Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Les cassures double-brin de l'acide désoxyribonucléique (ADN) sont parmi les lésions les plus cytotoxiques car une seule lésion non réparée est létale chez la levure. Dans le but de réparer efficacement ces dommages, la cellule dispose de différents mécanismes tels que le Non Homologous End Joining (NHEJ). Toutefois ces mécanismes peuvent causer des mutations et, lorsqu' il est possible, la cellule privilégie un système qui permet une réparation très fiable: la recombinaison homologue. Ce processus peut aussi être utilisé lors de la méiose pour créer de la diversité génétique. La méiose est un mécanisme complexe et une mauvaise régulation peut mener à des problèmes tels que l' aneuploïdie. La recombinaison homologue méiotique se divise en quatre étapes majeures: (i) l' initiation qui crée des cassures double-brin par un complexe muItiprotéique incluant Rec12; (ii) la résection de l'ADN ou les protéines majeures sont Rad32/Rad50/Nbsl; (iii) l'invasion d'un duplex homologue avec les protéines RadSl et Dmcl, et pour terminer (iv) la résolution des jonctions de Holliday. Lors de mes études de doctorat, je me suis concentré sur la caractérisation biochimique des principales protéines des trois premières étapes (initiation, résection et particulièrement l'invasion) de la recombinaison méiotique chez Schizosaccharomyces pombe permettant la réparation des cassures double-brin. Mes travaux avaient pour but de caractériser les protéines Dmcl et le complexe Hop2/Mndl chez S.pombe. Nous avons déterminé que Dmcl avait comme Rad 51 la capacité de former un filament hélical sur l'ADN simple brin, ansi que de catalyser des réactions d'échange de brin. D'autre part j'ai mis en évidence le rôle que joue le complexe Hop2/Mndl dans la stimulation de Dmc 1, ainsi que les différences entre les protéines de S.pombe et de la SOurIS.

Le facteur de transcription GATA4 est essentiel au développement et à la fonction des tissus dérivant du mésoderme et de l’endoderme, incluant les gonades. Le gène GATA4 est exprimé sous différents transcrits qui se distinguent par la séquence de leur premier exon non codant. Deux de ces transcrits sont majoritairement exprimés et sont conservés à travers les espèces : le transcrit GATA4 E1a (généré par un promoteur proximal 1a) et le transcrit GATA4 E1b (produit par le promoteur distal 1b). Des études effectuées chez des modèles de souris ont démontré qu’une séquence de 5 kb en amont du promoteur 1a du gène Gata4 est suffisante pour récapituler l’expression endogène du gène seulement dans une sous-population de cellules ayant le facteur GATA4, incluant les cellules de Sertoli dans les gonades mâles. Nous avons donc émis l’hypothèse que le promoteur 1b, tout comme le promoteur 1a, contribue au profil d’expression cellules- et tissus-spécifique de Gata4. Afin d’étudier les mécanismes qui contrôlent l’activité du promoteur alternatif 1b du gène Gata4 in vivo, nous avons généré une souris transgénique exprimant la protéine GFP sous le contrôle d’une séquence de 2 kb en amont de l’exon 1b. L’expression du transgène a été analysée dans plusieurs tissus et à différents stades de développement en détectant la protéine GFP par épifluorescence, immunohistochimie et Western Blot. Les résultats ont démontré qu’une séquence de 2 kb n’est pas suffisante pour induire l’expression du transgène chez la souris et suggèrent que des éléments de régulation supplémentaires sont nécessaires pour permettre l’expression endogène du gène Gata4 via son promoteur alternatif 1b. Afin d’identifier ces éléments, divers outils bio-informatiques couplés à des analyses in vitro ont été utilisés. Mes travaux de maîtrise mettent en évidence huit nouveaux enhancers potentiellement impliqués dans la régulation de l’activité du promoteur 1b de Gata4. Les résultats de cette étude permettent une meilleure compréhension des mécanismes transcriptionnels de l’activité du promoteur 1b de Gata4 dans différents types cellulaires et à différents stades du développement. / The GATA4 transcription factor is essential for the development and function of multiple tissues derived from both mesoderm and endoderm, such as the gonads. The GATA4 gene is expressed as multiple transcripts that differ in their first untranslated exon sequence. Two of them are predominantly expressed and are conserved among species: transcripts GATA4 E1a (generated by the proximal 1a promoter) and GATA4 E1b (via its distal 1b promoter). Previous studies using transgenic mice demonstrated that a 5 kb sequence upstream of 1a promoter is sufficient to recapitulate endogenous Gata4 expression only in a subset