Le cadre général de cette thèse est la question de la relation génotype-phénotype, abordée à travers l'analyse du phénomène d'hétérosis chez la levure, dans une approche associant biologie, mathématiques et statistiques. Antérieurement à ce travail, un très gros jeu de données hétérogènes, correspondant à différents niveaux d'organisation (protéomique, caractères de fermentation et traits d'histoire de vie), avait été recueilli sur un dispositif demi-diallèle entre 11 souches appartenant à deux espèces. Ce type de données est idéalement adapté pour la modélisation multi-échelle et pour tester des modèles de prédiction de la variation de phénotypes intégrés à partir de caractères protéiques et métaboliques (flux), tout en tenant compte des structures de dépendance entre variables et entre observations. J’ai d'abord décomposé, pour chaque caractère, la variance génétique totale en variances des effets additifs, de consanguinité et d'hétérosis, et j’ai montré que la distribution de ces composantes permettait de définir des groupes bien tranchés de protéines dans lesquels se plaçaient la plupart des caractères de fermentation et de traits d'histoire de vie. Au sein de ces groupes, les corrélations entre les variances des effets d'hétérosis et de consanguinité pouvaient être positives, négatives ou nulles, ce qui a constitué la première mise en évidence expérimentale d’un découplage possible entre les deux phénomènes. Le second volet de la thèse a consisté à interfacer les données de protéomique quantitative avec un modèle stœchiométrique du métabolisme carboné central de la levure, en utilisant une approche de modélisation à base de contraintes. M'appuyant sur un algorithme récent, j’ai cherché, dans l'espace des solutions possibles, celle qui minimisait la distance entre le vecteur de flux et le vecteur des abondances observées des protéines. J’ai ainsi pu prédire un ensemble de flux et comparer les patrons de corrélations entre caractères à plusieurs niveaux d'intégration. Les données révèlent deux grandes familles de caractères de fermentation ou de traits d'histoire de vie dont l'interprétation biochimique est cohérente en termes de trade-off, et qui n'avaient pas été mises en évidence à partir des seules données de protéomique quantitative. L'ensemble de mes travaux permet de mieux comprendre l'évolution de la relation entre génotype et phénotype. / The general framework of this thesis is the issue of the genotype-phenotype relationship, through the analysis of the heterosis phenomenon in yeast, in an approach combining biology, mathematics and statistics. Prior to this work, a very large set of heterogeneous data, corresponding to different levels of organization (proteomics, fermentation and life history traits), had been collected on a semi-diallel design involving 11 strains belonging to two species. This type of data is ideally suited for multi-scale modelling and for testing models for predicting the variation of integrated phenotypes from protein and metabolic (flux) traits, taking into account dependence patterns between variables and between observations. I first decomposed, for each trait, the total genetic variance into variances of additive, inbreeding and heterosis effects, and showed that the distribution of these components made it possible to define well-defined groups of proteins in which most of the characters of fermentation and life history traits took place. Within these groups, the correlations between the variances of heterosis and inbreeding effects could be positive, negative or null, which was the first experimental demonstration of a possible decoupling between the two phenomena. The second part of the thesis consisted of interfacing quantitative proteomic data with the yeast genome-scale metabolic model using a constraint-based modelling approach. Using a recent algorithm, I looked, in the space of possible solutions, for the one that minimized the distance between the flux vector and the vector of the observed abundances of proteins. I was able to predict unobserved fluxes, and to compare correlation patterns at different integration levels. Data allowed to distinguish between two major types of fermentation or life history traits whose biochemical interpretation is consistent in terms of trade-off, and which had not been highlighted from quantitative proteomic data alone. Altogether, my thesis work allows a better understanding of the evolution of the genotype-phenotype map.

