L'obesité est un problème de santé en soi et c'est aussi un facteur de risque pour de nombreux autres problèmes de santé. Outre le contrôle de l'alimentation et l'activité physique, les options pharmacologiques contre l'obésité restent limitées et de nouvelles options thérapeutiques sont nécessaires. Dans ce contexte, la génomique fonctionnelle peut identifier de nouvelles options pour gérer et étudier l'obésité. Notre groupe de recherche a identifié deux gènes liés aux deux principaux facteurs ayant un impact sur le développement de l'obésité : La diète, principalement riche en gras (HFD) et l'exercice. Ces deux gènes clés sont le trefoil factor family member 2 (Tff2) et la secreted protein acidic and rich in cysteine (SPARC). Alors que Tff2 a été identifié comme un gène induit par la HFD, SPARC a été caractérisé comme un gène induit par l'exercice. Notre groupe de recherche a également constaté que les souris Tff2 knock-out (KO) sont protégées contre l'obésité induite par la HFD. Par conséquent, ma thèse explore Tff2 et Sparc dans le contexte de l'obésité et le métabolisme énergétique. Tff2 est principalement exprimé dans le système digestif où elle a une propriété de protection des muqueuses, tandis que Sparc est plus largement distribué et s'exprime principalement lors de remodelage tissulaire dans des situations telles que les blessures et la croissance. Les parties théoriques de cette thèse décrivent diverses propriétés de Tff2 et Sparc décrites dans la littérature telles que le métabolisme et les rôles cellulaires ainsi que les implications et les applications potentielles des données que j'ai générées. Pour mes données de recherche rapportées dans cette thèse, elles sont divisées en trois publications. La première, explore des souris Tff2 KO pour expliquer leur protection contre l'obésité induite par la HFD. Les souris Tff2 KO avaient des taux plus faibles de glucose, de triglycérides et de glycérol. Leurs niveaux d'expression génique et protéique indiquent moins de stockage de graisse et une dépense énergétique accrue en améliorant l'utilisation des lipides et du glucose via la phosphorylation oxydative. Nos données mettent en évidence les voies liées à Tff2 comme potentielles cibles pour les thérapies contre l'obésité. Via une expérimentation animale, la deuxième étude vise à identifier des implications de SPARC principalement dans le muscle dans les contextes de l'exercice. Les souris ont été divisées en huit groupes en fonction de trois variables (âge, génotype et exercice). Les effets du Sparc KO sur la composition corporelle, l'adiposité et le métabolisme sont vers une réduction du tissu adipeux blanc et du poids corporel, mais avec un phénotype métabolique et fonctionnel musculaire négatif. Alors que ces effets négatifs s'aggravent avec le vieillissement, ils sont relativement améliorés par l'exercice. Nos données suggèrent aussi que les changements induits par l'exercice dans le phénotype du muscle squelettique (métabolisme, force et développement), y compris les changements induits par le lactate, dépendent de SPARC. Le troisième article à deux parties. Tout d'abord, j'explore les conséquences du Sparc KO et les compare aux effets du vieillissement. J'observe également les effets de l'exercice. Dans la deuxième partie, j'étudie les effets de la surexpression de Sparc et les compare aux avantages de l'exercice. Les mesures étaient principalement liées au poids des tissus, à l'adiposité, au métabolisme et à la force musculaire. Collectivement, ces résultats, et les données de la deuxième étude, montrent que les souris Sparc KO développe un phénotype semblable au vieillissement, tandis que la surexpression de SPARC et l'exercice génèrent des avantages similaires. Ces avantages visent à contrer à la fois le phénotype du vieillissement induit par le déficit en SPARC et à améliorer les changements liés à l'âge. Les applications potentielles de ces résultats sont de construire/optimiser des modèles d'animaux basés sur Sparc KO et, d'autre part, de développer des thérapies contre l'obésité, les troubles métaboliques ou liés à l'âge basées sur l'introduction de SPARC ou le ciblage des voies liées à SPARC pour imiter l'exercice. L'exploration de telles voies moléculaires permettrait à la fois d'élucider certains mécanismes et de développer une nouvelle génération d'options thérapeutiques pour l'obésité et les troubles métaboliques, y compris les troubles liés à l'âge. De telles approches seraient basées sur le ciblage de TFF2, SPARC ou de leurs voies connexes. / Obesity represents a challenge for health professionals. It is a health problem itself and it is also a risk factor for numerous health problems. Beside diet control and physical activity, the pharmacological options against obesity remain limited and novel therapeutic options are required. Within this context, functional genomics represents an emerging approach to identify novel options to manage and study obesity. Our