Doctor of Philosophy / Genetics Interdepartmental Program / Allan K. Fritz / Wheat diseases cause significant economic losses every year. To ensure global food security, newly released cultivars must possess increased levels of broadly-effective resistance against wheat pathogens, acceptable end-use quality, and high yield potential. Genetic host resistance stands out from other management strategies as the most viable option for controlling diseases. New genotyping platforms allow whole genome marker discovery at a relatively low cost, favoring the identification of novel loci underlying traits of interest. The work presented here describes genomic approaches for mapping and predicting the resistance to Fusarium head blight (FHB) and wheat rusts. The first study used biparental mapping to identify quantitative trait loci (QTL) associated with Fusarium head blight (FHB) resistance. A doubled haploid population (DH) was originated from a cross of Everest and WB-Cedar, which are widely grown wheat cultivars in Kansas with moderately resistant and moderately susceptible reactions to FHB, respectively. We confirmed that neither of the parents carry known large-effect QTLs, suggesting that FHB resistance is native. Eight small-effect QTLs were identified as associated with multiple mechanisms of FHB resistance. All QTLs had additive effects, providing significant improvements in levels of resistance when they were found in combinations within DH lines. In the second study, a genome-wide association mapping (GWAS) and genomic selection (GS) models were applied for FHB resistance in a panel of 962 elite lines from the K-State Wheat Breeding Program. Significant single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with the percentage of symptomatic spikelets were identified but not reproducible across breeding panels tested in each year. Accuracy of predictions ranged from 0.25 to 0.51 depending on GS model, indicating that it can be a useful tool to increase levels of FHB resistance. GWAS and GS approaches were also applied to a historical dataset to identify loci underlying resistance to leaf and stem rust at seedling stage in a panel of elite winter wheat lines. Infection types of multiple races of wheat rusts from the last sixteen years of the Southern Regional Performance Nursery (SRPN) were used in this study. A total of 533 elite lines originating from several breeding programs were tested in the SRPN during this period of time. GWAS identified significant SNP-trait associations for wheat rusts, confirming the effectiveness of already known genes and revealing potentially novel loci associated with resistance.

Les liens entre la diversité et l'adaptation des populations bactériennes à leur environnement constituent une problématique importante en écologie microbienne. L'accès à de nombreux génomes permet aujourd'hui des avancées intéressantes dans ce domaine. Plusieurs souches du genre Thiomonas et appartenant à la même espèce, Tm. arsenitoxydans 3As et Tm. spp. CB1, CB2, CB3 et CB6, ont été isolées d'un drainage minier acide (DMA) à Carnoulès (Gard). La comparaison de leur génome a permis d'affiner leur phylogénie et de mettre au jour des différences de contenu génétique liées à des îlots génomiques. Certaines de ces différences ont été corrélées expérimentalement avec des différences fonctionnelles concernant l'oxydation de l'arsénite (As(III)), la dégradation de l'urée et la biosynthèse de biofilm, et confèrent potentiellement un avantage sur le site (meilleure résistance à l'As(III), précipitation des métaux et augmentation du pH, protection des cellules). La comparaison de la synténie des génomes de Tm. arsenitoxydans 3As avec Tm. sp CB2 et Tm. intermedia K12 (non isolée de ce DMA) a montré que le génome de Tm. sp. CB2 a subi plusieurs remaniements importants. Ces types de réarrangements pourraient être en partie à l'origine de l'apparition de variants "super-résistants" à l'As(III) dans la population. En particulier, plusieurs copies d'un élément intégratif et conjugatif portant l'opéron aioBA codant l'arsénite oxydase ont été détectées chez deux variants, ce qui pourrait en partie expliquer leur résistance accrue à l'As(III). La proportion de variants est plus importante en présence d'As(III) au sein des biofilms, et des données de transcriptomique ont en effet montré que ces remaniements seraient en partie causés par des systèmes de réparation de l'ADN suite à des dommages liés au stress oxydant induit par l'As(III). Le développement en biofilm et la présence d'As(III) modulerait donc la flexibilité génomique et le potentiel adaptatif de Tm. sp. CB2. Ces données suggèrent que cette souche, avec Tm. sp. CB3, possèdent un génome visiblement plus flexible que les autres. Les souches Tm. arsenitoxydans 3As et Tm. spp. CB1 et CB6, contrairement à Tm. spp. CB2 et CB3, forment un groupe distinct d'un point de vue phylogénétique et fonctionnel ("groupe 3As"), suggérant qu'elles occupent une niche écologique spécifique et pourraient constituer un écotype. La population de Thiomonas de ce DMA serait donc composée d'au moins un écotype stable et de souches au génome plus instable, dont le potentiel adaptatif plus important