of cells normally containing GATA4, including Sertoli cells in the male gonad. We therefore hypothesized that 1b promoter, like 1a promoter, contributes to cell- and tissue-specific Gata4 expression. To gain insight into the mechanisms that control the activity of the Gata4 1b promoter in vivo, we generated transgenic mice expressing a GFP reporter under the control of 2 kb of sequences upstream of the distal promoter. Transgene expression was assessed in several tissues and at many developmental stages by detecting GFP protein by epifluorescence, immunohistochemistry and Western Blot. The results showed that 2 kb of upstream sequences of Gata4 1b promoter are not sufficient to direct transgene expression in the mouse and suggest that other elements are required for endogenous transcription of the gene from its distal 1b promoter. To identify these elements, several bioinformatic analyses coupled with in vitro assays were performed. My work highlights eight new enhancers potentially involved in Gata4 1b promoter activity. The results from this thesis will help to provide a better understanding of the mechanisms involved in the transcriptional regulation of the GATA4 gene in different cell types and at different developmental stages.

Chez les plantes à fleurs, où une immense variété de stratégies de reproduction est rencontrée, la dispersion des gènes s’opère classiquement via des flux de pollen pour la voie mâle, et via des flux de graines pour la voie femelle. La gynodioécie correspond à un système de reproduction original, caractérisé par la coexistence de plantes femelles et de plantes hermaphrodites au sein de populations naturelles. Ce système de reproduction suscite depuis longtemps un intérêt particulier, du fait d’un paradoxe évolutif apparent : les individus femelles, ayant perdu une voie de transmission de leur information génétique, devraient être désavantagés par rapport aux hermaphrodites, dotés des deux voies de transmission des gènes. L’objet de ce travail thèse était d’expliquer le maintien des femelles et les importantes variations spatiales de sex ratio fréquemment observées dans les populations naturelles de betterave maritime (Beta vulgaris ssp. maritima), chez laquelle le déterminisme du sexe implique des interactions entre des gènes cytoplasmiques induisant la stérilité mâle (CMS) et des allèles nucléaires de restauration de la fonction mâle. En mêlant des approches de biologie et de génétique des populations, trois thématiques ont ainsi été abordées. (i) La valeur sélective des différents types sexuels a été mesurée, en faisant appel à des mesures phénotypiques en conditions contrôlées et à des analyses de paternité en populations naturelles. Ceci a permis de révéler un avantage femelle extrêmement restreint ainsi que des variations importantes du succès reproducteur mâle chez les hermaphrodites, liées notamment au génotype des individus et à l’existence d’un coût de la restauration. (ii) La caractérisation moléculaire de la diversité génétique au sein de plusieurs populations naturelles et entre plusieurs cohortes successives nous a permis de mettre en lumière l’importance relative des effets de la migration, des évènements de fondation et de la dérive génétique sur la structure spatiale des phénotypes sexuels. Les variations observées de sex ratio à très fine échelle semblent ainsi expliquées par des effets de fondation multiples couplés à des flux de pollen et de graines restreints dans l’espace. (iii) Finalement, nous mettons en évidence l’effet important que cette forte structure spatiale des sexes peut avoir, à la fois sur les individus hermaphrodites et sur les individus femelles. L’ensemble de nos résultats montre qu’une structure spatiale à fine échelle, générée par des évènements de fondation et des flux de gènes limités, peut affecter de façon importante la dynamique de la gynodioécie dans la nature. / In flowering plants, which exhibit a spectacular diversity of reproductive strategies, gene dispersal generally occurs through two distinct pathways: pollen for the male function, and seed for the female function. Among sexually polymorphic flowering plants, gynodioecy refers to a particular breeding system in which females and hermaphrodites co-occur in natural populations. Since females reproduce only through seeds, they apparently transmit their genes only half as frequently as hermaphrodites, which gain fitness through both seed and pollen production. This apparent evolutionary paradox has attracted the attention of evolutionary biologists as far as the mid-nineteenth century. The aim of this PhD thesis was to understand the successful maintenance of