research group has previously conducted functional genomics explorations to identify genes related to the two main factors impacting obesity development: Diet (mainly high fat) and exercise. Indeed, both diet, especially high-fat diet (HFD), and exercise are at the center of obesity management. Those functional genomics studies identified two key genes: Trefoil factor family member 2 (Tff2) and secreted protein acidic and rich in cysteine (SPARC). Whereas Tff2 was identified as a HFD-induced gene, SPARC was characterized as an exercise-induced gene. Following that, our research group has also found that Tff2 knock-out (KO) in mice protects them from the HFD-induced obesity. Therefore, my thesis explores Tff2 and Sparc within the context of obesity and energy metabolism. Tff2 is mainly expressed in the digestive system where it has mucus protection property, whereas Sparc is more widely distributed and is expressed mainly during tissues remodeling in situations such as injuries and growth. The theoretical parts of this thesis describe various properties of both Tff2 and Sparc reported in the literatures such as metabolism and cellular roles as well as implications and potential applications of the data I generated. For the research parts reported in this thesis, they are divided into three publications. The first one, explores Tff2 KO-related pathways of mice at the genomic, proteinic and biochemical levels to elucidate the processes behind their protection from the HFD-induced obesity. Tff2 KO mice had lower levels of serum glucose, triglycerides and glycerol. Western blotting and Q_RT-PCR revealed that the expression levels of selected genes and proteins are toward less fat storage and increased energy expenditure by enhancing lipid and glucose utilization via oxidative phosphorylation. The data highlight Tff2-related pathways as potential targets for obesity therapies. Via an animal experiment, the second study aims to identify selected implications of SPARC mainly within the muscle in the contexts of exercise. Mice were divided into eight groups based on three variables (age, genotype and exercise): Old or young × Sparc KO or wild type × sedentary or exercise. The exercised groups were trained before all mice were sacrificed. Sparc KO effects on body composition, adiposity and metabolic patterns are toward a reduced white adipose tissue and body weight, but with a negative metabolic and functional phenotype of the skeletal muscle. Whereas such negative effects on skeletal muscle are worsened with ageing, they are relatively improved by exercise. Importantly, our data suggest that the exercise-induced changes in the skeletal muscle phenotype, in terms of increased performance (metabolic, strength and development) including lactate-induced changes, are SPARC-dependent. The third paper studies and compares both Sparc KO and Sparc overexpression in male and female mice. First, I explore the consequences of Sparc KO and compare them to the ageing phenotype. I also observe the effects of exercise. In the second part, I study the consequences of SPARC overexpression and compare them to the exercise benefits. The measurements were mainly related to tissue weights, adiposity, metabolism, and muscle strength. Collectively, these findings and data show that Sparc KO mice manifest an ageing-like phenotype, whereas SPARC overexpression and exercise generate similar benefits. These benefits are towards counteracting both SPARC deficiency-induced ageing-like phenotype as well as reversing the age-related changes. The potential applications of these findings are to build/optimize Sparc KO-based animal models of various health conditions and, on the other hand, to develop therapies based on introducing SPARC or targeting SPARC-related pathways to mimic exercise against obesity, age-related and metabolic disorders. Exploring such molecular patterns would allow both mapping some underlying mechanisms and developing a new generation of therapeutic options for obesity and metabolic disorders, including age-related disorders. Such approaches would be based on targeting TFF2, SPARC or their related pathways.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les recherches sur les ARN non codants et leurs rôles biologiques ont transformé la conception des propriétés des génomes et de la régulation de l'expression génétique. Ces recherches sont ici analysées dans une perspective historique et philosophique. Elles permettent de caractériser certaines transformations théoriques, conceptuelles et méthodologiques affectant la biologie moléculaire contemporaine. La diversité des démarches d'investigation employées dans les travaux sur les ARN non codants est soulignée. Parmi ces démarches, les expériences exploratoires occupent une place importante, et sont à l'origine de bouleversements conceptuels et théoriques majeurs. L'affirmation selon laquelle la découverte des ARN non codants constitue une révolution