serait influencé par l'As(III) et le développement en biofilm. / Understanding the link between diversity and adaptation in natural bacterial populations represents an important issue in microbial ecology. The amount of whole genome sequencing data currently available has allowed for interesting advances in this field. Several strains from the genus Thiomonas belonging to the species, Tm. arsenitoxydans (3As) and Tm. spp. (CB1, CB2, CB3 and CB6), were isolated from the acid mine drainage (AMD) at Carnoulès (Gard, France). Comparison among genomes allowed for a better definition of their phylogenetic relationships and highlighted differences in genetic content, which is essentially due to the presence of genomic islands. Some of these differences were experimentally correlated with functional traits concerning arsenite oxidation, urea degradation, and biofilm biosynthesis, and are potentially beneficial in situ (leading to an enhanced resistance to arsenite (As(III)), metal precipitation, and an increase in pH, ultimately protecting cells). The comparison of genome synteny of Tm. arsenitoxydans 3As, Tm. sp CB2, and Tm. intermedia K12 (not isolated from this AMD) show several important genomic rearrangements exist in Tm. sp CB2. This type of rearrangements could be involved in the emergence of arsenite "super-resistant" variants in the Tm. sp CB2 population. In particular, several copies of an integrative and conjugative element (ICE) containing the aioBA operon coding arsenite oxidase were detected in the genomes of two variants, which could explain their higher levels of resistance to As(III). The percentage of variants in biofilm culture is higher when grown in the presence of As(III), and transcriptomic data suggests that genomic rearrangements probably occurred through DNA repair systems following damage caused by As(III) induced oxidative stress. Therefore, biofilm development and As(III) appear to allow for the adaptation of Tm. sp. CB2 genome flexibility and evolutionary potential. These data suggest that CB2 and Tm. sp. CB3 have more flexible genomes than the other strains. Tm. arsenitoxydans 3As and Tm. spp. CB1 and CB6 form both a phylogenetic and functional cluster ("3As group") suggesting that they occupy a specific ecological niche and therefore could represent an ecotype of the genus Thiomonas. The Thiomonas population from the Carnoulès AMD might therefore consist of at least one stable ecotype as well as other strains with more instable genomes, whose higher adaptive potential could be affected by As(III) and biofilm development.

Les tumeurs corticosurrénaliennes unilatérales sont fréquentes (prévalence de 2 à 9% de la population). Il s’agit le plus souvent d’adénomes. Le cancer de la corticosurrénale, ou corticosurrénalome, a un pronostic sombre, la survie ne dépassant pas 40 % à cinq ans. Le diagnostic de malignité de ces tumeurs, actuellement basé sur l’histologie, peut être difficile. Le pronostic des corticosurrénalomes est hétérogène et peu prévisible. Enfin, la prise en charge thérapeutique est encore limitée. Ces difficultés diagnostiques, pronostiques et thérapeutiques s’expliquent entre autres par la connaissance limitée de la physiopathologie de ce cancer. Le génome a un rôle central dans le développement des cancers en général. La survenue d’altérations génomiques (mutations, anomalies de nombre de copies, pertes d’hétérozygotie, translocations, anomalies de méthylation) va aboutir à la surexpression d’oncogènes et à la répression de gènes suppresseurs de tumeurs. La génomique, en ouvrant la voie à la caractérisation moléculaire à l’échelle du génome entier des tumeurs, est devenue incontournable pour étudier la physiopathologie des cancers. Les études de transcriptome des tumeurs corticosurrénaliennes ont montré que le profil d’expression génique discrimine adénomes et corticosurrénalomes, et identifie deux groupes distincts de corticosurrénalomes avec des pronostics différents. Dans le sillage de ces travaux précédemment réalisés par l’équipe, je me suis intéressée pendant ma thèse aux anomalies de nombres de copies d'ADN et aux anomalies de méthylation des corticosurrénalomes. Dans une première partie j’ai étudié le génome de 38 adénomes et 21 corticosurrénalomes par puce d’hybridation génomique comparative (puces CGH). Le transcriptome de 54 de ces tumeurs était déjà disponible. Le génome des corticosurrénalomes est très altéré contrairement à celui des adénomes (44% du génome est perdu ou gagné, versus 10% pour les adénomes, p=2.10-10). Dans les adénomes, la région 9q34 (locus de SF-1) est fréquemment gagnée et ce gain est associé à une surexpression de SF-1. Pour les corticosurrénalomes, les évènements récurrents concernent les gains des chromosomes 5, 7, 12, 16, 19, 20 et les pertes des chromosomes 13 et 22. Les gènes situés dans les régions minimales communes gagnées ou perdues ont été filtrés en fonction de leur expression. La liste des gènes à la fois gagnés et surexprimés inclut des oncogènes comme FGFR4, CDK4, CCNE1 ; et la liste des gènes avec perte de matériel et sous-expression inclut des gènes suppresseurs de tumeurs (LATS2, ST13). Un outil diagnostique basé sur la mesure en PCR