female individuals and the important spatial variations in sex ratio that are often observed in natural populations of gynodioecious Beta vulgaris ssp. maritima, in which sex is determined by interactions between cytoplasmic male sterility (CMS) genes and nuclear restorers of male fertility. Using population biology and population genetics approaches, three distinct themes were considered. (i) First, male and female fitness of the different sexual types were compared, using both measures in controlled conditions and paternity analyses in the wild. While our results only suggest a very restricted female advantage, we detected strong male fitness differences among hermaphrodites that were partially explained by the genotype of individuals and by the occurrence of a cost of restoration. (ii) The study of the distribution of genetic diversity in several natural populations and in several consecutive cohorts allowed us to quantify the relative impact of migration, founder events and genetic drift on the spatial distribution of sexes. Overall, random founder effects with spatially restricted pollen and seed flow appeared to be the primary determinants of sex ratio variations. (iii) Finally, we explore how such sex ratio variation can affect the reproductive output of hermaphrodites and females. Altogether, we show that fine-scale spatial structure, resulting from the joint action of founder events and limited gene flow, can notably modify the dynamics of gynodioecy in natural populations.

Pas de résumé / Nephrotic syndrome (NS) is a kidney disease characterized by disruption of the glomerular filtration barrier and the massive loss of proteins into the urine. Although in the majority of cases treatment with steroids leads to remission of the disease, in 15-20% of cases the disease is not responsive to this therapy and is classified as steroid-resistant nephrotic syndrome (SRNS). SRNS is a clinical condition with high morbidity leading to progressive renal failure as well as multiple metabolic and cardiovascular complications. Extensive research over the last 20 years has identified more than 40 SRNS causing genes that are crucial for function of the podocyte, a highly specialized kidney epithelial cell. However, the mutated gene is still unknown in about half of the familial cases. We have used exome sequencing to identify new genes mutated in SRNS. In order to prove the pathogenicity of the identified mutations we used the Drosophila model, assessing defects of fly viability and the structure and function of nephrocytes, podocyte like-cells. My thesis work consists of two projects. Firstly, we identified biallelic mutations in a new candidate gene, SGPL1, encoding the sphingosine 1- phosphate lyase, in individuals presenting SRNS with facultative adrenal insufficiency, ichthyosis, neurological defects and immunodeficiency. SGPL1 is the main catabolic enzyme of sphingolipids, irreversibly degrading sphingosine 1-phosphate into phosphoethanolamine and hexadecenal. In flies, these mutations were shown to decrease viability, induce nephrocyte defects and lead to the accumulation of sphingoid bases due to the loss of SGPL1 catabolic activity. Together, these results indicate that the identified SGPL1 mutations are pathogenic and cause a new syndromic form of SRNS. Moreover, in a second project, we defined the contribution of homozygous mutations found in two different genes, ADD3 and KAT2B, to a complex phenotype found in affected individuals from one consanguineous family. These individuals presented with neurological defects, cataracts, mild skeletal defects, cardiomyopathy and SRNS. ADD3 encodes adduciny, an F-actin capping protein that also links the actin cytoskeleton to the spectrin based membrane skeleton, while KAT2B encodes the lysine acetyltransferase 2B, mainly known for acetylation of histones and modulation of transcriptional programs. We found additional nonrelated patients carrying only biallelic ADD3 mutations that presented a partially overlapping syndrome but with no cardiac or renal manifestations. In the Drosophila model we found that both ADD3 and KAT2B mutations impaired fly viability and that the ADD3 mutation also impaired fly motor function. However, only the KAT2B mutation induced functional defects in Drosophila heart and nephrocytes. Altogether, these results suggest that ADD3 mutations are responsible for a neurological phenotype with facultative cataracts and skeletal defects while the KAT2B mutation induces heart and kidney defects. These results highlight the Drosophila as a good in vivo model to test the pathogenicity of the mutations found in SRNS candidate genes.

