La bactérie à Gram-négatif Pseudomonas aeruginosa est un pathogène humain opportuniste qui peut causer des infections chroniques pouvant conduire à la mort des patients, et plus particulièrement ceux atteints de la mucoviscidose. Il a été montré qu‘un de ses trois systèmes de sécrétion de type VI (SST6) est actif durant les infections chroniques, le SST6-H1. P. aeruginosa est capable d'injecter des toxines de type bactériolytique directement dans le périplasme des autres bactéries à Gram-négatif grâce au SST6-H1, ce qui laisse penser que cette nanomachine pourrait être capitale dans la compétitivité de P. aeruginosa dans les niches polymicrobiennes, comme par exemple un poumon infecté. Cette nanomachine insérée dans l'enveloppe bactérienne est régulée au niveau post-traductionnel par une voie de phosphorylation ressemblant à celles des eucaryotes. Cette voie est constituée par une kinase, PpkA, et une phosphatase, PppA, qui modulent ensemble le niveau de phosphorylation de la protéine Fha1. Nous avons démontré que quatre protéines spécifiques de Pseudomonas appelées TagT, TagS, TagR et TagQ, agissent en amont du couple PpkA/PppA, et sont indispensables pour l'activation du SST6-H1. De plus, elles sont aussi nécessaires lors de compétitions entre P. aeruginosa et d'autres bactéries. Nous avons montré que TagR, connue comme étant une protéine périplasmique, est en fait associée à la membrane externe et cette localisation dépend de TagQ, une lipoprotéine ancrée dans le feuillet interne de la membrane externe. TagT et TagS forment un transporteur de type ABC qui a une activité d'ATPase. L'association de TagR à la membrane externe a été mise en évidence par des études de protéomique à haut débit qui avaient pour but la caractérisation des membranes externe et interne de P. aeruginosa. Grâce à l'analyse des résultats, unmodèle de l'assemblage du SST6-H1 au sein de l'enveloppe a pu être proposé. Ce travail a permis l'identification de plus de 1700 protéines, parmi elles un complexe multi-protéique incluant MagD, une protéine homologue à la macroglobuline humaine. Les résultats obtenus lors de la caractérisation de ce complexe sont aussi présentés dans ce manuscrit. / Pseudomonas aeruginosa is a human opportunistic pathogen that can cause severe infections and death in chronically infected cystic fibrosis (CF) patients. It has been shown that one of its three Type VI Secretion Systems (T6SS), the H1-T6SS, is active during chronic infections in CF patients. P. aeruginosa injects bacteriolytic toxins directly into other Gram-negative bacteria by means of its H1-T6SS, which could be of high importance in its outcome in complex niches such as an infected lung. This trans-envelope nanomachine is posttranslationally regulated by a eukaryotic-like phosphorylation pathway, which includes a kinase-phosphatase pair, PpkA and PppA, respectively. In this work, TagT, TagS, TagR and TagQ, Pseudomonas specific T6SS proteins that are encoded in the same operon as Ppka, PppA and Fha1, were analysed functionally and biochemically. We found that these four proteins are indispensable for the activation of H1-T6SS, by acting upstream of the phosphorylation checkpoint. Moreover, they were also needed for intra- and inter-species fitness mediated by H1-T6SS. We discovered that TagR, a periplasmic protein, associates with the outer membrane (OM) of P. aeruginosa in a TagQ-dependent manner. TagQ is an OM lipoprotein that faces the periplasm. TagT and TagS form a membrane-bound complex, an ABC transporter, with ATPase activity. TagR association with the OM was discovered by shotgun mass spectrometry analyses of the OM and the inner membrane (IM) of P. aeruginosa. In this work, the IM and OM sub-proteomes of P. aeruginosa are also presented, with highlights on T6SS global assembly. Moreover, these two sub-proteomes allowed the identification of a novel envelope-associated complex with macroglobulin-like protein, MagD. The studies concerning this protein and its partners in P. aeruginosa are also presented in this manuscript.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais

CARACTERISATION IN VITRO ET IN VIVO DE NOUVEAUX AGENTS PYRROLO-PYRIMIDINE CIBLANT LES MICROTUBULES POUR LE TRAITEMENT DES CANCERSEn dépit de l’émergence des thérapies ciblées et de l’immunothérapie, la chimiothérapie reste un gold-standard pour le traitement de nombreux cancers. Parmi les agents chimiothérapeutiques conventionnels, les poisons du fuseau interférant avec la dynamique des microtubules (taxanes, vinca-alcaloïdes) sont très largement utilisés. Cependant, leurs nombreux effets indésirables et l’émergence de chimiorésistance limitent leur efficacité et soulignent la nécessité d’identifier de nouveaux inhibiteurs de la tubuline.Notre équipe a réalisé un criblage cellulaire à haut-débit sur plus de 7500 molécules chimiques et identifié une famille de composés pyrrolo-pyrimidine, active sur les formes de cancer pulmonaire résistantes à l’apoptose et aux thérapies ciblées. Notre objectif était de caractériser in vitro et in vivo 15 molécules de cette famille afin d’identifier à terme un potentiel candidat-médicament pour le traitement des cancers résistants.Des essais préliminaires de cytotoxicité et d’apoptose sur différentes lignées cancéreuses pulmonaires ont permis de sélectionner, parmi les 15 composés pyrrolo-pyrimidine, 2 molécules prometteuses : PP-2 et PP-13. PP-2 et PP-13 ont des effets cytotoxiques sur de nombreuses lignées cancéreuses humaines, incluant les lignées résistantes aux thérapies ciblées. En perturbant l’organisation et la dynamique des microtubules, PP-2 et PP-13 induisent le blocage transitoire des cellules en prométaphase puis aboutissent aux phénomènes de catastrophe mitotique, de glissement mitotique ou de division asymétrique. Des études mécanistiques avancées montrent que PP-2 et PP-13 sont des agents poisons du fuseau et entrent en compétition avec la colchicine pour la liaison sur la tubuline. Contrairement aux antimitotiques conventionnels, PP-2 et PP-13 ne sont pas sensibles aux mécanismes de chimiorésistance par surexpression de pompes d’efflux. De plus, à l’IC50, ces 2 composés n’affectent pas le réseau microtubulaire des cellules à l’interphase suggérant un effet toxique (et principalement neurotoxique) moindre. La molécule PP-13 semble être la molécule anticancéreuse la plus prometteuse en raison de son IC50 10 fois inférieure à celle de PP-2 dans les différentes lignées cancéreuses étudiées et d’une affinité pour la tubuline 2 fois plus élevée. In vivo, PP-13 réduit significativement la croissance tumorale et étastatique. L’ensemble de ces résultats suggère que PP-13 pourrait être une alternative intéressante pour le traitement de nombreux cancers y compris des cancers chimiorésistants. / CHARACTERIZATION OF NEW MICROTUBULE-TARGETING AGENTS WITH A PYRROLO-PYRIMIDINE STRUCTURE FOR THE TREATMENT OF CANCERSDespite the emergence of targeted therapies and immunotherapy, chemotherapy remains a gold-standard for the treatment of numerous malignancies. Spindle poisons that interfere with microtubule dynamics (taxanes, vinca alkaloids) are commonly used in chemotherapy drug combinations. However, their troublesome side effects and the emergence of resistance highlight the need for identifying alternative agents. Thanks to a high throughput cell-based assay, we screened agents able to restore apoptosis in apoptosis-resistant lung cancer cells. We selected 15 molecules belonging to the pyrrolopyrimidine family and investigated their anti-cancer effects in vitro and in vivo. Our aim was to identify a potential drug-candidate for the treatment of resistant cancers.From cytotoxicity and apoptosis preliminary assays, we selected the 2 most promising molecules (PP-2, PP-13) among the 15 pyrrolopyrimidine compounds. PP-2 and PP-13 exert cytotoxic effects on a large panel of human cancer cell lines, including targeted therapy-resistant cell lines. By interfering with mitotic spindle organization and microtubule dynamics, PP-2 and PP-13 impair the congression of the chromosomes, promote spindle assembly checkpoint-dependent mitotic blockade and finally lead to asymmetric division, mitotic slippage and direct apoptotic death. PP-2 and PP-13 directly target tubulin and compete with colchicine for the binding to tubulin. Unlike conventional antimitotic agents, PP-2 and PP-13 are not sensitive to chemoresistance mechanisms involving the overexpression of efflux pumps. Moreover, at IC50, these two compounds do not affect the microtubule network during interphase suggesting a less toxic (mainly neurotoxic) effect. Among these two compounds, the PP-13 molecule appears to be the most interesting anti-cancer molecule because of its IC50 10-fold lower than PP-2 and its 2-fold higher affinity for tubulin. In vivo, PP-13 significantly reduces tumor and metastasis growth. All these results suggest that PP-13 might be a potential alternative for the treatment of many cancers including chemoresistant cancers.

