Les activités humaines génèrent des stress environnementaux pouvant entrainer l’extinction des populations végétales. Dès lors, la survie de ces populations nécessite l’évolution rapide de traits adaptatifs, qui augmenterait leur capacité de tolérance à ces stress d'origine anthropique. Par exemple, la colonisation d’un site métallifère nécessite l'évolution d'une capacité à tolérer les fortes concentrations en éléments traces métalliques (ETM) dans le sol. La tolérance aux métaux est ainsi généralement plus élevée chez les espèces se développant exclusivement sur sols métallifères (métallophytes strictes), et dans les populations métallicoles des espèces se développant occasionnellement sur sols métallifères (pseudométallophytes). Néanmoins, les mécanismes évolutifs permettant une augmentation de la tolérance aux métaux restent mal compris. Dans ce contexte, un projet d’évolution expérimentale a été initié dans le but d’observer l’effet du zinc sur l’évolution d’une population non-métallicole de l’espèce pseudométallophyte, Noccaea caerulescens. Pour cela, plusieurs populations métallicoles et non-métallicoles ont été échantillonnées afin de constituer quatre populations expérimentales (EP) qui ont été cultivées en mésocosme. Une EP d'origine non-métallicole a été exposée à un sol non contaminé (EP1), deux EP d'origine non-métallicole ont été exposées à sol contaminé à 750 mg.kg-1 de zinc (EP2 et EP3) et une EP d'origine métallicole a été exposée à un sol contaminé à 750 mg.kg-1 de zinc (EP4). A chaque génération, la performance de chaque individu a été mesurée, et les graines récoltées, de façon à construire la génération suivante. Après deux générations, plusieurs réplicas des populations dérivées et ancestrales de chaque EP ont été cultivées en conditions contrôlées dans différentes conditions d'exposition au zinc (750 mg.kg-1 et 2000 mg.kg-1 ). Leurs capacités de tolérance ont été évaluées à travers la mesure de plusieurs traits fonctionnels. Les résultats de cette étude montrent que le zinc représente effectivement une pression de sélection pour les populations non-métallicoles de Noccaea caerulescens, qui entraine une surreprésentation de certaines descendances à la génération suivante. Cette sélection semble avoir affecté de façon similaire les deux populations expérimentales d'origine non-métallicoles soumises au zinc (EP2 et EP3). En comparant différents traits fonctionnels morphologiques, physiologiques et phénologiques, potentiellement impliqués dans la tolérance aux métaux entre populations dérivées et ancestrales, nous observons une réponse phénotypique forte des populations EP2 et EP3 avec, notamment, une augmentation significatives de quasiment tous les traits morphologiques en lien avec la croissance des individus (nombre de feuilles, surface de la plante, hauteur de la plante, etc.). / Human activities generate environmental stresses that can lead to the extinction of plant populations. Therefore, the survival of these populations requires the rapid evolution of adaptive traits, which would increase their ability to tolerate these anthropogenic stresses. For example, the colonization of a metalliferous site requires the evolution of an ability to tolerate high concentrations of metal trace elements (MTE) in the soil. Thus, metal tolerance is generally higher in species growing exclusively on metalliferous soils (strict metallophytes), and in metallicolous populations of species growing occasionally on metalliferous soils (pseudometallophytes). However, the evolving mechanisms for increasing metal tolerance remain unclear. In this context, an experimental evolution project was initiated to observe the effect of zinc on the evolution of a nonmetallicolous population of the pseudometallophyte, Noccaea caerulescens. For this purpose, several metallicolous and nonmetallicolous populations were sampled to form four experimental populations (EP) that were cultured in mesocosm. One nonmetallicolous EP was exposed to uncontaminated soil (EP1), two non-metallicolous EPs were exposed to contaminated soil at 750 mg.kg-1 of zinc (EP2 and EP3) and one metallicolous EP was exposed to contaminated soil at 750 mg.kg-1 of zinc (EP4). In each generation, the performance of each individual was measured, and the seeds were harvested, in order to build the next generation. After two generations, several replicas of the derived and ancestral populations of each EP were cultivated in controlled conditions under different zinc doses (750 mg.kg-1 and 2000 mg.kg-1 ). Their tolerance abilities were assessed through the measurement of several functional traits. Results of this study showed that zinc represent a selection pressure for nonmetallicolous populations of Noccaea caerulescens, leading to an over-representation of some offspring in the next generation. This selection seemed to similarly affected EP2 and EP3. Comparison of different morphological, physiological and phenological functional traits, potentially involved in metal tolerance, between derived and ancestral populations showed strong phenotypic response of EP2 and EP3 with a significant increase in almost all morphological traits related to individual growth (number of leaves, plant surface, plant height, etc.).