quantitative de 6 loci permet de séparer les corticosurrénalomes des adénomes dans une cohorte de validation indépendante de 79 tumeurs, avec une sensibilité de 100% et une spécificité de 83%. Le nombre d’altérations chromosomiques n’a pas de valeur pronostique, mais une technique de classification hiérarchique non supervisée permet de séparer les corticosurrénalomes en deux groupes de pronostic différent, et a été validée sur une cohorte indépendante de 25 tumeurs. Dans une deuxième partie, j’ai étudié les anomalies de méthylation des promoteurs des gènes de 51 corticosurrénalomes et 81 adénomes par puce Infinium HumanMethylation27 (Illumina). Les données d’expression étaient disponibles pour 87 tumeurs. Les corticosurrénalomes sont globalement hyperméthylés par rapport aux adénomes. La classification hiérarchique non supervisée sépare les corticosurrénalomes en 3 groupes : un groupe non-hyperméthylé, un groupe modérément hyperméthylé, et un autre très hyperméthylé. Cette classification a été confirmée par MS-MLPA. L’hyperméthylation est associée à un mauvais pronostic (p=0,02 en modèle de Cox). La corrélation entre niveau de méthylation et expression identifie 1741 gènes (sur les 12250 étudiés) corrélés négativement (…) / Unilateral adrenocortical tumors are common (prevalence : 2 to 9% of the population). Most of these tumors are adenomas. Adrenocortical cancer (ACC) has a poor prognosis, with a 5-yr survival rate not exceeding 40% in most series. Pathological diagnosis of these tumors relies on several histological features and can be difficult. The prognosis of adrenocortical carcinomas is heterogeneous and unpredictable. Knowledge of the pathophysiology of these tumors is also limited. The genome has a central role in the development of cancers in general. The occurrence of genomic alterations (mutations, abnormal copy number, loss of heterozygosity, translocations, abnormal methylation) will lead to the overexpression of oncogenes and repression of tumor suppressor genes. Genomic approaches became essential to study the pathophysiology of cancer. Transcriptome studies of adrenocortical tumors have shown that the gene expression profile discriminate ACC and adenomas, and identified two distinct groups of ACC with different prognoses. In addition to gene expression, genomics now covers a large spectrum of alterations, including chromosomal alterations, DNA sequence modifications, and epigenetic alterations. I studied chromosomal alterations and DNA methylation abnormalities in ACC during my thesis.In the first part the genome of 38 adrenocortical adenomas and 21 ACC were identified by comparative genomic hybridization arrays. The transcriptome of 54 of these tumors was already available. A larger proportion of the genome is altered in carcinomas compared with adenomas (44 % of the genome is lost or gained, versus 10% for adenomas , p = 2.10-10 ) . In adenomas, the 9q34 region, which includes the steroidogenic factor 1locus, is commonly gained and associated with an overexpression of steroidogenic factor 1 (SF-1).In carcinomas, recurrent gains include chromosomes 5, 7, 12, 16, 19, and 20 and recurrent losses chromosomes 13 and 22. Filtering the genes from these regions according to their expression profile identified genes potentially relevant to adrenocortical tumorigenesis. A diagnostic tool was built by combining DNA copy number estimates at six loci (5q, 7p, 11p, 13q, 16q, and 22q). This tool discriminates carcinomas from adenomas in an independent validation cohort (sensitivity 100%, specificity 83%). In carcinomas, the number of chromosomal alterations was not associated with survival (Cox p=0.84). A prognostic tool based on tumor DNA was designed with a clustering strategy and validated in an independent cohort. In the second part, methylation patterns of CpG islands in promoter regions of 51 adrenocortical carcinomas and 84 adenomas were studied by the Infinium HumanMethylation27 Beadchip (Illumina) . Gene expression data were available for 87 tumors. Methylation was higher in carcinomas than in adenomas (t test : p=3.1x10-9). Unsupervised clustering of DNA methylation profiles identified two groups of carcinomas, one with an elevated methylation level, evoking a CpG island methylator phenotype (CIMP). The subgroup of hypermethylated carcinomas was further divided in two subgroups, with different levels of methylation (CIMP-high and CIMP-low). This classification could be confirmed by methylation-specific multiplex ligation-dependent probe amplification. Hypermethylation was associated with a poor survival (Cox model p= 0.02). The transcriptome/methylation correlation showed 1741 genes (of 12250) negatively correlated; among the top genes were H19 and other tumor suppressors (PLAGL-1, G0S2, and NDRG2). The subgroups identified by the transcriptome adrenocortical have different levels of methylation. In conclusion, genomic alterations discriminate carcinomas from adenomas and contain prognostic information. The subgroups identified by the adrenocortical transcriptome profiles of different genomic alterations. Chromosomal alterations and abnormal methylation alter the expression of genes important for tumorigenesis.