Les levures oléagineuses ascomycètes font partie des productrices de lipides les plus connus de notre époque. Elles peuvent produire des lipides, des molécules chimiques dérivées et des acides organiques à partir de sucres simples ou complexes. Nous avons choisi les levures du genre Blastobotrys afin de définir un nouvel organisme modèle pour la production d'acides gras et de lipides, car ces levures sont capables de synthétiser et de stocker naturellement 15 à 25% de lipides dans leur biomasse sèche à partir de glucose et xylose, soit plus que Yarrowia. lipolytica dans les mêmes conditions. La plupart des études d'ingénierie métabolique connues ont utilisé les levures du genre Blastobotrys dans une logique de production de molécules différentes des lipides. Nous avons caractérisé les traits oléagineux de deux souches appartenant à deux espèces du genre Blastobotrys, en utilisant comme substrats du glucose, xylose, glycérol, fructose, cellobiose, saccharose, galactose avec un rapport C/N de 60. La plus forte production de lipides vient du cellobiose (35%) et du glucose (32%).Ensuite, afin de mieux comprendre le métabolisme des lipides des levures du genre Blastobotrys, nous avons exploré l'effet de la température sur leur physiologie, production de lipides et le profil lipidique en utilisant un milieu YNB contenant 30 g/L de glucose. Nous n'avons pas trouvé de différence marquée de transition de formes entre les formes hyphes et les levures en milieu YNB sous l’effet de quatre températures (28°C, 37°C, 42°C, 45°C), mais la production des lipides est favorisée à 28°C et le C18:1 est l'acide gras le plus abondant dans le profil lipidique. Nous avons transformé avec succès l’espèce B. raffinosifermentans grâce au système Xplor2. Nous avons pu augmenter l'accumulation de lipides en sur-exprimant deux diacylglycérol acyltransférase endogènes, DGA1 et DGA2. Le niveau d’expression élevé de DGA1 dans nos mutants n’est pas corrélé à une production élevée de lipides alors que celui de DGA2 l’est. Notre meilleure souche, dérivée de la souche parentale G1212, a produit 26,5% de lipides à partir de 30 g/L de glucose en culture en flasque. Ce travail représente l’une des premières ingénieries métaboliques de souches de Blastobotrys pour la production de lipides. Ce sont donc des levures oléagineuses comme Y. lipolytica avec un potentiel biotechnologique avéré. / Ascomycetous oleaginous yeasts are among the highest known producers of lipids of our era that may supply lipids compounds, derived chemicals and organic acids from simple or complex carbon sources. We chose oleaginous yeasts species of Blastobotrys genus for defining a new model organism for fatty acid production and lipids, because these oleaginous yeasts natively produce higher lipids rate than Yarrowia lipolytica in the same conditions and can metabolize glucose and xylose. Most of the metabolic engineering studies on these yeast species focused on other molecules compounds than lipids. We characterized the oleaginous traits of two strains belonging to two different species of genus Blastobotrys, using glucose, xylose, glycerol, fructose, cellobiose, sucrose, galactose, starch and oleic acid as substrates with a C/N ratio of 60. We found the higher lipid production (35%) on cellobiose and glucose (32%).Next, in order to further understand the lipid metabolism in Blastobotrys, we explored the effect of temperature on cell physiology, lipid production and lipid profile using YNB medium with 30 g/L glucose. No markedly transition were found from the hyphae to budding form or reversely on YNB medium under four temperatures (28°C, 37°C, 42°C, 45°C). The lipids production is favored at 28°C and C18:1 is the most abundant fatty acid in the lipid profile. We successfully transformed the yeast species B. raffinosifermentans using the Xplor2 system. We increased lipid accumulation by over-expressing two native diacylglycerol acyltransferase genes, DGA1 and DGA2. Our best strain, derived from the parental strain G1212, produced 26.5 g/L lipid from 30g/L glucose in shake-flask experiments. This strain also produced citric acid like Y. lipolytica. We didn’t find significant overall elevated expression in lipid synthesis pathway for DGA1 gene when lipid production was favored on contrary to DGA2 gene. This work represents one of the first metabolic engineering of B. adeninivorans for lipid production.