Les éléments Alu sont les retrotransposons les plus prolifiques chez l’humain avec plus d’1 million de copies occupant plus de 10% du génome. Afin de contrecarrer l’expansion des rétro-éléments, les organismes ont développés différents mécanismes pour préserver l’intégrité de leurs génomes. Le plus proéminent, également utilisé pour lutter contre la réinsertion d’ADN viral dans le génome hôte, est l’édition de l’ARN. Chez les mammifères, la plus courante est la déamination de l’adénine en inosine catalysée par la famille de protéine ADAR dont Les principales cibles sont les éléments Alu chez l’humain. L’édition des éléments Alu conduit à leur séquestration dans le noyau des cellules, mute leurs promoteurs internes, cible de l’ARN polymérase III (POLIII), et leurs queues poly-A, prévenant ainsi leur future rétrotransposition. Dans la première partie de cette étude, l’analyse de données de séquençage haut-débit révèle que ~40% des éléments Alu sont reconnus par POLIII, qu’ils sont présents en tant que petits ARN dans le cytoplasme et le noyau des cellules, que certain d’entre eux sont associés à la chromatine, et que la transcription des éléments Alu est un phénomène courant dans les tissus somatiques qui concorde avec l’expression d’éléments LINE1 fonctionnels. Ceci suggère que la rétrotransposition peut être un mécanisme normal dans la plupart des tissus humains. Enfin, l’analyse de l’expression des éléments Alu et LINE1 chez la souris montre que la transcription de rétrotransposons n’est pas spécifique de l’humain. Dans la seconde partie de cette étude, une nouvelle méthode a été développée pour explorer l’impact de l’édition de l’ARN sur le transcriptome en identifiant les ARN édités par séquençage haut-débit. Dans un premier temps, un anticorps ciblant ADAR a été utilisé pour extraire les ARN associés aux protéines de l’édition. Cette méthode n’étant pas suffisamment efficace, une autre stratégie, qui extrait directement les ARN contenant de l’inosine, a été développée : dans un premier temps, l’ARN est fixé à des billes magnétiques par leurs extrémités 3’, ensuite, les billes sont traitées au glyoxal/acide borique et à la RNAse T1 pour libérer la région 5’ des ARN contenant une ou plusieurs inosines, et enfin, les ARN libérés sont séquencés par séquençage haut débit. En utilisant cette méthode, 1822 sites d’éditions ont été identifiés dans l’ARN de cerveau de souris, incluant 28 nouveaux sites présents dans des séquences codantes qui conduisent à des mutations non-synonymes des futures protéines. Des sites d’éditions ont aussi été observés pour la première fois dans les ARN ribosomaux, les snoRNA et les snRNA. / The Alu repeats comprise more than 10% of the human genome. They spread in the genome by retrotransposition. As a response to this invasion, organisms developed mechanisms to preserve the integrity of their genome, such as RNA editing. The most abundant type of editing in mammals is A-to-I editing where the ADAR proteins transform adenosine into inosine and targets mainly Alu elements in human. Editing of the Alu elements leads to their sequestration in the nucleus and mutates their internal POLIII promoter and their poly-A tail, thus preventing their subsequent transposition. In the first part of this study, we challenged the view that Alu elements are dormant occupant of the genome by characterizing their activity. Deep-sequencing data analyses revealed that ~40% of Alu elements can bind POLIII, they present a definite localization in the cell and associate with chromatin and polysomes, and that Alu elements transcription is a widespread phenomenon in normal tissues which correlates with functional LINE1 elements expression. This suggested that Alu element retrotransposition may be a natural mechanism in most normal human tissues. Further analyses showed that SINE and LINE expression in somatic tissues was not exclusive to human but also occurs in mouse. Finally, attempts were made to identify tissue specific insertions in the human genome resulting from retrotransposition events. In the second part of this study, a new method was developed to understand the full impact of RNA editing on transcriptomes by characterizing the edited RNA in a high-throughput fashion. First, immunoprecipitation was attempted to pull-down RNA associated with the editing enzymes ADARs. Since this method was inefficient, another approach purifying directly the edited RNA was developed. First, the RNA was sequestered on magnetic beads. Then an inosine specific cleavage based on RNAseT1 treatment of RNA protected with glyoxal and borate allowed the separation of the edited RNA from the total RNA. Finally, deep sequencing was used to identify edited RNA. 1,822 editing sites were found in mouse brain RNA by this method, including 28 new editing sites modifying the coding sequences of genes and editing in rRNA, snoRNA and snRNA which were never observed before.

