试。通过一种木质素模型化合物1,2-diphenyl-2-methoxyethanol的需氧氧化反应测试了所合成负载型钒催化剂的催化活性。在相同温度及反应条件下，用96通道高通量微反应器技术评价了所制催化剂对该反应的催化性能，筛选出具有最高催化效率的负载型钒催化剂及其最适合的锚定离子。该反应中的碳-碳键裂解反应是木质素降解的最关键也是最困难的步骤之一，可通过这类生物聚合物的降解以清洁的方式生产有用的生物质燃料或生物来源高附加值精细化学品前驱体。