Mon travail de thèse s'intéresse au rôle du récepteur à l'immunité innée NLRP3, composant essentiel de l'inflammasome, dans le développement tumoral pulmonaire. Nos résultats révèlent que les cellules épithéliales pulmonaires immortalisées expriment un inflammasome NLRP3 fonctionnel. De façon inattendue, nous montrons que l'expression du récepteur NLRP3 est fortement diminuée, voire perdue des lignées tumorales de CBNPC et dans des tumeurs de patients, comparé au tissu sain adjacent. Nous montrons que NLRP3, de façon totalement indépendante de l'inflammasome, est impliquée dans la régulation transcriptionnelle de H2AFX, le gène codant pour le variant d'histone H2AX, élément clé de la signalisation des dommages à l'ADN. L'absence de NLRP3 dans les cellules HBEC altère l'amplification et la transmission du signal en réponse à des cassures double brin, résultant in fine à moins de réparation. Ce défaut de réparation des cassures se traduit par une instabilité génomique, qui est en effet plus forte dans les adénocarcinomes pulmonaires exprimant de faible niveau de NLRP3. Mon travail de thèse identifie donc le récepteur NLRP3 comme un facteur clé de la réponse aux dommages à l'ADN et du maintien de l'intégrité génomique en promouvant la transcription de H2AFX dans les cellules épithéliales pulmonaires. Ce nouveau rôle de NLRP3, associé à sa perte dans les tumeurs de CBPNC en font un potentiel suppresseur de tumeur / During my PhD, I have been interested in the role of the innate immune receptor NLRP3, a key component of the inflammasome, in lung cancer development. Our results show the presence of a functional NLRP3 inflammasome in normal human bronchial epithelial cells (HBEC). Surprisingly, NLRP3 expression is strongly down-regulated in a large panel of NSCLC cell lines and patient tumors compared to healthy tissue. Moreover, we unravel that NLRP3 contributes to the transcription of H2AFX, the coding gene for the histone variant H2AX, in an inflammasome independent-manner. The deletion of NLRP3 in HBEC impairs double strand break signal amplification and transduction, resulting in a decrease in DNA repair. This repair defect leads to genomic instability, which is increased in lung adenocarcinomas expressing low levels of NLRP3. My PhD work identifies NLRP3 as a key factor of the DNA damage response and genomic integrity maintenance by regulating the transcription of H2AFX. This new role for NLRP3, together with its loss in NSCLC, makes it as a potential tumor suppressor

Le domaine Dlk1-Dio3 est l’un des rares domaines imprimés contrôlés par une région de contrôle d'impression méthylée sur le chromosome paternel, nommée IG-DMR. Dans l’embryon, au niveau du domaine Dlk1, Rtl1 et Dio3 les gènes codant pour des protéines sont exprimés à partir du chromosome paternel, tandis que les ARNs non-codants dont Meg3, les snoRNAs à boite C/D et les micro-ARNs sont exprimés à partir du chromosome maternel.Il a été montré que la copie maternelle de l'IG-DMR est nécessaire pour l'expression des gènes imprimés de ce domaine et que les ARNs de types enhancer (de la même région) activent la transcription des ARNs non-codants. Cependant, les mécanismes qui régulent l'expression imprimée de gènes codant pour des protéines restent indéterminés. Dans ce projet, nous avons cherché à élucider les mécanismes qui contrôlent l'expression spécifiquement paternelle des gènes codant pour des protéines ainsi que le rôle possible des ARNs non-codants dans ce processus.Pour nos études alléliques, nous avons utilisé des cellules ES hybrides qui ont été obtenues en croisant des lignées de M. musculus domesticus et M. musculus molossinus. Ces cellules ont été différenciées in vitro dans des lignées neurales. Dans les cellules ES, l'expression Dlk1 est détectée à partir des deux chromosomes parentaux à des niveaux très bas. Lors de la différenciation, l'allèle paternel de Dlk1 devient actif tandis que le niveau d'expression de l'allèle maternel reste faible. Nos études de la chromatine ont montré que cette surexpression est due à l’activation de la chromatine sur l'allèle paternel de Dlk1.L'un de nos objectifs était d'explorer