Les bactéries lactiques sont largement utilisées en tant que ferments dans l'industrie laitière. Leur production s’effectue généralement dans des milieux semi-définis ou complexes dans lesquels certains nutriments peuvent être apportés par des extraits de levure (EXLs). Ce projet de thèse, qui associe deux partenaires industriels, les groupes Lesaffre et Sacco, ainsi que l’INRA, s’est focalisé sur l’effet des peptides de deux EXLs (EXL1 et EXL2) sur une souche industrielle de Streptococcus thermophilus, un levain lactique d’intérêt économique majeur. L’hypothèse sous-jacente était que ces peptides pourraient avoir un double rôle de nutrition et de régulation de fonctions cellulaires pouvant présenter un intérêt technologique. Afin d’explorer cette question, une stratégie expérimentale à deux niveaux a été élaborée : i) caractérisation et suivi cinétique de la fraction peptidique des deux EXLs par spectrométrie de masse (peptidomique) durant la fermentation de S. thermophilus en bioréacteurs, et ii) suivi cinétique parallèle du transcriptome et du protéome de la bactérie. L’objectif final était de croiser ces deux niveaux d’information afin de corréler des différences de contenu peptidique avec des différences d’activation de systèmes participant aux performances globales du levain.La caractérisation et le suivi du peptidome des EXLs en cours de fermentation a nécessité un important travail de développement méthodologique ayant abouti in fine à l’élaboration d’un outil analytique complet, combinant analyse peptidomique à haut-débit des échantillons et traitement bioinformatique et statistique des données. Cet outil a permis d’identifier environ 4000 peptides différents composant les deux EXLs. Le suivi cinétique a notamment permis de préciser la spécificité du transporteur d’oligopeptides de la bactérie (Ami). En particulier, il s’est avéré qu’une charge nette positive était le facteur prévalent pour le transport des peptides chez S. thermophilus. En complément de cette approche semi-quantitative, des analyses quantitatives ont été réalisées sur des fractions peptidiques des EXLs (dosages différentiels par HPLC des acides aminés avant et après hydrolyse). Elles ont notamment permis de révéler d’importantes différences de teneurs en oligopeptides entre les deux EXLs.En parallèle, le suivi transcriptomique et protéomique réalisé durant la croissance de la bactérie a révélé deux faits marquants. Le premier fait a trait à la surexpression dans l’EXL1 d’un locus génétique régulé par un mécanisme de quorum sensing utilisant un peptide phéromone comme signal moléculaire. Le deuxième fait marquant concerne diverses voies de biosynthèse (acides aminés et purines) différentiellement affectées par les deux EXLs. L’origine de ces dynamiques pourrait être au moins pour partie le fait de différences de contenu peptidique entre les deux substrats. Notamment, certaines voies de biosynthèse pourraient avoir été modulées différentiellement sous l’action de régulateurs centraux tels que CodY, dont l’activité est corrélée au contenu peptidique du milieu, ou encore YebC, un régulateur CodY-like dont le lien fonctionnel avec CodY reste encore inconnu chez S. thermophilus. Tous ces résultats ouvrent d’intéressantes perspectives pour mieux explorer le lien entre peptides et métabolisme bactérien. A terme, cette démarche pourrait se traduire par l’identification de biomarqueurs de performances dans les EXLs, et l’élaboration à façon de produits permettant de maximiser le potentiel technologique des ferments lactiques. / Lactic acid bacteria are widely used as starters in dairy industry. They are generally produced in complex fermentation media containing a wide array of nutrients that can be provided by yeast extracts (YEs). The main goal of this thesis project, involving two industrial partners, Lesaffre and Sacco, as well as INRA, was to investigate the effect of the peptide fraction of two YEs (YE1 and YE2) on an industrial Streptococcus thermophilus strain, a major lactic acid starter. The underlying hypothesis of this whole project was that YE peptides could have a role in nutrition but also regulate cellular functions of technological relevance. In order to explore this question, a two-step strategy was elaborated: i) mass spectrometry characterization (peptidomics) of both YE peptide fractions and time course analysis of their relative abundance during the growth in bioreactors of S. thermophilus, and ii) parallel time course analysis of the strain transcriptome and proteome. The final objective was to cross these two levels