L'industrie alimentaire cherche constamment à améliorer les processus de conservation des aliments. La biopréservation s’impose comme une alternative à l’utilisation de conservateurs dits «chimiques» et fait appel à des micro-organismes sélectionnés en tant que cultures protectrices pour leurs propriétés antimicrobiennes naturels. L'objectif de cette étude était de tirer profit de la diversité de Carnobacterium maltaromaticum afin d’identifier des souches capables d'inhiber la croissance du pathogène alimentaire Listeria monocytogenes. Pour cela, une méthode de typage moléculaire permettant la reconnaissance fine de souches a été établie, puis une méthode de criblage d’activités antibactériennes à robustesse élevée a été mise au point. La méthode de typage moléculaire est une méthode MLVA (Multiple-locus variable-number tandem repeat (VNTR) analysis) avec 3 loci de VNTR (VNTR-A, VNTR-B, VNTR-C) permet de discriminer 15 génotypes différents au sein d’une collection de 24 souches. Cela confirme la grande diversité génotypique et phénotypique présente au sein de la population de C. maltaromaticum et la performance de la méthode. La méthode de criblage est basée sur la réalisation d’essais de compétition à haut débit où chaque membre d’une collection de C. maltaromaticum a été co-cultivé avec une souche bioluminescente de L. monocytogenes. Il a été montré que la production de luminescence est le reflet de la croissance de L. monocytogenes en micro-culture et qu’il est ainsi possible de tester la stabilité du pouvoir antagoniste de chaque membre de la collection dans de multiples conditions de cultures différentes. Cette méthode a ainsi permis d’identifier des souches de C. maltaromaticum dont la propriété anti-L. monocytogenes est peu influencée par les conditions de cultures. Outre l’intérêt fondamental que présente cette méthode pour l’étude des interactions compétitives dans l’aliment, elle a permis d’identifier des souches présentant un fort potentiel de valorisation dans le domaine de la biopréservation alimentaire / The food industry is constantly seeking to improve food preservation processes. Biopreservation imposes itself as an alternative to the use of chemical preservatives and involves micro-organisms selected as protective cultures for their natural antimicrobial properties. The aim of this study was to benefit from the diversity of Carnobacterium maltaromaticum in order to identify strains capable of inhibiting the growth of Listeria monocytogenes, a food-borne pathogen. For this purpose, a molecular typing method that enables fine strain identification has been established, then a method of screening of antibacterial activities with high robustness has been developed. The molecular typing method is a MLVA (Multiple-locus variable-number tandem repeat (VNTR) analysis) with 3 VNTR loci (VNTR-A, VNTR-B, VNTR-C). It allowed to discriminate 15 different genotypes among a collection of 24 C. maltaromaticum strains. These results confirmed the high strain diversity within this species and showed the high performance of this method. The screening method is based on high throughput competition assays where each member of a collection of C. maltaromaticum strains was co-cultivated with a bioluminescent strain of L. monocytogenes. It was established that the bioluminescence of this strains is highly correlated to bacterial growth in micro-cultures, indicating that it is possible to investigate the stability of antagonistic properties of each collection member under multiple different culture conditions. The use of this method allowed to identify C. maltaromaticum strains with bioprotection properties that are poorly influenced by culture conditions. Besides the fundamental interest of this method for investigations of competitive interactions in food, it allowed to identify strains with high potential for bioprotection applications

Les gliomes sont les principales tumeurs primitives du cerveau affectant environ 4000 nouveaux patients par an en France. La moitié des gliomes est détectée au stade avancé de glioblastome (grade IV) tandis que 15% des tumeurs sont diagnostiquées au stade II de gliomes diffus dit de bas grade. Ces tumeurs affectent des patients jeunes et présentent des mutations caractéristiques, notamment une mutation pour l’enzyme IDH1 communément retrouvée dans les glioblastomes secondaires. Ces tumeurs de bas grade sont traitées par une chirurgie, idéalement en condition éveillée mais du fait de leur nature diffuse, la partie résiduelle progressera inexorablement vers un stade III ou IV avec une survie globale entre 5 ans et 15 ans après diagnostique. La progression tumorale est hautement variable et non prédictible d’un patient à l’autre. Des foyers de progression tumorale chez 20% des patients atteints de gliome diffus de bas grade ont été identifiés. Ces foyers montrent une densité cellulaire plus élevée ainsi qu’un Ki67 augmenté. Mon travail de thèse aura consisté à étudier les modifications cellulaires et moléculaires associées à ces foyers de progression tumorale. À partir du profil ARN des foyers et des territoires adjacents, j’ai pu mettre en évidence par des techniques haut-débit la baisse d’expression significative de gènes dans les foyers notamment de AGXT2L1/ETNPPL, carboxypeptidase E, EDNRB, SFRP2. J’ai émis l’hypothèse que SFRP2 et ETNPLL pourraient s’opposer à la prolifération cellulaire et que leur diminution dans les foyers ouvrirait la voie à la transformation tumorale. Une corrélation inverse entre la quantité d’ETNPPL enzyme et la survie de patients atteints d’hépatocarcinomes a été publiée. En limitant la quantité de précurseurs de phospholipides dans la cellule, ETNPPL pourrait agir comme un frein en s’opposant à la prolifération et de fait, sa diminution dans les foyers de transformation des gliomes pourrait lever cette inhibition. Mes travaux auront été innovants tant dans leur approche comparative des différents compartiments tumoraux pour chaque patient étudié et auront révélés ETNPPL comme corrélé à la gliomagenèse et potentielle cible thérapeutique. / Gliomas are the main primary brain tumours affecting around 4000 new patients in France each year. Half of gliomas are detected in the advanced stage of glioblastoma (grade IV) while 15% of tumours are diagnosed in stage II (diffuse low-grade gliomas-DLGG). These tumors affect young patients and bear characteristic mutations, including a mutation for the enzyme IDH1 commonly found in secondary glioblastomas. These low-grade tumours are treated by surgery, ideally in awake condition but due to their diffuse nature, the residual part will progress inexorably to stage III or IV with overall survival between 5 and 15 years after diagnosis. Tumor progression is highly variable and unpredictable from one patient to another. Foci of tumor progression have been identified in 20% of patients with DLGG. These foci show a higher cell density and an increased Ki67. My thesis work consisted in studying the cellular and molecular changes associated with tumor progression. From the RNA profile of the foci and adjacent territories, I was able to highlight through high-throughput techniques significant decrease in gene expression in the foci, particularly of AGXT2L1/ETNPPL, carboxypeptidase E, EDNRB, SFRP2. I hypothesized that SFRP2 and ETNPLL could oppose cell proliferation and that their decrease would pave the way for tumor transformation. An inverse correlation between the amount of ETNPPL and the survival of patients with hepatocarcinoma has been published. By limiting the amount of phospholipid precursors in the cell, ETNPPL could act as a brake against proliferation and indeed, its decrease in glioma transformation foci could remove this inhibition. My PhD work will have been innovative in the comparative approach of the different tumors’ compartments for each patient studied and will have revealed ETNPPL as correlated to gliomagenesis and as potential therapeutic target.