le rôle de Meg3 (un long ARN non-codant) dans la régulation de l’empreinte de Dlk1. A cet effet, nous avons généré des cellules souches embryonnaires déficientes en Meg3. Dans toutes les lignées déficientes, de suppressions maternelles ou bi-alléliques, nous avons constaté une perte d’expression de tous les ANRs non-codants. De plus, l’expression de Dlk1 devient bi-allélique dans ces cellules. Pour élucider le mécanisme de l'empreinte de ce gène, nous avons décidé d'étudier les caractéristiques de la chromatine au niveau du promoteur Dlk1 dans les cellules déficientes en Meg3. Nous avons examiné les modifications activatrices et répressives des histones ainsi que l'occupation de l'ARN Pol II. Nous avons observé l'acquisition des marques d’une chromatine active sur les deux chromosomes ainsi que le recrutement bi-allélique de l'ARN Pol II.Bien que nous n’ayons pas pu détecter une perte de la marque répressive H3K27me3 suite à la surexpression de Dlk1, nous avons observé un gain d'acétylation sur ce résidu lysine. Afin de comprendre davantage le rôle de la marque H3K27me3 sur l’empreinte de Dlk1, nous avons généré des cellules ES dépourvues de EZH2, la méthyltransférase de H3K27. L’expression de Dlk1 dans les cellules différenciées dépourvues de H3K27me3 est bi-allélique.Enfin, ces données suggèrent que l'expression des ARNs non-codant empêche l'activation de Dlk1 sur le chromosome maternel via l’activité de EZH2 au cours du développement. / The Dlk1-Dio3 imprinted domain is one of the few imprinted domains that are controlled by a paternally methylated imprinting control region, IG-DMR. Protein-coding genes of the domain, Dlk1, Rtl1 and Dio3 are expressed from the paternal chromosome, and non-coding RNAs (ncRNAs) including Meg3, C/D box snoRNAs and microRNAs are expressed from the maternal chromosome exclusively in the embryo. Maternal copy of the IG-DMR is required for the imprinted gene expression at this domain. Enhancer RNAs transcribed from this region are involved in activation of ncRNA expression on the maternal chromosome. However, the regulation of imprinted expression of protein-coding genes remains unknown. In this project, we aimed to elucidate the mechanisms controlling the paternal specific expression of protein-coding genes and a possible role of ncRNAs in this process.For our allelic studies, we made use of hybrid ES cells that were obtained by crossing M. musculus domesticus and M. musculus molossinus strains. These cells were differentiated in vitro into neural lineages. In ES cells, Dlk1 expression is detected from both parental chromosomes at very low levels. Upon differentiation, paternal allele of Dlk1 gets activated while low level of expression is detected from maternal allele. Our chromatin studies showed that this upregulation is through the acquisition of active chromatin on the paternal allele of Dlk1.One of our aims was to explore the role of Meg3 long non-coding RNA (lncRNA) in the regulation of Dlk1 imprinting. For this purpose, we generated ES cells deficient in Meg3. In all maternal or biallelic deletion lines, we observed complete loss of all ncRNA expression. Interestingly, in these cells Dlk1 expression becomes biallelic. To elucidate the mechanism of imprinting of this gene, we set out to study the chromatin features at the Dlk1 promoter in Meg3 deficient cells. We looked into active and repressive histone modifications and RNA Pol II occupancy. We observed acquisition of active chromatin marks on both chromosomes as well as biallelic recruitment of RNA Pol II.Although we could not detect a loss of repressive mark H3K27me3 upon Dlk1 upregulation on the paternal allele, we observed gain of acetylation on this lysine residue. To further investigate the role of H3K27me3 mark on Dlk1 imprinting, we generated ES cells that lack functional EZH2, the H3K27 methyltransferase. Dlk1 is biallelically expressed in the differentiated cells that are devoid of H3K27me3.Combined, these data suggest a model in which non-coding RNA expression prevents the developmental activation of Dlk1 on the maternal chromosome by a process that also requires the activity of EZH2.