of information in order to correlate differences of peptide content with differentially activated systems related to technological performances.YE peptidome characterization and kinetic analysis first required an important methodological development. It eventually resulted in a complete analytical tool that combines high throughput peptidomic analysis as well as bioinformatic and statistical data processing. This powerful tool was able to identify around 4,000 different peptides in both YEs. Then, the time course analysis also clarified the in vivo substrate specificities of the oligopeptide transport system of the bacterium (Ami). A peptide positive net charge notably turned out to be the leading factor governing peptide transport. In addition to this semi-quantitative approach, quantitative analyses were carried out on YE peptide fractions (differential HPLC analyses of amino acids before and after sample hydrolysis). They notably revealed significant differences in oligopeptides content between both YEs.Meanwhile, genome scale transcriptomic and proteomic analyses performed during the strain growth highlighted two significant events. The first one concerns the overexpression in YE1 of a quorum sensing-based genetic locus that uses a pheromone peptide as molecular signal. The second event relates to several biosynthesis pathways (amino acids and purines) that were differentially affected by both YEs. These dynamics could result from differences in peptide content between both substrates. In particular, some pathways could have been differentially modulated by central regulators such as CodY, whose activity is correlated to the medium peptide richness, or YebC, a CodY-like regulator whose functional link with CodY is still unknown in S. thermophilus. All these results open avenues for a better understanding of the interplay between peptides and bacterial metabolism. In the future, this whole approach could lead to the identification of performance biomarkers in YEs, which in turns may eventually translate into the conception of new customized products granting high technological performances to dairy starters.

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

Comment les cellules établissent leurs formes et organisations internes est un problème biologique fondamental. Au cours de cette thèse, j’ai étudié le développement de la forme cellulaire et de la polarité chez la cellule de levure fissipare. Ces études sont fondées sur l’exploration de la façon dont les petites spores symétriques de levures se développent et s’organisent pour briser la symétrie pour la définition de leur tout premier axe de polarité. Dans une première partie, j’ai étudié les couplages entre la mécanique de surface de la paroi cellulaire des spores et la stabilité de domaines de polarité de Cdc42 qui contrôlent les aspects spatio-temporelles de la brisure de symétrie de ces spores. Dans une seconde partie, j’ai étudié les mécanismes par lesquels ces domaines de polarité contrôlent leur taille et l'adapte à la géométrie de la cellule, un processus vraisemblablement pertinents pour comprendre comment des domaines fonctionnels corticaux s’adaptent à la taille des cellules. Globalement, ces nouvelles recherches focalisant sur la façon dont les cellules développent dynamiquement leur forme et polarité de novo, permettent de mettre en évidence des couplages complexes dans la morphogenèse qui ne peuvent pas être testés en regardant les cellules à « l’état stationnaire» ou avec des outils génétiques. / How cells establish their proper shapes and organization is a fundamental biological problem. In this thesis, I investigated the dynamic development of cellular form and polarity in the rod-shape fission yeast cell. These studies are based on monitoring how small symmetric fission yeast spores grow and self-organize to break symmetry for the definition of their very first polarity axis. In a first part, I studied interplays between surface mechanics of the spore cell wall and the stability of Cdc42-based polarity domains which control spatio-temporal aspects of spore symmetry breaking. In a second part, I studied mechanisms by which these polarity domains control their width and adapt it to cell surface geometry, a process likely relevant to understand how functional cortical domains scale to cell size. Overall these novel investigations focusing on how cells dynamically develop their form and polarity de novo highlight complex feedbacks in morphogenesis that cannot be evidenced by looking at cells at “steady state” or with genetics.