Depuis leur émergence autour de 2006, les technologies de séquençage haut débit ont révolutionné la recherche biologique et médicale. Obtenir instantanément une grande quantité de courtes ou longues lectures de presque tout échantillon biologique permet de détecter des variantes génomiques, révéler la composition en espèces d’un métagénome, déchiffrer la biologie du cancer, décoder l'évolution d’espèces vivantes ou disparues, ou mieux comprendre les schémas de la migration humaine et l'histoire humaine en général. La vitesse à laquelle augmente le débit des technologies de séquençage dépasse la croissance des capacités de calcul et de stockage, ce qui crée de nouveaux défis informatiques dans le traitement de données de séquençage haut débit. Dans cette thèse, nous présentons de nouvelles techniques informatiques pour la localisation (mapping) de lectures dans un génome de référence et pour la classification taxonomique. Avec plus d'une centaine d’outils de localisation publiés, ce problème peut être considéré comme entièrement résolu. Cependant, une grande majorité de programmes suivent le même paradigme et trop peu d'attention a été accordée à des approches non-standards. Ici, nous introduisons la localisation dynamique dont nous montrons qu’elle améliore significativement les alignements obtenus, par comparaison avec les approches traditionnelles. La localisation dynamique est basée sur l'exploitation de l'information fournie par les alignements calculés précédemment, afin d’améliorer les alignements des lectures suivantes. Nous faisons une première étude systématique de cette approche et démontrons ses qualités à l'aide de Dynamic Mapping Simulator, une pipeline pour comparer les différents scénarios de la localisation dynamique avec la localisation statique et le “référencement itératif”. Une composante importante de la localisation dynamique est un calculateur du consensus online, c’est-à-dire un programme qui collecte des statistiques des alignements pour guider, à la volée, les mises à jour de la référence. Nous présentons OCOCO, calculateur du consensus online qui maintient des statistiques des positions génomiques individuelles à l’aide de compteurs de bits compacts. Au-delà de son application à la localisation dynamique, OCOCO peut être utilisé comme un calculateur de SNP online dans divers pipelines d'analyse, ce qui permet de prédire des SNP à partir d'un flux sans avoir à enregistrer les alignements sur disque. Classification métagénomique de lectures d’ADN est un autre problème majeur étudié dans la thèse. Etant donné des milliers de génomes de référence placés sur un arbre taxonomique, le problème consiste à affecter rapidement aux nœuds de l'arbre une énorme quantité de lectures NGS, et éventuellement estimer l'abondance relative des espèces concernées. Dans cette thèse, nous proposons des techniques améliorées pour cette tâche. Dans une série d'expériences, nous montrons que les graines espacées améliorent la précision de la classification. Nous présentons Seed-Kraken, extension sur les graines espacées du logiciel populaire Kraken. En outre, nous introduisons une nouvelle stratégie d'indexation basée sur le transformé de Burrows-Wheeler (BWT), qui donne lieu à un indice beaucoup plus compact et plus informatif par rapport à Kraken. Nous présentons une version modifiée du logiciel BWA qui améliore l’index BWT pour la localisation rapide de k-mers / Since their emergence around 2006, Next-Generation Sequencing technologies have been revolutionizing biological and medical research. Obtaining instantly an extensive amount of short or long reads from almost any biological sample enables detecting genomic variants, revealing the composition of species in a metagenome, deciphering cancer biology, decoding the evolution of living or extinct species, or understanding human migration patterns and human history in general. The pace at which the throughput of sequencing technologies is increasing surpasses the growth of storage and computer capacities, which still creates new computational challenges in NGS data processing. In this thesis, we present novel computational techniques for the problems of read mapping and taxonomic classification. With more than a hundred of published mappers, read mapping might be considered fully solved. However, the vast majority of mappers follow the same paradigm and only little attention has been paid to non-standard mapping approaches. Here, we propound the so-called dynamic mapping that we show to significantly improve the resulting alignments compared to traditional mapping approaches. Dynamic mapping is based on exploiting the information from previously computed alignments, helping to improve the mapping of subsequent reads. We provide the first comprehensive overview of this method and demonstrate its qualities using Dynamic Mapping Simulator, a pipeline that compares various dynamic mapping scenarios