Les analyses génomiques ont permis d’identifier des gènes et des protéinesimpliqués dans la maladie d’Alzheimer (MA). Au laboratoire, des approchesdifférentes ont mis en évidence deux gènes différentiellement exprimés dans lamaladie : le gène IL-33, retrouvé comme étant sous-exprimé chez les patientsatteints de MA, et le gène BIN1, identifié par des approches de GWAS et retrouvécomme étant sur-exprimés dans le cerveau des patients.Nous avons observé que la protéine IL-33 avait un impact sur le métabolismedu précurseur du peptide amyloïde (APP) de par sa fonction de facteur de régulationtranscriptionnelle. Nous avons alors cherché à identifier les gènes modulés par IL-33ainsi que des sites potentiels de fixation de la protéine sur l’ADN par des analyses àhaut débit. Il a été observé qu’IL-33 avait une forte implication dans la transcriptiondes gènes et pouvait agir directement sur l’ADN de par son impact sur les histones.De plus, IL-33 augmenterait l’expression de la préséniline 2, ce qui expliquerait alorsson impact sur le métabolisme de l’APP.Nous avons identifié un polymorphisme fonctionnel dans la région régulatricedu gène BIN1 associé à la maladie et pouvant expliquer la variation de sonexpression retrouvée dans le cerveau des patients. Nous avons également retrouvéune interaction de la protéine BIN1 avec Tau. BIN1 est alors le premier déterminantgénétique de la MA retrouvé comme étant associé à Tau et pourrait expliquer le lienentre la pathologie amyloïde et la pathologie Tau.Nos analyses nous ont donc permis, à partir des résultats d’analysesgénomiques, de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans laphysiopathologie de la MA. / Genomic analyses allowed to identify genes and proteins involved inAlzheimer’s Disease (AD). In the laboratory, genetic and transcriptomic approachesrevealed two genes differentially expressed in AD: IL-33 gene, found to be underexpressedin AD cases brain, and BIN1 gene, found by GWAS analyses and overexpressedin brains of AD cases.As regards to IL-33, we observed that this protein have an impact on amyloidprecursor protein (APP) metabolism by its transcriptional regulation properties. So,we tried to identify the genes modulated by IL-33 using transcriptomic high-troughputanalyses and we identified IL-33 DNA binding sites by ChIP-on-chip approaches. Weobserved that IL-33 was involved in gene transcription and could act directly on DNAby interaction with histones. We also observed that IL-33 increase the expression ofpresenilin 2, which can explain its effect on APP metabolism.As regards to BIN1, we identified one functional polymorphism in regulatoryregion of this gene associated with AD and allowed to explain the expressionvariation of BIN1 in AD brains. We also found an interaction of BIN1 with Tau. So,BIN1 would be the first genetic risk factor for AD linked to the “Tau pathway” andcould explain the link between amyloid pathology and Tau pathology.The analyses performed in the laboratory allowed to, from genomic analysesresults, a better understanding of mechanisms involved in AD physiopathology.

Microorganisms are capable of producing advanced biofuels that can be used as ‘drop-in’ alternatives to conventional liquid fuels. However, vital physiological processes and membrane properties are often disrupted by the presence of biofuel and limit the production yields. In order to make microbial biofuels a competitive fuel source, finding mechanisms for improving resistance to the toxic effects of biofuel production is vital. This investigation aims to identify resistance mechanisms from microorganisms that have evolved to withstand hydrocarbon-rich environments, such as those that thrive near natural oil seeps and in oil-polluted waters. First, using genomic DNA from Marinobacter aquaeolei, we constructed a transgenic library that we expressed in Escherichia coli. We exposed cells to inhibitory levels of pinene, a monoterpene that can serve as a jet fuel precursor with chemical properties similar to existing tactical fuels. Using a sequential strategy of a fosmid library followed by a plasmid library, we were able to isolate a region of DNA from the M. aquaeolei genome that conferred pinene tolerance when expressed in E. coli. We determined that a single gene, yceI, was responsible for the tolerance improvements. Overexpression of this gene placed no additional burden on the host. We also tested tolerance to other monoterpenes and showed that yceI selectively improves tolerance. Additionally, we used genomic DNA from Pseudomonas putida KT2440, which has innate solvent-tolerance properties, to create transgenic libraries in an E. coli host. We exposed cells containing the library to pinene, selecting for genes that improved tolerance. Importantly, we found that expressing the sigma factor RpoD from P. putida greatly expanded the diversity of tolerance genes recovered. With low expression of rpoDP. putida, we isolated a single pinene tolerance gene; with increased expression of the sigma factor our selection experiments returned multiple distinct tolerance mechanisms, including some that have been previously documented and also new mechanisms. Interestingly, high levels of rpoDP. putida induction resulted in decreased diversity. We found that the tolerance levels provided by some genes are highly sensitive to the level of induction of rpoDP. putida, while others provide tolerance across a wide range of rpoDP. putida levels. This method for unlocking diversity in tolerance screening using heterologous sigma factor expression was applicable to both plasmid and fosmid-based transgenic libraries. These results suggest that by controlling the expression of appropriate heterologous sigma factors, we can greatly increase the searchable genomic space within transgenic libraries. This dissertation describes a method of effectively screening genomic DNA from multiple organisms for genes to mitigate biofuel stress and shows how tolerance genes can improve bacterial growth in the presence of toxic biofuel compounds. These identified genes can be targeted in future studies as candidates for use in biofuel production strains to increase biofuel yields.