Les troubles du spectre autistique (TSA) touchent approximativement 1% de la population générale. Ces troubles se caractérisent par un déficit de la communication sociale, ainsi que des comportements stéréotypés et des intérêts restreints. Plusieurs gènes impliqués dans le déterminisme des TSA ont été identifiés, comme par exemple les gènes NLGN3-4X, NRXN1-3 et SHANK1-3. Au cours des années précédentes, les TSA ont été considérés comme un ensemble complexe de troubles monogéniques. Cependant, les études récentes du génome complet suggèrent la présence de gènes modificateurs (« multiple hits model »). La dyslexie est caractérisée par un trouble dans l’apprentissage de la lecture et de l’écriture qui touche 5--‐15% de la population générale. Les facteurs génétiques impliqués restent pour l’instant inconnus car seuls des gènes ou loci candidats ont été identifiés. Mon projet de thèse avait pour objectif de poursuivre l’identification des facteurs génétiques impliqués dans les TSA et de découvrir un premier facteur génétique pour la dyslexie. Pour cela, deux types de populations ont été étudiés : d’une part des patients atteints de TSA (N>600) provenant de France, de Suède et des Iles Faroe, d’autre part des patients atteints de dyslexie (N>200) provenant de France, en particulier une famille de 11 personnes atteintes sur 3 générations. J’ai utilisé à la fois la technologie des puces à ADN Illumina (600 K et 5M) et le séquençage complet du génome humain pour effectuer des analyses de liaison et d’association. Pour les TSA, grâce aux analyses de CNVs, j’ai pu identifier des gènes candidats pour l’autisme et confirmer l’association de plusieurs gènes synaptiques avec l’autisme. En particulier, l’étude d’une population de 30 patients des îles Faroe a pu confirmer l’implication des gènes NLGN1 et NRXN1 dans l’autisme et identifier un nouveau gène candidat IQSEC3. En parallèle, j’ai exploréPRRT2 localisé en 16p11.2. PRRT2 code pour un membre du complexe SNARE synaptique qui permet la libération des vésicules synaptiques. Je n’ai pas pu mettre en évidence d’association avec les TSA, mais j’ai montré que ce gène important pour certaines maladies neurologiques était sous pression de sélection différente selon les populations. Pour la dyslexie, j’ai effectué une analyse de liaison (méthode des lod-scores) pour une grande famille de 11 individus atteints sur trois générations. Cette étude a permis d’identifier CNTNAP2 comme un gène de vulnérabilité à la dyslexie. Cette découverte est importante car ce même gène est aussi associé aux TSA. Par contre, aucune des 20 variations rares découvertes par le séquençage complet du génome n’est localisée dans les parties codantes du gène. Plusieurs variations localisées dans des régions régulatrices sont candidates. En conclusion, les résultats de ma thèse ont permis d’identifier des gènes candidats pour les TSA, de confirmer le rôle des gènes synaptiques dans ce trouble, de montrer pour la première fois grâce à une analyse de liaison le rôle de CNTNAP2 dans la dyslexie. / Autism spectrum disorders (ASD) affect 1% of the general population. These disorders are characterized by deficits in social communication as well as stereotyped behaviors and restricted interests. Several genes involved in the determination of ASD have been identified, such as NLGN3-4, NRXN1-3 and SHANK1-3. In the previous years, ASD have been considered as a complex set of monogenic disorders. Recent studies on the complete genome nevertheless suggest the presence of modifier genes ("multiple hits model"). Dyslexia is characterized by difficulties in learning to read and write. It affects 5-15 % of the general population. Genetic factors involved remain unknown. Only candidate genes or loci have been identified. My thesis had two main objectives: pursuing the identification of genetic factors involved in ASD, and discovering a first genetic factor for dyslexia. I therefore studied two types of populations: on the one hand a group of patients with ASD (N > 600) from France, Sweden and the Faroe Islands, and on the other hand another group of patients with dyslexia (N > 200) from France, and more specifically a family of 11 people followed over 3 generations. I used both Illumina microarrays technology (600K and 5M) and the complete human genome sequencing to conduct linkage and association analyses. Regarding ASD, CNVs (copy number variants) analyses allowed me to confirm the association of several synaptic genes with autism and to identify new candidate genes. In particular, the study of a population of 30 patients from the Faroe Islands confirmed the involvement of NLGN1 and NRXN1 genes in autism and identified a new candidate gene, IQSEC3. At the same time, I explored PRRT2 located in 16p11.2. PRRT2 encodes a member of the synaptic SNARE complex that allows the release of synaptic vesicles. I have not been able to demonstrate any association with ASD, but I showed that this gene, which is important for some neurological diseases, was under different selection pressures according to the population considered. Regarding dyslexia, I realized a linkage analysis (lod-score method) for a large family of 11 individuals, with three generations affected. This study identified the CNTNAP2 gene as a vulnerability factor for dyslexia. This finding is important because this gene is also associated with ASD. Nevertheless, none of the 20 rare variations discovered by whole genome sequencing is localized in the coding parts of the gene. Only several variations localized in regulatory regions are robust candidates. To conclude, my findings enabled the identification of new candidate genes for ASD, the confirmation of the role of synaptic genes in this disorder, and the highlight for the first time of the role of CNTNAP2 in dyslexia through linkage analysis.