Résumé: Les cellules germinales mâles remodèlent leur chromatine pour compacter leur noyau afin de protéger leur matériel génétique et assurer un transit optimal vers le gamète femelle. Il a été démontré que tous les spermatides de plusieurs mammifères, incluant l’homme et la souris, présentaient ce mécanisme de remodelage de la chromatine. Celui-ci est caractérisé par une augmentation transitoire de cassures d’ADN dont une quantité importante sont bicaténaires. Ce remodelage chromatinien a été étudié et semble être conservé chez plusieurs espèces, allant de l’algue à l’humain. Dans le contexte de la recherche fondamentale sur le phénomène de la spermiogenèse, il devient parfois très difficile d’investiguer certains aspects importants en vertu de l’impossibilité de réaliser des manipulations génétiques simples. Il est donc impératif de développer un nouveau modèle d’étude plus permissif afin de palier à ces difficultés encourues. Comme le processus de maturation des spores chez la levure à fission présente de grandes similitudes avec la spermiogenèse des mammifères, l’utilisation d’un modèle d’étude basé sur la sporulation de la levure à fission Schizosaccharomyces pombe a été proposée comme modèle comparatif de la spermatogenèse murine. À la suite de la synchronisation de la méiose de la souche S. pombe pat1-114, des analyses d’électrophorèse en champ pulsé (PFGE) et de qTUNEL ont permis de déterminer la présence de cassures bicaténaires transitoires de l’ADN lors de la maturation post-méiotique des ascospores nouvellement formés (t>7h). Des analyses par immunobuvardages dirigés contre le variant d’histones H2AS129p suggère la présence d’un remodelage chromatinien postméiotique dix heures suivant l’induction de la méiose, corroborant le modèle murin. Enfin, des analyses protéomiques couplées à l’analyse par spectrométrie de masse ont permis de proposer l’endonucléase Pnu1 comme candidat potentiellement responsable des cassures bicaténaires transitoires dans l’ADN des ascospores en maturation. En somme, bien que le processus de maturation des spores soit encore bien méconnu, quelques parallèles peuvent être tracés entre la maturation des ascospores de la levure à fission et la spermiogenèse des eucaryotes supérieurs. En identifiant un modèle simple du remodelage chromatinien au niveau de la spermiogenèse animale, on s’assurerait ainsi d’un outil beaucoup plus malléable et versatile pour l’étude fondamentale des événements survenant lors de la spermiogenèse humaine. / Abstract : The male germ cells undergo a major chromatin remodeling process in order to protect their genetic material and ensure optimal transit to the female gamete. It has been demonstrated that all spermatids from several mammals, including humans and mice, require this structural transition in order to reach their full maturity and fertilizing potential. This mechanism is characterized by a transient surge in DNA breaks, including a significant number of double-stranded breaks. This feature has been studied and seems conserved in many species, ranging from algae to humans. In the context of basic research on the phenomenon of spermiogenesis, it is sometimes very difficult to investigate important aspects due to the impossibility of carrying out simple genetic manipulations. A more flexible model to overcome the incurred difficulties is therefore needed. Since the process of ascospore maturation of the fission yeast presents great similarities with mammal spermiogenesis, the use of a model based on the sporulation of the fission yeast Schizosaccharomyces pombe has been proposed as a comparative model to the murine spermatogenesis. Following synchronization of meiosis in the S. pombe diploid strain pat1-114, pulsed field gel electrophoresis and qTUNEL assay were used to determine the presence of transient double-stranded breaks in DNA during the post-meiotic maturation of newly formed ascospores (t> 7h). Analyses by immunoblotting directed against the histone variant H2AS129p suggests the presence of a post-meiotic chromatin remodeling to t=10h, that may share similarities with higher eu karyotes. Finally, proteomic analyzes coupled with mass spectrometry allowed us to propose the Pnu1 endonuclease as a potential candidate responsible for the transient DNA double-stranded breaks during ascospore morphogenesis. In sum mary, although the spore maturation process is still under investigation, some parallels can be drawn between the maturation of ascospores of fission yeast s and higher eukaryotic spermio genesis. Thus, identifying a simple eukaryotic model for chromatin remodeling in animal spermiogenesis would ensure a flexible genetic tool to decipher the molecular events occurring during human spermiogenesis.