Les infrastructures civiles sont généralement soumises à des facteurs externes pouvant agir sur leur durée de vie. Pour les ponts en béton armé, l’environnement agressif induit une pénétration des ions, comme les chlorures, dans le béton poreux entrainant la corrosion des armatures, qui est une cause principale de détérioration pour ce type de structures. Les effets du temps sont aussi à prendre en considération, ceux-ci se manifestent par le fluage et le retrait du béton, suite auxquels la performance de ces ouvrages est fortement influencée. Cependant dans ce type de problème, le caractère probabiliste est souvent dominant. Cela ne se limite pas au trafic routier qui génère des contraintes non-contrôlées dans les sections portantes mais concerne aussi beaucoup de variables impliquées dans le calcul. La théorie de fiabilité a toujours constitué le moyen le plus efficace pour traiter ce type de problèmes, vu qu’elle puisse fournir une idée sur la durée de vie sous forme d’une probabilité de défaillance ou d’un indice de fiabilité. Ce travail comporte quatre axes principaux. Une famille de 21 ponts en béton armé servira pour l’application. Concernant le chargement du trafic, il est simulé en se basant sur des données de pesage en marche provenant d’autoroutes en Europe. La théorie de fiabilité est ensuite utilisée pour le calcul des indices de fiabilité avec le temps. Les effets de corrosion, du fluage et du retrait en plus du chargement réaliste de trafic sont introduits dans le calcul. Enfin, une approche basée sur l’optimisation génétique est proposée afin d’actualiser les lois d’évolution de la rigidité en se basant sur des données simulées de la déflexion à long terme. / Civil infrastructures are generally subjected to external factors that can affect their lifetime. In case of reinforced concrete bridges, the aggressive environment induces, for example, the penetration of ions such as chloride, into the porous concrete leading to the corrosion of reinforcement bars. This constitutes the main cause of deterioration for this kind of structure. Time effects are also to be taken into account, for example creep and shrinkage that strongly influence the performance of the structure. However, in this type of problems, the probabilistic nature is often dominant. This is not limited to the traffic loading which generates uncontrolled stresses, but also concerns most of the variables involved in the calculation. Reliability theory has always been the most appropriate way to deal with this kind of problems, since it can provide an idea about the structure lifetime in the form of failure probability or reliability index. This work has four main axes. A set of 21 reinforced concrete bridges will be used for the application. Regarding the traffic loading applied on the bridges, it is simulated according to weigh-in-motion data recorded in European motorways. Subsequently, the reliability theory is used to calculate the time-dependent reliability indices for the bridge set. The effects of corrosion, shrinkage and creep as well as the realistic traffic loading are introduced in the calculation. Finally, a new approach based on genetic optimization is proposed to update the evolution law of the global rigidity based on simulated data for long term deflection.