scientifique est nuancée, et les apports de cette découverte sont caractérisés dans toute leur diversité. Les limites rencontrées par le concept de gène dans la biologie post-génomique sont précisées, et reliées à l'histoire de ce concept. Un statut possible pour le gène est alors proposé ; il reconnaît la diversité des éléments génétiques fonctionnels, la dimension historique des génomes, et les différents niveaux d'étude de la relation entre génotype et phénotype. Les recherches sur les ARN non codants affaiblissent par ailleurs la pertinence théorique du discours informationnel pour décrire la diversité des fonctions assurées par les acides nucléiques. Enfin, ce travail montre que les explications du rôle régulateur des ARN mettent en jeu différents types explicatifs, dépassant le cadre mécaniste. Un pluralisme explicatif est défendu, et le statut du concept de mécanisme dans la biologie moléculaire contemporaine est clarifié. / Research on non-coding RNAs and their biological roles has transformed the way biologists conceptualize genomic properties and the regulation of genetic expression. This work analyzes this research from both a historical and philosophical perspective. It helps characterize some theoretical, conceptual and methodological transformation currently affecting moleculau biology. I stress that multiple modes of investigation are employed in research on non coding RNAs. Particularly important among them is exploratory experimentation, which brings about major conceptual and theoretical changes. I temper the claim that the discovery of non-coding RNAs has triggered a scientific revolution and characterize the multifaceted contributions of this discovery. I identify some limits faced by the gene concept in post-genomic biology, and relate them to the history of this concept. I suggest a possible status for the gene, which to study the relation between genotype and phenotype. Besides, research on non-coding RNAs leads to question the theoretical relevance of informational concepts to describe the diverse functions fulfilled by nucleic acids. Finally, I show that explanations of the regulatory roles of RNAs involve different explanatory schemes, which do not fit the mechanistic framework. I advocate an explanatory pluralism, and clarify the status of the concept of mechanism in contemporary molecular biology.

En bioinformatique, un des problèmes très étudiés est la reconstitution des événements évolutifs qui transforment un génome A en un autre génome B. L'ordre des gènes dans les génomes est souvent modélisé par des permutations signées. Dans ce travail, nous définissons des liens entre le problème de tri des permutations signées par inversions et la conservation des structures combinatoires communes aux génomes à comparer. En utilisant les arbres des intervalles forts (Bergeron et al. (3)), nous démontrons que même si le calcul d'un scénario parfait et parcimonieux est difficile (Figeac et Varré (11)), il peut se faire d'une façon efficace pour une grande classe de permutations. Nous avons appliqué ces résultats à la comparaison des chromosomes X de l'humain, de la souris et du rat, basée sur les données de l'article de Gibbs et al. (12). ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Génomique comparée, Scénarios d'évolution, Tri par inversions, Intervalles communs.

Le but principal de ce travail est d'apporter une synthèse des travaux effectués sur les algorithmes capables d'identifier des groupes de gènes, ou des segments de génomes, communs à différentes espèces. Nous nous limitons à une approche basée sur la modélisation des génomes à l'aide de permutations, où les groupes d'éléments conservés entre différents génomes sont définis par la notion d'intervalles communs. L'étude approfondie de cette problématique nous a aussi permis d'innover et de présenter un nouvel algorithme plus général. Ce travail comporte donc deux aspects principaux, bien que le second soit intercalé dans le premier : une partie synthèse et une partie innovatrice. Après un survol des notions de bases, la partie synthèse présente les premiers algorithmes qui permettent de calculer les intervalles communs, puis l'approche de Bergeron et al. (2005) qui a grandement simplifié les premières solutions. Cette partie comprend aussi les algorithmes des mêmes auteurs qui calculent les intervalles communs dits forts, et une discussion sur les avantages de leur utilisation par rapport aux intervalles communs classiques. La partie innovatrice présente un nouvel algorithme qui généralise deux algorithmes de Bergeron et al. (2005). Nous concluons cette étude en constatant l'extrême simplicité et la grande efficacité, autant théorique que pratique, des plus récents algorithmes et nous croyons peu vraisemblable qu'il soit possible d'en améliorer la performance de façon significative. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Algorithmique, Génomique comparée, Intervalles communs, Permutations.