Comment les cellules établissent leurs formes et organisations internes est un problème biologique fondamental. Au cours de cette thèse, j’ai étudié le développement de la forme cellulaire et de la polarité chez la cellule de levure fissipare. Ces études sont fondées sur l’exploration de la façon dont les petites spores symétriques de levures se développent et s’organisent pour briser la symétrie pour la définition de leur tout premier axe de polarité. Dans une première partie, j’ai étudié les couplages entre la mécanique de surface de la paroi cellulaire des spores et la stabilité de domaines de polarité de Cdc42 qui contrôlent les aspects spatio-temporelles de la brisure de symétrie de ces spores. Dans une seconde partie, j’ai étudié les mécanismes par lesquels ces domaines de polarité contrôlent leur taille et l'adapte à la géométrie de la cellule, un processus vraisemblablement pertinents pour comprendre comment des domaines fonctionnels corticaux s’adaptent à la taille des cellules. Globalement, ces nouvelles recherches focalisant sur la façon dont les cellules développent dynamiquement leur forme et polarité de novo, permettent de mettre en évidence des couplages complexes dans la morphogenèse qui ne peuvent pas être testés en regardant les cellules à « l’état stationnaire» ou avec des outils génétiques. / How cells establish their proper shapes and organization is a fundamental biological problem. In this thesis, I investigated the dynamic development of cellular form and polarity in the rod-shape fission yeast cell. These studies are based on monitoring how small symmetric fission yeast spores grow and self-organize to break symmetry for the definition of their very first polarity axis. In a first part, I studied interplays between surface mechanics of the spore cell wall and the stability of Cdc42-based polarity domains which control spatio-temporal aspects of spore symmetry breaking. In a second part, I studied mechanisms by which these polarity domains control their width and adapt it to cell surface geometry, a process likely relevant to understand how functional cortical domains scale to cell size. Overall these novel investigations focusing on how cells dynamically develop their form and polarity de novo highlight complex feedbacks in morphogenesis that cannot be evidenced by looking at cells at “steady state” or with genetics.

La phosphorylation du domaine C-terminal de l’ARN polymérase II permet à ce complexe protéique d’exécuter la transcription des gènes, en plus de coupler à la transcription des événements moléculaires comme la maturation des ARNm. Mes résultats montrent que même si cette phosphorylation suit un patron similaire à l’ensemble des gènes, il existe des exceptions pouvant être dues à des mécanismes alternatifs de phosphorylation du CTD. Le présent ouvrage s’intéresse également au rôle qu’occupe la variante d’histone H2A.Z dans l’organisation de la chromatine. Des études précédentes on montré que le positionnement de certains nucléosomes le long de l’ADN serait influencé par H2A.Z et aurait une influence sur la capacité de transcrire les gènes. Par une approche génomique utilisant les puces à ADN, j’ai cartographié l’impact de la délétion de H2A.Z sur la structure des nucléosomes. Enfin, des résultats intéressants sur la dynamique d’incorporation de H2A.Z à la chromatine ont été obtenus. / RNA Polymerase II is the molecular complex responsible for the transcription of class II genes. Proper transcription and associated events such as mRNA processing are thought to require the phosphorylation of its C-terminal domain. Here I show that this phosphorylation follows a similar pattern for most of the genes, althought some exceptions exist. These exceptions could be explained by alternative phosphorylation mechanisms. Also, this work provides data on how the variant histone H2A.Z influences chromatin structure. Previous studies have shown a role for H2A.Z in the positioning of some nucleosomes along the DNA, which would impact the ability to transcribe genes. Here I used a microarray technology to profile nucleosome positions in a genome-wide manner. My data provide further evidence that H2A.Z influences nucleosome positioning. Interesting results regarding the dynamics of H2A.Z incorporation into chromatin are also shown.