to static mapping and iterative referencing. An important component of a dynamic mapper is an online consensus caller, i.e., a program collecting alignment statistics and guiding updates of the reference in the online fashion. We provide OCOCO, the first online consensus caller that implements a smart statistics for individual genomic positions using compact bit counters. Beyond its application to dynamic mapping, OCOCO can be employed as an online SNP caller in various analysis pipelines, enabling calling SNPs from a stream without saving the alignments on disk. Metagenomic classification of NGS reads is another major problem studied in the thesis. Having a database of thousands reference genomes placed on a taxonomic tree, the task is to rapidly assign to tree nodes a huge amount of NGS reads, and possibly estimate the relative abundance of involved species. In this thesis, we propose improved computational techniques for this task. In a series of experiments, we show that spaced seeds consistently improve the classification accuracy. We provide Seed-Kraken, a spaced seed extension of Kraken, the most popular classifier at present. Furthermore, we suggest a new indexing strategy based on a BWT-index, obtaining a much smaller and more informative index compared to Kraken. We provide a modified version of BWA that improves the BWT-index for a quick k-mer look-up

Pseudomonas aeruginosa est un bacille gram négatif, ubiquiste de l'environnement. Ce pathogène opportuniste humain provoque sous sa forme planctonique des infections aiguës dont le facteur de virulence clé est le SST3. P. aeruginosa peut aussi se développer sous forme de biofilm où elle exprime entre autre le SST6-1 et induire des infections chroniques. L'expression ciblée des différents facteurs de virulence est liée à l'intégration de nombreux stimuli environnementaux transduits au moyen de systèmes à deux composants ou encore de messagers secondaires, comme le di-GMPc et l'AMPc, et conduisant à une régulation très fine, conférant une grande capacité d'adaptation à la bactérie. La nature, de même que les mécanismes impliqués dans la transduction du signal, n'ont pas encore été tous identifiés à ce jour. Le but de cette thèse était de décrypter ces mécanismes moléculaires de détection et de transduction du signal gouvernant la réponse adaptative de ce pathogène à son environnement au moyen de différentes approches : chémogénomique, mutagénèse aléatoire et d'étude d'isolat clinique. Lors de cette thèse, nous avons criblé deux chimiothèques commerciales à la recherche de molécules activatrices du SST3 et du SST6-1 et nous avons pu établir un test de criblage à haut débit robuste pour les criblages de plus larges banques de composés. En utilisant une souche avec deux rapporteurs, nous avons réalisé une banque de mutants par transposons et nous avons trouvé des mutants affectés dans leur expression du SST3, candidats intéressants pour identifier de nouveaux régulateurs du système. Enfin, grâce à l'analyse de l'isolat clinique CHA (issu d'un patient atteint de mucoviscidose), nous avons découvert qu'une délétion dans le gène codant pour le régulateur majeur GacS définissait le phénotype agressif de cette souche. / Pseudomonas aeruginosa is a gram negative bacillum present in several places. This opportunistic pathogen has the capacity to infect a wide range of hosts: plants, animals, humans. This bacterium, that shows an impressive adaptability relying on a multifactorial virulence, possesses two lifestyles. These lifestyles are associated with specific virulence patterns of expression. Under its planktonic form, P. aeruginosa can provoke acute infections thanks to the activation of T2 and T3SS or induces chronic infections in cystic fibrosis patients' lungs where it establishes a biofilm (communautary life). The expression of virulence factors is linked to the integration of several environmental cues that are transduced through two-component systems and secondary messengers like c-di-GMP and that lead to a fine tuned regulation. The nature and the mechanisms involved in this signal transduction remain largely unknown. The goal of this thesis was to decipher molecular mechanisms of signal detection and transduction that govern the adaptive pathogen response to host environment using the combination of a chemogenomics, random mutagenesis and study of clinical isolate. During this work, we screened two commercial libraries and set up a robust high throughput screening test to analyse huge molecules libraries. By setting up a double reporter-gene strain, we realized a transposon mutagenesis bank and identified interesting candidates with a down-regulated T3SS. Finally, the study of the particular clinical isolate CHA (from a cystic fibrosis patient), leads to the discovery that a deletion in the gene encoding for the important regulator GacS shapes the aggressive phenotype of this strain.