L'objectif de notre thèse est d'appliquer la génomique en temps réel pour déchiffrer les caractéristiques génomiques bactériennes et les événements de recombinaison du génome des bactéries atypiques ainsi que leur impact sur les maladies infectieuses. Au cours de ma thèse, nous avons effectué une revue sur les outils bioinformatiques les plus courants utilisés en microbiologie clinique et mis en évidence l’impact de la recombinaison sur le comportement des bacteries. Le deuxième projet de notre thèse est de déchiffrer une epidémis de Staphylococcus saprophyticus causant des infections urinaires en utilisant la technologie MALDI-TOF MS et une analyse comparative du génome de S. saprophyticus pour comprendre leur évolution génomique. Nous avons démontré qu'il existe un groupe de S. saprophyticus géographiquement restreint à Marseille comparé au souches de Nice. De plus, nous avons montré que S. saprophyticus qui était initialement considéré comme une bactérie saprophyte a evolué pour devenir une bactérie pathogène à travers des recombinaisons massives et des « single nucleotide polymorphism », résultant d'une perte significative de gènes. Le troisième projet de notre thèse est une analyse comparative des génomes d'Enterococcus faecalis et d'E.faecium isolé chez l'homme, les animaux et l'environnement pour déchiffrer la différence de propagation et l'acquisition de déterminants antimicrobiens. Nous avons démontré qu'il existe une association directe entre l'absence de système CRISPR, la présence du gène ardA et l'acquisition de gènes de résistance à la vancomycine, qui différencient E. faecalis de E. faecium. Enfin nous avons decrit un nouveau genre bacterien Nissabacter. / The objective of our thesis is to applied the Real-time genomic approaches to decipher bacterial genomic features and genome recombination events of atypical bacteria and their impact on infectious diseases. During my thesis, we have reviewed the most common bioinformatics tools applicable in clinical microbiology and highlight how bacterial genome recombination have impacted their behaviour. The second project of our PhD is to decipher a community outbreak of Staphylococcus saprophyticus involved in (UTI) using MALDI-TOF MS technology and a comparative genome analysis of clinical and non-clinical S. saprophyticus to understand their genomic evolution. We demonstrated that there is a geographically restricted cluster of S. saprophyticus circulating in Marseille community as compared to Nice. Moreover, we showed that S. saprophyticus which was initially considered as a saprophytic bacterium has drifted to becoming a pathogenic bacterium through massive genome recombination and single nucleotide polymorphism events, resulting from a significant loss of genes. The third project of our work is a comparative genome evolutionary analysis of Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium isolated from human, animals, and environment to decipher the difference in spread and the acquisition of antimicrobial determinants. We demonstrated that there is a direct association between the absence of CRISPR system, the presence of gene ardA and the acquisition of vancomycin resistance genes, which differentiate E. faecalis from E. faecium. Our final project was focused on the discovering of a new genus Nissabacter and its description.

Les guêpes du genre Cotesia sont des endoparasitoïdes de Lépidoptères. Les larves se développent à l’intérieur du corps de la chenille et altèrent sa physiologie notamment pour échapper aux défenses immunitaires de l’hôte. Pour ce faire, ces guêpes ont développé une stratégie particulièrement originale : la domestication d’un virus, le bracovirus. Ce dernier a pour origine un virus intégré de manière stable dans le génome de la guêpe. La guêpe utilise ce bracovirus afin de produire des particules virales contenant des gènes de virulence qui permettent, une fois exprimés dans l'hôte, le développement des larves et le succès parasitaire. L'objectif de mon travail de thèse a été, par des approches de génomique évolutive, de replacer le bracovirus dans l'histoire évolutive de ces guêpes. / The wasps from the Cotesia genus are endoparasitoids of Lepidoptera. The larvae grow inside the host body and alter its physiology to escape the host immune defenses. To achieve that, these wasps developed a particularly original strategy: virus domestication. Named Bracovirus, it originates from a free-living virus stably integrated into the wasp genome. The wasp uses this bracovirus to produce viral particles containing virulence genes, once expressed in the host, allowing larval development and parasitic success. The aim of my thesis was to uncover, using evolutionary genomic approaches, the role of the bracovirus in the evolutionary history of theses wasps. At the population level, Cotesia sesamiae, used in Africa as biocontrol agents, is structured in several populations, including one strictly associated to a single host species.