L’hypothèse de gènes chevauchants codés par le brin antisens des rétrovirus est un concept ancien. Cependant, celui-ci n’a été réellement démontré qu’il y a une dizaine d’années avec la découverte de la protéine HBZ du virus HTLV-1 et les résultats récents sur la protéine ASP du VIH-1. Les nouvelles recherches sur cette protéine ont démontré son expression in vivo, mais sa fonctionnalité est toujours inconnue. Nous avons réalisé ici, à partir d’un jeu de données de plus de 20 000 séquences, les premières analyses bioinformatiques sur l’évolution de ce gène chevauchant. Nous avons alors montré que le gène asp est conservé uniquement dans les séquences du groupe M correspondant au groupe pandémique du VIH-1. Nous démontrons de plus, une corrélation entre la présence de l’ORF ASP et la prévalence des différents groupes et sous-types. Nos analyses phylogénétiques montrent que l’apparition de l’ORF ASP est concomitante avec l’émergence de la pandémie du groupe M. Du fait du chevauchement de gènes, l’analyse de la pression de sélection induite par la protéine ASP a impliqué l’utilisation de modèles et de méthodes d’analyses spécifiques. Situé sur la phase -2, ce chevauchement entraîne une correspondance des troisièmes bases des codons de chaque gène. Si on considère un gène « fixe », les contraintes mécaniques induites par ce gène sont très importantes et le gène chevauchant dispose de très peu de flexibilité. Il est alors important d’identifier la pression de sélection propre au gène situé sur la phase -2, et montrer ainsi que sa présence et sa conservation ne sont pas seulement dues aux contraintes induites par le gène fixe. Pour cela, nous avons tout d’abord montré par des analyses de simulations de séquences, à l’aide d’un modèle à codon, que la présence de l’ORF ASP n’est pas due au hasard. Nous avons ensuite développé une méthode d’analyse évolutive basée sur l’étude des mutations silencieuses pour le gène fixe (ici le gène env) entraînant l’apparition ou la disparition des codons Start et Stop sur le gène chevauchant. L’application de cette méthode au gène asp montre qu’il existe bien une pression de sélection induite par la protéine ASP. / The hypothesis of overlapping genes encoded by the antisense strand of the retrovirus is an old concept. However, this one has been really demonstrated that with the discovery of the HBZ protein of HTLV-1 virus, a dozen of years ago and the recent results on the ASP protein of HIV-1. New research on this protein has demonstrated its expression in vivo, but its functionality is still unknown. We performed here, from a data set of more than 20,000 sequences, the first bioinformatic analyses on the evolution of this overlapping gene. We showed that the asp gene is conserved only in the M group sequences corresponding to the pandemic group of HIV-1. Moreover, we demonstrated a correlation between the presence of the ASP ORF and the prevalence of the various groups and subtypes. Our phylogenetic analyses showed that the appearance of the ASP ORF is concomitant with the emergence of the pandemic M group. Because of the overlapping of the genes, the analysis of the selection pressure induced by the ASP protein involved the use of models and specific analysis methods. Located in the frame -2, this overlap induces a correspondence of the third base codon of each gene. If we consider a "fixed" gene, the mechanical constraints induced by this "fixed" gene are very important and the overlapping gene has very little flexibility. Then, it is important to identify the selection pressure of the gene which is in the frame -2 and show that its presence and conservation are not only due to mechanical constraints induced by the "fixed" gene. For this, we first demonstrated by sequence simulation analysis, using a codon model, that the presence of the ASP ORF is not due to chance. Then, we developed a method of evolutionary analysis based on the study of synonymous mutations in the "fixed" gene (here the env gene) causes the appearance or disappearance of start and stop codons in the overlapping gene. When we applied this method to the asp gene, it showed that there is a selection pressure induced by the ASP protein.