Le diagnostic, la caractérisation et l'identification rapides et précis des agents pathogènes sont essentiels pour guider le traitement, détecter les événements de transmission ou les échecs de traitement. Cependant le monde biomédical est confronté à des pathogènes émergents et ré-émergents. Ainsi certaines souches bactériennes cliniques présentent des spécificités de virulence, contagiosité et/ou de résistance aux antibiotiques. Le séquençage génomique à haut débit et l’analyse comparative des génomes bactériens constituent une bonne stratégie pour étudier rapidement les caractéristiques de ces pathogènes émergents. En à peine un peu plus de 20 ans, la génomique a connu un développement considérable grâce aux nouvelles technologies de séquençage à haut débit et à l’intérêt des scientifiques, qui ont permis l’augmentation exponentielle du nombre de génomes bactériens séquencés et disponibles dans les bases de données publiques. La génomique en temps-réel consiste en une analyse rapide du génome d’une souche bactérienne clinique pour identifier les déterminants génétiques de ses caractéristiques phénotypiques inhabituelles. C’est ainsi que les objectifs de ce projet de thèse étaient : d’exploiter rapidement les données de séquençage de génomes complets pour déterminer les répertoires de résistance et de virulence ; de comparer les génomes provenant des bactéries cliniques atypiques à ceux d’autres bactéries des mêmes espèces pour identifier leurs caractéristiques spécifiques ; d’utiliser les génomes comme outil taxonomique pour décrire rapidement les nouvelles espèces bactériennes isolées dans le laboratoire par culturomique. / Rapid and accurate diagnosis, characterization and identification of pathogens are essential to guide treatment and detect transmission events or treatments failures. However, the biomedical field is confronted with emerging and re-emerging pathogens. Some of these clinical bacterial strains exhibit specificities concerning the virulence, contagiousness and / or resistance to antibiotics. High-throughput sequencing and comparative analysis of bacterial genomes is a reliable strategy enabling the rapid study of the characteristics of these emerging pathogens. In a short period, not exceeding 20 years, genomics has known a considerable revolution. In effect the introduction of the new high-throughput sequencingtechnologies and the increased concern of the scientist into this field, led to an exponential increase of number of available sequenced bacterial genomes in public databases. Real-time genomics is a strategy consisting on rapid analysis of the genome of a clinical bacterial strain in order to identify the genetic determinants justifying its unusual phenotypic characteristics. Thus, the objectives of this thesis project were: to rapidly exploit whole-genome sequencing data for identification of the virulence or resistance repertoire; to compare genomes from atypical clinical bacteria to those of other bacteria of the same species in order to identify their specific features; to use genomes as a taxonomic tool to rapidly describe the new bacterial species isolated in the laboratory by culturomics approach.

La protéine p53 (« Gardien du génome ») doit être altérée pour que le cancer puisse se développer. Les nombreuses thérapies anti-cancéreuses disponibles sont très efficaces mais la réponse clinique est souvent transitoire et les cancers disséminés rechutent ou progressent du fait de l'évolution de sous-populations cancéreuses résistantes au traitement, impliquant souvent TP53 qui est le gène le plus muté dans les formes agressives de nombreux cancers. Nous l’avons étudié dans la leucémie lymphoïde chronique (LLC) et les syndromes myélodysplasiques avec délétion 5q (SMD del(5q)). Grâce à l’étude rétrospective longitudinale de 40 patients atteints de SMD del(5q), nous avons généré des données de NGS ciblé et montré que le statut mutationnel de TP53 au diagnostic ne permettait pas de prédire la progression tumorale, contrairement à ce qui avait été publié précédemment (Jädersten et al., JCO 2011). Nous avons montré que c’était l’évolution clonale du gène TP53 qui était l’élément clé de la progression des SMD del(5q). Nous avons observé de nombreuses émergences de clones mutés entre le stade diagnostique et un stade ultérieur de la maladie, toujours après initiation du traitement par lénalidomide.Le lénalidomide a été approuvé comme nouveau traitement spécifique et très efficace contre l’anémie liée aux SMD del(5q), permettant à la plupart des patients d’être indépendants des transfusions sanguines. Le lénalidomide permet souvent d’éradiquer le clone tumoral porteur de l’anomalie génétique del(5q) isolée, induisant une rémission clinique. Malheureusement, cette rémission est courte avec une durée médiane de 2 ans, puis, dans environ 1 cas sur 2, survient une transformation en leucémie aiguë secondaire de pronostic péjoratif.Nous avons étudié un possible lien entre le traitement par lénalidomide et l’évolution clonale de TP53 par annotation clinico-bio-thérapeutiques des résultats de séquençage de TP53 chez les 24 patients dont les échantillons séquentiels avaient été analysés. Dans