Depuis plusieurs années, des projets d'intégration de données omiques se sont développés, notamment avec objectif de participer à la description fine de caractères complexes d'intérêt socio-économique. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de combiner différentes données omiques hétérogènes afin de mieux décrire et comprendre le dernier tiers de gestation chez le porc, période influençant la mortinatalité porcine. Durant cette thèse, nous avons identifié les bases moléculaires et cellulaires sous-jacentes de la fin de gestation, en particulier au niveau du muscle squelettique. Ce tissu est en effet déterminant à la naissance car impliqué dans l'efficacité de plusieurs fonctions physiologiques comme la thermorégulation et la capacité à se déplacer. Au niveau du plan expérimental, les tissus analysés proviennent de foetus prélevés à 90 et 110 jours de gestation (naissance à 114 jours), issus de deux lignées extrêmes pour la mortalité à la naissance, Large White et Meishan, et des deux croisements réciproques. Au travers l'application de plusieurs études statistiques et computationnelles (analyses multidimensionnelles, inférence de réseaux, clustering et intégration de données), nous avons montré l'existence de mécanismes biologiques régulant la maturité musculaire chez les porcelets, mais également chez d'autres espèces d'intérêt agronomique (bovin et mouton). Quelques gènes et protéines ont été identifiées comme étant fortement liées à la mise en place du métabolisme énergétique musculaire durant le dernier tiers de gestation. Les porcelets ayant une immaturité du métabolisme musculaire seraient sujets à un plus fort risque de mortalité à la naissance. Un second volet de cette thèse concerne l'imputation de données manquantes (tout un groupe de variables pour un individu) dans les méthodes d'analyses multidimensionnelles, comme l'analyse factorielle multiple (AFM) (ou multiple factor analysis (MFA)). Dans notre contexte, l'AFM fut particulièrement intéressante pour l'intégration de données d'un ensemble d'individus sur différents tissus (deux ou plus). Afin de conserver ces individus manquants pour tout un groupe de variables, nous avons développé une méthode, appelée MI-MFA (multiple imputation - MFA), permettant l'estimation des composantes de l'AFM pour ces individus manquants.

La compétition est considérée comme un facteur majeur responsable de la structure, de la diversité et de la dynamique des communautés végétales. Cependant, la génétique sous-jacente à cette dynamique éco-évolutive est encore peu connue. Notamment, à l’échelle d’une population, la variation génétique naturelle de la réponse à différentes conditions de compétition, l’identité des traits phénotypiques sous sélection génotypique et des bases génétiques impliquées dans la réponse à la compétition sont mal compris. Par une approche de génomique écologique ciblant l’espèce modèle Arabidopsis thaliana, l’objectif principal de cette thèse est de caractériser la génétique associée à la capacité compétitrice à une échelle locale selon une complexité d’interactions avec des espèces compétitrices progressive. En me focalisant d’abord sur la compétition monospécifique, j’ai montré que l’identité du compétiteur et le décalage de sa germination permettaient un maintien de diversité génétique et fonctionnelle au sein de la population-cible. Par une approche de Genome Wide Association (GWA) mapping, j’ai identifié différents QTLs de réponse à la compétition selon les conditions de compétition monospécifique. Puis, j’ai démontré que le contexte d’interactions plurispécifiques modifiait la réponse à la compétition d’une population locale. De plus, j’ai montré que la réponse à la compétition d’une population locale pouvait évoluer en huit générations, en lien avec des changements de composition spécifique au sein de la communauté. Enfin, j’ai démontré que la dynamique adaptative d’A. thaliana pouvait être fortement influencée par l’intensité de la compétition en conditions naturelles. / Competition is considered as a major factor responsible for plant communities structure, diversity and dynamics. However, the genetics underlying this local eco-evolutionary dynamics remains poorly understood. Notably, at the population scale, the natural genetic variation of response to different competition conditions, the identity of phenotypic traits under genotypic selection and of genetic basis implied in the response to competition still need to be addressed. By an ecological genomics approach using the model species Arabidopsis thaliana, the main goal of this thesis is to characterize the genetics related to the competitive ability at a local scale, according to an increasing complexity of interactions between the competitor species. First, by focusing on monospecific competition, I showed that both the competitor identity and the lag of competitor germination time promote the maintenance of the genetic and functional diversities within the target population. Based on an approach of Genome Wide Association (GWA) mapping, I detected QTLs of response to competition that were strongly dependent on the conditions of monospecific competition. Second, in the context of multispecific interactions, I demonstrated that the response of a local population to competition was highly specific to the surrounding communities considered. In addition, based on a resurrection approach, I showed that the response of a local population to competition could evolve in less than eight generations, likely in relationship to community shifts. Third, I demonstrated that the adaptive dynamic of A. thaliana was highly influenced by the competition intensity in natural conditions.