Les vitréorétinopathies (VRPs) héréditaires constituent un groupe de maladies cécitantes englobant des formes exsudatives résultant d’un arrêt développemental de la vascularisation rétinienne, et des formes dégénératives associant des anomalies du vitré, de la vascularisation rétinienne et une dégénérescence choriorétinienne. L’analyse par séquençage haut-débit d’une cohorte de 182 patients-VRPs nous a permis d’élargir le spectre des anomalies moléculaires de ces pathologies et d’identifier pour la première fois des délétions hétérozygotes de l’exon 8 du gène VCAN dans la maladie de Wagner, une vitréorétinopathie autosomique dominante très sévère, non syndromique. VCAN code pour la versicane, qui joue un rôle prépondérant dans l’angiogenèse, la migration/prolifération/adhésion/différenciation cellulaire. Tous ces rôles sont sous la dépendance de quatre isoformes, produites par épissage alternatif des exons 7/8, et dont le rapport quantitatif est déséquilibré chez les patients atteints de la maladie de Wagner. Afin de mieux comprendre ces mécanismes, nous avons généré une délétion d’environ 10-kb incluant l’exon 8 de Vcan chez la souris grâce à la technologie Crispr/Cas9. Les analyses moléculaires de ces souris VcanΔ8, indiquent que le déséquilibre quantitatif d’expression des isoformes de la versicane dans les tissus oculaires est similaire à celui retrouvé à partir des fibroblastes des patients Wagner. L’exploration phénotypique ophtalmologique indique que les souris souris VcanΔ8 présentent dès 3 mois une altération de l’ERG similaire à celle observée chez les patients Wagner. Nous avons pu réaliser une analyse du transcriptome oculaire des souris VcanΔ8 par RNA-Seq dont les résultats indiquent des différences d'expression du gène Rp1l1, jouant un rôle au niveau du cil connecteur des photorécepteurs, et de gènes majeurs impliqués dans des voies de signalisation contrôlant l'inflammation choriorétinienne. Ces différentes pistes sont pertinentes pour expliquer en partie les processus physiopathogéniques de la maladie de Wagner. Nous avons également réalisé une étude d'expression des différents isoformes de la versicane au cours du développement oculaire à partir des souris sauvages et transgéniques. Le modèle murin VcanΔ8 offre, pour la première fois, un modèle oculaire qui semble reproduire le modèle humain de la maladie de Wagner. Par conséquent, il offre des perspectives prometteuses vers une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques de la maladie de Wagner. Mais au-delà de la maladie de Wagner, ce modèle pourrait avoir des retombées dans d'autres processus pathologiques. En effet, la versicane est une glycoaminoglycane à chondroïtine sulfate qui suscite une attention toute particulière dans le domaine de la cancérogénèse car c'est une molécule qui semble fortement moduler le phénotype du microenvironnement de nombreuses tumeurs à pronostic défavorable. / Pas de résumé

Différentes études ont mis en lumière des gènes de susceptibilité ou de protection au développement de traits complexes. Pour notre part, l'intérêt s'est concentré sur la lipase lipoprotéique (LPL), où l'impact que provoque une déficience dans ce gène a été clairement démontré sur le développement de maladies cardiovasculaires. Ce projet a pour but de faire l'étude d'association entre quatorze polymorphismes de la LPL et des facteurs de risque cardiovasculaires auprès de 252 travailleurs forestiers de la compagnie Abitibi-Consolidated de Saint-Félicien. Six des variants génotypes avaient une fréquence allélique > 2,5 % et servaient pour les régressions logistiques. Parmi les associations, S447X a été associé avec le risque de présenter de l'obésité abdominale, de l'hyperinsulinémie et de l'hyperglycémie et ce en dépit d'une diminution du risque d'hypertriglycéridémie. Ainsi, cette étude indique l'importance d'analyses supplémentaires afin de mieux comprendre l'implication de la LPL dans les mécanismes qui sous-tendent ces différents facteurs de risque.

Une mutation ponctuelle (N288D), associée à l'expression de l'hyperglycérolémie familiale, a été identifiée dans le gène de la glycérol kinase (GK) au sein de la population du Saguenay-Lac-Saint-Jean (SLSJ). La présente étude a comme objectif d'analyser les caractéristiques démogénétiques de proposants atteints de cette maladie et d'essayer de retracer les origines de la mutation responsable dans la région du SLSJ. Ainsi, à partir des reconstitutions généalogiques de 11 individus présentant cette mutation ainsi que de trois groupes témoins appariés, diverses mesures démogénétiques ont été effectuées et comparées. Les coefficients de consanguinité et d'apparentement sont, dans l'ensemble, supérieurs chez les proposants. L'analyse des fondateurs régionaux a permis de mettre en valeur l'importance des individus provenant de la région de Charlevoix et ce, dans les quatre groupes. Par ailleurs, une analyse approfondie des fondateurs régionaux a permis d'identifier un couple originaire de Baie-St-Paul qui aurait vraisemblablement introduit la mutation N288D dans la région du SLSJ. Il n'a toutefois pas été possible de cibler le ou les individus ayant introduit la mutation dans la population québécoise. Il s'agit de la première étude démogénétique ayant été réalisée sur une cohorte aussi nombreuse de cas d'hyperglycérolémie familiale.