L’instabilité génomique est une caractéristique majeure des cellules cancéreuses. Dans les premières étapes du développement du cancer, l’activation des oncogènes induit du stress réplicatif à l’origine de cette instabilité. Le mécanisme par lequel la dérégulation des oncogènes induit un blocage des fourches de réplication et du gammaH2AX sur la chromatine reste peu compris. Ainsi déterminer l'origine de ce stress réplicatif dans les cellules précancéreuses est donc essentiel afin de mieux comprendre les premières étapes de la tumorigenèse. Il a été montré dans notre laboratoire que la déplétion dans des cellules humaines de la topoisomérase 1 ou du facteur d’épissage ASF/SF2 perturbe la progression des fourches de réplication, active le checkpoint de phase S et induit des cassures chromosomiques (Tuduri et al., 2009). Puisque les dommages à l’ADN et les défauts de réplication sont corrigés par la RNase H1, il est possible que ce stress réplicatif soit dû à la formation de R-loops. Ces hybrides ADN/ARN se forment au cours de la transcription lorsque l’ARN naissant revient s’hybrider avec sa matrice d’ADN laissant le brin non-transcrit sous forme simple brin. Les R-loops se formant dans des sites spécifiques du génome, nous avons alors cartographié leurs distributions et l’avons comparé à celle de marqueurs de stress réplicatif et de cassure double brin (CDB) de l’ADN dans nos cellules shASF et shTop1. Nous avons donc combiné différentes approches génomiques comme le DRIP-seq (R-loops), le ChIP-seq (pRPA et gammaH2AX) et le BLESS (CDB ; Crosetto et al., Nature Methods, 2013). Nos données montrent une corrélation importante entre les régions formant du stress réplicatif et la formation de R-loops appuyant l’idée que l’interférence entre réplication et transcription augmente l’instabilité génomique dans les cellules humaines. Toutefois puisque les R-loops ont de multiples rôles physiologiques, toutes régions qui en forment ne corrèlent pas avec l’induction de stress réplicatif. Ce projet devrait nous aider à déterminer dans quelles conditions les R-loops représentent une menace pour l’intégrité du génome. Par microscopie confocale à fluorescence, nous avons confirmé que les R-loops s’accumulaient dans nos lignées HeLa déplétées pour ASF et Top1. A noter que les R-loops s’accumulent également dans des fibroblastes immortalisées exprimant la forme oncogénique de Ras et dans des préplasmablastes, une étape du développement plasmocytaire particulièrement à risque pour le développement de myélome multiple. Ensemble, ces données indiquent que les R-loops pourraient être une source du stress réplicatif induit par les oncogènes. / Genome instability is a hallmark of cancer cells. It has been proposed that at early stages of the cancer process, genomic instability is caused by oncogene-induced replication stress, a poorly-understood process characterized with the accumulation of stalled replication forks and gammaH2AX on chromatin. Understanding the origin of chronic replication stress represents a major challenge in cancer biology. We have previously shown that depletion of DNA Topoisomerase 1 or the splicing factor ASF/SF2 in mammalian cells interferes with replication fork progression, activating the DNA damage response and inducing chromosome breaks (Tuduri et al., 2009). Since DNA damage and replication fork stalling are relieved by RNaseH1, an attractive hypothesis could be that replication stress is caused by R-loops. These RNA-DNA hybrid structures form when nascent RNA re-anneals to the template DNA strand, leaving the non-template strand unpaired. Using immunofluorescence confocal microscopy with the S9.6 antibody that recognizes RNA-DNA hybrids, we confirmed that R-loops accumulate in ASF/SF2 and Top1-depleted HeLa cells. Since R-loops are enriched at specific sites in the human genome, wecombined different genomic approaches, including DRIP-seq (R-loops), ChIP-seq (gammaH2AX, pRPA) and BLESS (DSBs; Crosetto et al., Nature Methods, 2013) to monitor their distribution relative to replication stress markers and DNA double-strand breaks (DSBs) in the absence of Top1 or ASF/SF2. . Our data reveal a significant correlation between replication stress and cotranscriptional R-loops, supporting the view that the interference between replication and transcription promotes genomic instability in human cells. However, not all R-loops forming regions colocalize with replication stress since these structures have multiple physiological roles. This approach allowed us to determine the conditions in which R-loops may represent a threat to genome integrity. Moreover, we also observed the accumulation of R-loops in immortalized fibroblasts expressing an oncogenic form of Ras and in preplasmablast during plasma cell differentiation, a crucial process during which multiple myeloma may evolve. In clonclusion, our data indicate that R-loops may represent an important source of oncogene-induced replication stress.