La sécrétion des protéines est un processus essentiel à la vie. Chez les eucaryotes, les protéines sécrétées transitent dans le réticulum endoplasmique par le pore de translocation. Le translocon est composé de trois sous-unités fondamentales nommées Sec61α, β et γ chez les mammifères, ou Sec61p, Sbh1p et Sss1p chez les levures. Tandis que le rôle des sous-unités α et γ est bien connu, celui de la sous-unité β demeure énigmatique. Plusieurs phénotypes distincts sont associés à cette protéine dans différents organismes, mais le haut niveau de conservation de séquence suggère plutôt une fonction universelle conservée. Récemment, Feng et al. (2007) ont montré que le domaine transmembranaire (TMD) de Sbh1p était suffisant pour complémenter plusieurs phénotypes associés à la délétion du gène chez Saccharomyces cerevisiae, suggérant un rôle important de cette région. L’objectif de mon projet de recherche consiste à étudier la fonction biologique de la sous-unité β du translocon et de son TMD chez Schizosaccharomyces pombe. Dans cette levure, j’ai découvert que le gène sbh1+ n’était pas essentiel à la viabilité à 30oC, mais qu’il était requis pour la croissance à basse température. La délétion de sbh1+ entraîne une sensibilité aux stress de la paroi cellulaire et une diminution de la sécrétion des protéines à 23oC. La surexpression de Sbh1p diminue elle aussi la sécrétion des protéines et altère la morphologie cellulaire. Ces phénotypes sont distincts de ceux observés chez S. cerevisiae, où la délétion des deux paralogues de Sec61β entraîne une sensibilité à haute température plutôt qu’à basse température. Malgré cela, les homologues de Sec61β de S. pombe et de S. cerevisiae sont tout deux capables de complémenter la thermosensibilité respective de chaque levure. La complémentation est possible même avec l’homologue humain de Sec61β, indiquant la conservation d’une fonction de Sec61β de la levure à l’homme. Remarquablement, le TMD de Sec61β de S. pombe, de S. cerevisiae et de l’humain sont suffisants pour complémenter la délétion génomique autant chez la levure à fission que chez la levure à bourgeons. Globalement, ces observations indiquent que le TMD de Sec61β exerce une fonction cellulaire conservée à travers les espèces. / Protein secretion is an essential biological process. In eukaryotes, secreted proteins transit into the endoplasmic reticulum through the translocon pore. The core of the translocation channel is composed of three subunits called Sec61α, β and γ in mammals, or Sec61p, Sbh1p and Sss1p in yeasts. While the role of the α and γ subunit is well understood, the function of the β subunit remains ill-defined. Although numerous species-specific phenotypes have been reported for this protein, the striking sequence conservation among species argue in favour of a universal role. Recently, Feng et al. (2007) reported the surprising finding that the transmembrane domain (TMD) of Sbh1p was sufficient to complement different functions of the entire protein in Saccharomyces cerevisiae, suggesting an important role for this region. The aim of my project was to explore the biological function of the translocon β subunit and its TMD in Schizosaccharomyces pombe. In this yeast, we found that the sbh1+ gene is unessential for viability at 30oC, but is required for growth at low temperature. Knockout of sbh1+ results in sensitivity to cell-wall stress and reduced protein secretion at 23oC. Overexpression of Sbh1p also diminishes protein secretion and results in an elongated cell shape. These phenotypes contrast with those observed S. cerevisiae, as deletion of both Sec61β paralogs in this yeast results in heat sensitivity instead of cold sensitivity. Nevertheless, Sec61β homologs from both S. pombe and S. cerevisiae complement the respective temperature sensitivity of either yeast. This functional complementation can also be accomplished by the human homolog of the translocon β subunit, indicating that a fundamental function of Sec61β is conserved from yeast to human. Remarkably, the TMD of Sec61β homologs from S. pombe, S. cerevisiae and human are sufficient to complement the gene knockout in both fission and budding yeasts. Together, these observations indicate that the TMD of Sec61β exerts a cellular function that is conserved across species.