Selon le Global burden of asthma (2004), l'asthme est une maladie inflammatoire chronique des voies respiratoires des plus fréquentes qui affecte environ 300 millions de personnes dans le monde. Cette maladie touche les individus de tous âges et de toutes conditions, bien que de proportion plus élevée chez les enfants. L'asthme est aujourd'hui considéré, dans l'ensemble de la littérature, comme un trait complexe qui apparaît probablement suite à l'influence de facteurs environnementaux chez des individus génétiquement prédisposés. En raison de la grande hétérogénéité phénotypique et génétique observée dans l'asthme, aucun gène de susceptibilité « majeur » à l'asthme n'est reconnu à ce jour. Les objectifs de cette étude sont donc de mettre en évidence des gènes associés à cette affection ainsi que les interactions gène-gène possibles entre eux, en employant l'approche par gènes candidats. La méthodologie repose sur l'emploi d'une population dite à « effet fondateur » (cohorte originaire du Saguenay-Lac-Saint-Jean) dans le génotypage de ces gènes ainsi que d'une démarche statistique originale basée sur la création de pseudotémoins à partir des trios familiaux de la cohorte dans l'analyse des interactions (effectuée à l'aide du test de déséquilibre de transmission version haplotype, du odd ratio et de l'analyse de régression). Des cinq gènes candidats testés, seulement PPARG a montré une association significative avec l'asthme (p = 0,016) et suggestive avec l'atopie (p = 0,042). Concernant les analyses d'interaction, les trois approches statistiques ont permis d'identifier des interactions potentielles entre les gènes PPARG et IL 13 ou IL4RA et entre les gènes IL4RA et IL4 ou IL1B dans l'asthme, ce qui suggère l'emploi de ce type d'analyse dans la recherche de déterminants génétiques pour l'asthme.

L'obésité est définie par l'Organisation Mondiale de la Santé comme étant la première épidémie non infectieuse de l'humanité et constitue un facteur de risque important de maladies cardiovasculaires et de troubles métaboliques (résistance à l'insuline, diabète de type 2, hypertension, dyslipidémies, etc). Il s'agit d'une maladie complexe résultant de l'interaction de facteurs génétiques et environnementaux. Cette étude est la première étape d'un projet visant à vérifier l'impact des facteurs génétiques et environnementaux sur le développement de l'obésité au sein d'une population oeuvrant dans un environnement considéré à risque d'obésité, soit des travailleurs forestiers de la compagnie Abitibi Consolidated de Saint-Félicien. L'originalité de la présente étude réside dans la structure particulière de cette population caractérisée comme étant isolée dû au fait que tous les travailleurs demeurent dans les camps durant la semaine et partagent ainsi un environnement similaire durant cette période. L'objectif de cette étude était de dresser une liste de variants de gènes candidats à l'obésité pour la cohorte de travailleurs forestiers à partir d'une liste de gènes de susceptibilité et de protection déjà documentés. Parmi 36 variants génotypes, 20 se sont avérés polymorphes (fréquence de l'allèle mineur > 2,5 %). Les analyses statistiques ont révélé onze associations positives et ont permis d'identifier cinq variants de protection et trois variants de susceptibilité. Finalement, cette étude a permis de démontrer que l'utilisation d'une population d'individus partageant un environnement commun et circonscrit offre un avantage méthodologique considérable pour l'étude d'un trait complexe.