notre étude, les patients avec progression tumorale (dont 10 évolutions clonales de TP53 et 1 évolution clonale de RUNX1) avaient reçu une dose cumulée de lénalidomide supérieure à celle reçue par les patients dont la tumeur était restée stable (p = 0.036). Nous avons observé chez plusieurs patients que l’éradication de la tumeur n’était pas utile à l’amélioration de la qualité de vie des patients. La non-éradication semblait même permettre un maintien de l’équilibre clonal et une compétition entre les différents sous-clones de la tumeur, résistants ou non au lénalidomide.Nous discutons de l’évolution de l'écologie de la tumeur au cours du traitement, i.e., l’évolution de ses interactions avec son micro-environnement qui se modifie après chaque nouvelle dose de traitement. Un modèle évolutif dit théorie de la thérapie adaptative, développée récemment remet en question les protocoles conventionnels de thérapie anti-cancéreuse qui préconisent souvent d'administrer la dose maximale tolérée par le patient (Gatenby, 2009). Elle suggère que la dose minimale efficace présenterait l’avantage de ne pas éradiquer les cellules cancéreuses sensibles au traitement pour qu'elles restent en compétition avec les cellules cancéreuses résistantes et limiter la progression ou la rechute. Nous suggérons de prendre en compte également la diminution des effets indésirables pour le patient, améliorant ainsi sa qualité de vie, et enfin la diminution des dépenses de santé pour la collectivité. A ce jour, peu d’études cliniques évaluent l’intérêt de l’adoption de tels protocoles de thérapie adaptative.Néanmoins, des modèles in vivo (xénogreffes) et in silico (modèles statistiques) ont permis d’analyser la dynamique évolutive des populations tumorales en fonction du traitement reçu. Ces modèles prédisent que la survie de l’hôte peut être maximisée par la mise en place d’une thérapie adaptative. / P53 protein is named «guardian of the genome » because it must be altered to let cancer grow.TP53 is the most mutated gene in agressive cancers.Numerous systemic therapies are successful for treatment of disseminated cancers. However, clinical response is often transient, and cancer undergo relapse or progression due to emergence of resistant populations. These latter often harbour TP53 mutations. We studied TP53 in chronic lymphoid leukemia (CLL) and lower-risk myelodysplastic syndroms with del(5q), MDS del(5q). We conducted a retrospective longitudinal study in 40 patients suffering from MDS del(5q). We obtained targeted NGS data showing that TP53 mutational status at diagnosis could not predict tumor progression, by contrast with previously published data (Jädersten et al., JCO 2011). We show that TP53 clonal evolution is the key feature of tumor progression in MDS del(5q). We observed numerous mutated sub-clones emerging between diagnosis and follow-up. In our study, this emergence always followed onset of lenalidomide treatment. Lenalidomide was recently approved as a new therapy specifically improving anemia in patients with MDS del(5q). It allows most patients to become red-blood-cells-transfusion independent. Lenalidomide often eradicates the major tumor clone harbouring the isolated genetic abnormality deletion (5q) and allows clinical remission. Unfortunately, this remission is short (median, 2 years) and is followed, in 1 case out of 2, by a secondary acute leukemic transformation with a very poor prognosis.We studied the issue of a possible link between lenalidomide therapy and TP53 clonal evolution by annotating TP53 sequencing results with acute biological, clinical and therapeutic features in the 24 patients with sequential samples analyzed. In our study, patients with tumor progression (10 TP53 clonal evolution and 1 RUNX1 clonal evolution) were given a higher cumulative dose of lenalidomide compared to patients with stable disease (p = 0.036). Similarly to « adaptive therapy theory »(Gatenby 2009), we observed that eradication of the tumor wasn’t useful for improvement of quality of life. Absence of eradication might even allow to maintain a clonal equilibrium and a clonal competition between the distinct tumor sub-clones, resistant to lenalidomide or not, and therefore maintain stable disease.This theory of adaptive therapy questions the classical protocols of treatments against cancer, in which the maximal tolerated dose is preferred to the minimal effective dose. The latter might however slow down cancer progression or cancer relapse, with decreased side effects in patients, and decreased health costs.To date, few clinical trials (if any) questions such protocols of adaptive therapy. However, in vivo experiments (xenografts) and in silico statistical models allowed to study evolutionary dynamics of tumor sub-populations with and without therapy.The models predict that host survival can be maximized if “treatment-for-cure strategy” is replaced by “treatment-for-stability.” Specifically, the models predict that an optimal treatment strategy will modulate therapy to maintain a stable population of chemosensitive cells that can, in turn, suppress the growth of resistant populations under normal tumor conditions, Dr Gatenby said.