La première augmentation de la longévité en laboratoire fût observée à la suite d’une intervention nutritionnelle consistant en une réduction de l’apport alimentaire chez le rat. Plus tard, ce phénomène a été reproduit dans de très nombreuses espèces et référé en tant que restriction calorique. Le développement des techniques de biologie moléculaire moderne a permis de montrer dans des organismes modèles simples que cette flexibilité du processus de vieillissement était régulée par des facteurs génétiques. De fait, plusieurs mécanismes cellulaires ont alors pu être identifiés comme responsables de ce contrôle du vieillissement. Ces voies de régulation ont révélées être conservées entre les espèces, depuis les levures jusqu’aux organismes multicellulaires tels que le nématode, la mouche ou la souris, suggérant l’existence d’un programme universel de vieillissement dans le vivant. La levure s’est avéré à plusieurs reprises être un modèle puissant et fiable pour la découverte de gènes impliqués dans ce phénomène. Mon étude a consisté au développement d’un nouveau modèle unicellulaire d’étude du vieillissement à travers l’espèce Schizosaccharomyces pombe appelée aussi levure à fission. La première étape de mon travail a montré que les voies de détection des nutriments gouvernées par la sérine/thréonine protéine kinase A (Pka1) et la sérine/thréonine kinase Sck2 contrôlent le vieillissement chronologique de ces cellules comme il était connu dans la levure Saccharomyces cerevisiae. Ceci permit de valider l’utilisation de la levure à fission pour l’étude du vieillissement. Ensuite, nous avons analysé plus en détail l’effet pro-vieillissement du glucose en étudiant le rôle de sa détection par le récepteur membranaire Git3 couplé à la protéine G (Gpa2) en amont de la kinase Pka1. La perte du signal du glucose par la délétion de Git3 imite partiellement l’effet d’augmentation de longévité obtenu par baisse de la concentration en glucose dans le milieu. De plus, l’effet néfaste du signal du glucose est maintenu en absence de tout métabolisme du glucose suite à la mutation des hexokinases, premières enzymes de la glycolyse. L’ensemble de ces résultats suggèrent que la signalisation du glucose est prédominante sur son métabolisme pour son effet pro-vieillissement. D’autre part, à la fois la suppression de cette signalisation et la baisse de niveau de glucose disponible allongent la durée de vie en corrélation avec une augmentation de la résistance au stress, une hausse d’activité mitochondriale et une baisse de production de radicaux libres. Finalement, le criblage d’une banque de surexpression d’ADNc a permis d’identifier plusieurs gènes candidats responsables de ces effets en aval de la voie de signalisation Git3/PKA. La recherche sur les mécanismes moléculaires du vieillissement propose une nouvelle approche, un nouvel angle de vue, pour la compréhension des fonctions cellulaires et promet d’apporter de précieuses clefs pour mieux comprendre certaines maladies. En effet, le vieillissement est la première cause d’apparition de nombreuses affections comme les cancers, les maladies cardiovasculaires et métaboliques ou les maladies neurodégénératives tels que les syndromes d’Alzheimer et de Parkinson. / The first increase in life span due to man’s intervention was obtained with rats subjected to a diet reduced in calorie intake. Later, this phenomenon was repeated with many other species and referred as diet restriction or calorie restriction. The development of modern Molecular Biology approaches and the use of simple model organisms demonstrated that the rate of aging was regulated by genetic traits. Indeed, several cellular mechanisms were identified as responsible for the control of aging. These regulatory pathways appear to be conserved throughout species, from yeast to multicellular organisms like nematode, fly and mice, thus suggesting the existence of a universal program of aging. Yeast proved several times to be a powerful and reliable model for discovering genes involved in the regulation of aging. My study consisted in developing Schizosaccharomyces pombe (also called fission yeast) as a new unicellular model to study aging. The first step of my work was to show that pathways of nutrient detection through kinases involving Pka1 and Sck2 control chronological aging in S. pombe, as it was previously demonstrated in Saccharomyces cerevisiae. This first work validated the use of fission yeast for the study of aging. Subsequently, we analysed in more detail the pro-aging effect of glucose focusing on the role of its signalling through the G-protein Gpa2-coupled membrane receptor Git3, which acts upstream of Pka1. The loss of the glucose signal due to deletion of Git3 mimics partially the effect of increasing longevity by reducing glucose in the medium. Moreover, detrimental effects of glucose signal are maintained in absence of sugar metabolism following loss of hexokinases, the first enzymes of glycolysis. Together, these results suggest that the pro-aging effects of glucose signalling are predominant over those due to metabolism of this sugar. Moreover, both obliteration of this signalling pathway and decrease of glucose availability extend life span, and correlate with an increase in stress resistance, in mitochondrial activity and a lower production of free radicals. Finally, screening a cDNA-overexpression library allowed us to identify several genes candidates responsible for the effects on longevity downstream of Git3/Pka1. Research in the molecular mechanisms of aging propose holds the promise to bring precious clues as to this mysterious processes affecting all living creatures, and paves the way to unravel the underlying causes of many human diseases. Indeed, aging is the first cause of numerous late-onset pathologies including cancers, cardiovascular diseases or neurodegenerative diseases like Alzheimer and Parkinson syndromes.