Chez les mammifères, l'empreinte génomique parentale est un mécanisme épigénétique restreignant l'expression d'une centaine de gènes à un seul allèle, déterminé selon son origine parentale. Les gènes affectés et les mécanismes sous-jacents à leur expression mono-allélique sont essentiellement déterminés par une marque épigénétique différentielle portés par les allèles maternel et paternel. D'un point de vue fonctionnel et au niveau physiologique, l'empreinte est actuellement comprise comme un mécanisme contrôlant la quantité de ressources attribuées par la mère à sa progéniture. Les gènes soumis à empreinte s'inscrivent dans un même réseau transcriptionnel (IGN), et plusieurs études indiquent qu'ils contrôleraient l'équilibre entre prolifération et quiescence de cellules souches adultes. A travers cette étude, nous montrons une induction coordonnée de la plupart des gènes soumis à empreinte lors de la sortie du cycle cellulaire, que celle-ci soit réversible (quiescence) ou non (différenciation). De plus, dans un modèle de pré-adipocytes 3T3-L1, la perturbation de la dynamique d'expression de plusieurs de ces gènes semble conforter l'hypothèse d'un contrôle des transitions entre différents états cellulaires (prolifération, quiescence et différenciation) par l'IGN. Outre l'identification d'une fonction cellulaire commune aux gènes soumis à empreinte, nos résultats ouvrent la voie d'une meilleure compréhension des mécanismes de régulation de la quiescence. De plus, nos conclusions permettent de suggérer un nouveau scénario pour la sélection de l'empreinte parentale au cours de l'évolution des mammifères. / Mammalian genomic imprinting is an epigenetic mechanism that restrains the expression of about a hundred genes to a single allele, in a parent-of-origin specific manner. The identity of imprinted genes and the molecular basis of their monoallelic expression mostly rely on a differential epigenetic marking of the parental alleles. Presently, imprinting is understood as a mechanism aimed at controlling the amount of maternal resources allocated to the offspring. Imprinted genes belong to the same transcriptional network (IGN) and, according to different reports, they seem to control the balance between proliferation and quiescence of adult stem cells. In this study, we show that most imprinted genes are induced upon cell cycle exit, whether reversible (quiescence) or not (differentiation). In addition, within the 3T3-L1 preadipocytes cell line, impairing the dynamics of expression of several imprinted genes impairs the transitions between different cellular states, namely proliferation, quiescence and differentiation. Our results highlight the existence of a common cellular function of imprinted genes, and provide a new frame to understand cellular quiescence, at a molecular level. Furthermore, they suggest a new plausible scenario for the implementation of genomic imprinting during mammalian evolution.

Magister Scientiae (Medical Bioscience) - MSc(MBS) / Breast cancer (BC) is one of the most common malignancies in women. Death results from treatment failure and metastatic disease. Thousands of lives might be saved if it was possible to detect and eliminate occult metastatic cells before they become clinically evident. Therefore, there is a critical need to identify new markers to improve treatment options for these patients. Genomic instability is the earliest indication of breast cancer and the use of genomic methodologies is a progress towards early detection and treatment, through the identification of biomarkers that can be translated into novel therapy targets. The interferon regulatory factor-1(IRF-1) gene, localized on chromosome 5q31.1, is believed to act as a tumor suppressor gene in breast cancer. The IRF-1 was found to be inactivated by single nucleotide polymorphism (SNP) in breast cancer suggesting that the loss of its function might be critical to the development of the disease. The phosphatidylinositol 3-kinase (PIK3) signaling pathway mediates key cellular functions and alterations of genes in this pathway, including PIK3CA, serine-threonine protein kinases (AKT1and AKT2), phosphatase and tensin homolog (PTEN), fibroblast growth factor receptor 2 (FGFR2) and ERBB2, whose expression have been demonstrated to be altered in breast cancer patients. In addition, these genes are linked to treatment resistance. vi In this study, we have investigated allelic loss of IRF-1 gene in primary tumors obtained from patients undergoing mastectomy at Groote Schuur hospital (Cape Town, South Africa). These samples were then further analyzed for the DNA copy number changes of specific genes involved in the PIK3/AKT signaling pathway. Statistical analysis has been performed in order to correlate genomic findings with clinical-histopathological and follow up information from the patients and to establish whether these genes can predict prognosis. Our data analysis has indicated that 46 cases (45.5%) out of 101 cases were informative for the IRF-1 dinucleotide marker used for LOH analysis (Figure 3.1). LOH was detected in 23 of these informative cases (23/46; 50%). No statistical significance was found between LOH at the IRF-1 locus and age (≤50 years or >50 years) (P value = 1.0000) and earlier stage (Stages I and II) (P value= 0.4982) based on Fisher’s exact test. Patients presented a high level of DNA copy number changes in genes involved in the PIK3/AKT pathway. The most frequent changes were observed in the PIK3CA and PTEN genes. PIK3CA presented high copy number in 36.8% of the cases. PTEN was observed with low copy number in 47.5% of the cases. This dissertation shows the effectiveness of genomic methodologies as means for the detection of early breast cancer progression in South African women. The PIK 3/AKT genes can validate the usefulness of breast cancer therapies.