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Over half the human genome consists of repetitive sequences. One major class is the tandem repeats (TRs), which are defined by their location in the genome, repeat unit, and copy number. TRs loci that exhibit variant copy numbers are called Variable Number Tandem Repeats (VNTRs). High VNTR mutation rates of approximately 0.0001 per generation make them suitable for forensic studies, and of interest for potential roles in gene regulation and disease. TRs are generally divided into three classes: 1) microsatellites or short tandem repeats (STRs) with patterns <7 bp; 2) minisatellites with patterns of seven to hundreds of base pairs; and 3) macrosatellites with patterns of >100 bp. To date, mini- and macrosatellites have been poorly characterized, mainly due to a lack of computational tools. In this thesis, I utilize a tool, VNTRseek, to identify human minisatellite VNTRs using short-read sequencing data from nearly 2,800 individuals and developed a new computational tool, MaSUD, to identify human macrosatellite VNTRs using data from 2,504 individuals. MaSUD is the first high-throughput tool to genotype macrosatellites using short reads. I identified over 35,000 minisatellite VNTRs and over 4,000 macrosatellite VNTRs, most previously unknown. A small subset in each VNTR class was validated experimentally and in silico. The detected VNTRs were further studied for their effects on gene expression, ability to distinguish human populations, and functional enrichment. Unlike STRs, mini- and macrosatellite VNTRs are enriched in regions with functional importance, e.g., introns, promoters, and transcription factor binding sites. A study of VNTRs across 26 populations shows that minisatellite VNTR genotypes can be used to predict super-populations with >90% accuracy. In addition, genotypes for 195 minisatellite VNTRs and 22 macrosatellite VNTRs were shown to be associated with differential expression in nearby genes (eQTLs). Finally, I developed a computational tool, mlZ, to infer undetected VNTR alleles and to detect false positive predictions. mlZ is applicable to other tools that use read support for predicting short variants. Overall, these studies provide the most comprehensive analysis of mini- and macrosatellites in human populations and will facilitate the application of VNTRs for clinical purposes.

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Les G-quadruplexes sont des structures à quatre brins formées spontanément par certains acides nucléiques riches en guanines dans des conditions physiologiques in vitro et qui présentent une grande variété de conformations. Ma thèse a consisté à montrer qu'ils se formaient in vivo et à étudier les conséquences pathologiques de leur persistance. Le système expérimental utilisé au cours de ma thèse repose sur la mesure de la stabilité de séquences répétées en tandem humaines de type minisatellite chez S. cerevisiae en croissance mitotique. Le motif unitaire du minisatellite CEB1 forme un G-quadruplexe, efficacement déroulé par l'hélicase Pif1 in vitro. Dans un mutant déficient pour l'hélicase Pif1, CEB1 est fréquemment réarrangé (expansion ou contraction). J'ai dans un premier temps participé à montrer que cette instabilité de CEB1 dépendait de ses motifs G-quadruplexes, par mutagénèse dirigée. J'ai confirmé ce résultat par une seconde approche, en traitant des cellules sauvages avec un ligand spécifique des G-quadruplexes. Ce ligand induit spécifiquement l'instabilité du minisatellite CEB1, mais n'a pas d'effet sur le minisatellite CEB1 muté. Ces outils expérimentaux m'ont ensuite permis, en collaboration avec J. Lopes, de montrer que l'instabilité du minisatellite survient durant la réplication, lorsque les G-quadruplexes sont formés sur la matrice du brin à synthèse continue. Cette capacité à former des G-quadruplexes, entre autres propriétés des minisatellites riches en GC, induit la formation de grands réarrangements chromosomiques. Le dernier volet de ma thèse a consisté en l'étude de la relation structure-fonction des G-quadruplexes à l'instabilité génomique

Les séquences répétées en tandem sont constituées de motifs adjacents. Elles constituent une classe de séquences génétiques dont font partie microsatellites et minisatellites. Dans cette thèse, nous traitons le problème de la comparaison de séquences répétées en tandem sous un modèle évolutif particulier. Plus précisément, nous nous intéressons au problème de leur alignement dans lequel, en plus des trois opérations classiques, mutation, insertion et délétion, nous considérons l'amplification en tandem et la contraction en tandem. L'amplification copie un facteur de la séquence, c'est-à-dire un ou plusieurs caractère(s), et met le ou les exemplaire(s) du facteur copié à côté du facteur original, la contraction est l'événement inverse. L'amplification (resp. la contraction) est dite « n-aire d'ordre m », si elle copie (resp. retire) m motif(s) n fois. Nous proposons une méthode donnant un score d'alignement, qui est une métrique, entre deux séquences répétées en tandem, sous un modèle comprenant les cinq opérations précédemment citées où l'amplification et la contraction sont unaires d'ordre 1. Le problème est difficile car les opérations ne sont pas commutatives. Notre solution fait appel à de l'algorithmique de graphe. Nous avons réalisé un programme nommé MS_Align qui implémente cette méthode. Il s'agit du premier programme capable d'aligner des cartes de minisatellites. À l'aide de ce programme, nous avons étudié des données biologiques provenant du minisatellite humain MSY1. Comme nous le montrons, notre modèle évolutif s'applique bien à ce type de séquences d'ADN. Nous avons construit à partir de nos résultats des arbres phylogénétiques semblables à ceux obtenus grâce à d'autres marqueurs du chromosome Y indépendants de MSY1, nos arbres offrent une meilleure résolution. Une partie de cette thèse est consacrée au problème général où nous relaxons les contraintes sur les amplifications et contractions.

No / Male-mediated developmental toxicity has been of concern for many years. The public became aware of male-mediated developmental toxicity in the early 1990s when it was reported that men working at Sellafield might be causing leukemia in their children. Human and animal studies have contributed to our current understanding of male-mediated effects. Animal studies in the 1980s and 1990s suggested that genetic damage after radiation and chemical exposure might be transmitted to offspring. With the increasing understanding that there is histone retention and modification, protamine incorporation into the chromatin and DNA methylation in mature sperm and that spermatozoal RNA transcripts can play important roles in the epigenetic state of sperm, heritable studies began to be viewed differently. Recent reports using molecular approaches have demonstrated that DNA damage can be transmitted to babies from smoking fathers, and expanded simple tandem repeats minisatellite mutations were found in the germline of fathers who were exposed to radiation from the Chernobyl nuclear power plant disaster. In epidemiological studies, it is possible to clarify whether damage is transmitted to the sons after exposure of the fathers. Paternally transmitted damage to the offspring is now recognized as a complex issue with genetic as well as epigenetic components.