Maîtriser l'impact des modifications liées à l'activité humaine sur les populations de pathogènes des cultures est un des grands enjeux actuels pour la mise en place d'une agriculture durable. L'objectif de cette thèse était d'évaluer l'impact de la domestication du pommier et de l'utilisation de résistances quantitatives dans les variétés en cours de sélection, sur le pouvoir pathogène du champignon Venturia inaequalis, responsable de la tavelure. Par des inoculations croisées sur pommiers sauvages et domestiques, nous avons comparé le pouvoir pathogène de souches isolées de milieux naturels et cultivés. Puis nous avons comparé le pouvoir pathogène de ces souches sur des génotypes de pommier domestique cumulant plusieurs facteurs de résistances quantitatives (QTL) afin d'évaluer si les pommiers sauvages pouvaient héberger des souches plus agressives que les pommiers domestiques. Enfin, nous avons évalué les pressions de sélection exercées par ces QTL de résistance sur un mélange de souches par pyroséquençage quantitatif. Nos résultats montrent que la domestication du pommier se serait accompagnée d'une modification importante du pouvoir pathogène de V. inaequalis. Les souches issues de pommiers sauvages sont capables d'infecter des génotypes cumulant un grand nombre de facteurs de résistance mais elles ne sont pas plus agressives que les souches issues de pommiers domestiques ; elles ne représenteraient donc pas une menace supplémentaire pour les vergers. Enfin nous différencions nettement l'impact de QTL à spectre d'action étroit et large ; ces derniers, n'exerçant pas de pression de sélection différentielle entre souches co-inoculées, seraient plus durables.

Les éléments transposables sont des séquences génomiques capables de se répliquer et de se déplacer dans les génomes. Leur capacité à s'insérer près des gènes et à produire des réarrangements chromosomiques par recombinaison entre copies, font des éléments transposables des agents mutagènes. Les éléments transposables sont de plus capables de modifier l'expression des gènes voisins grâce aux régions promotrices qu'ils possèdent. Les éléments transposables ont été trouvés dans la plupart des génomes dans lesquels ils ont été recherchés. Ils forment ainsi 45 % du génome de l'homme et peuvent représenter jusqu'à 90 % du génome de certaines plantes. Dans la première partie de ma thèse, je me suis penché sur les facteurs qui déterminent la distribution de ces éléments. Je me suis intéressé à un facteur particulier, qui est la fonction des gènes dans le voisinage des insertions d'éléments transposables. Dans la deuxième partie, j'ai essayé de déterminer l'impact de l'altération des modifications épigénétiques (modifications d'histones plus précisément) associées aux différents composants géniques, dont les éléments transposables, sur la variation de l'expression des gènes en condition tumorale.

L’environnement dans lequel les espèces animales vivent joue un rôle important dans leur évolution. Les contraintes physiques sont particulièrement intéressantes car elles induisent souvent une pression évolutive qui pousse les espèces, même éloignées, à développer des réponses adaptatives similaires. Les contraintes physiques liées à la vie en milieu aquatique ont un impact important sur les trajectoires évolutives des espèces et notamment sur leur comportement et leur morphologie. De nombreux cas de convergences ont été démontrés, comme l’évolution d’une forme profilée chez les poissons, les mammifères marins et certains oiseaux aquatiques. Ces contraintes, appelées contraintes hydrodynamiques, sont particulièrement présentes lors de la réalisation d’un mouvement. On peut caractériser deux contraintes principales : la trainée et la masse ajoutée. La trainée est la résistance que le fluide oppose au mouvement de l’animal. La masse ajoutée elle, est la masse d’eau déplacée lorsque le corps se met en mouvement donc lors d’une accélération. Ces contraintes sont particulièrement présentes lors de la capture d’une proie dans l’eau. Ainsi, beaucoup d’animaux aquatiques ont développé un système de succion qui leur permet d’aspirer leur proie afin de limiter ces contraintes. Cependant, certains animaux, comme les serpents, ne peuvent pas développer ce type d’adaptation. Pourtant, plus de 200 espèces de serpents attrapent des proies dans l’eau. A travers ce travail, nous nous intéressons aux stratégies adaptatives développées par les serpents aquatiques afin de devenir de performants prédateurs. Deux hypothèses sont explorées : l’adaptation morphologique de la tête des serpents ainsi qu’une adaptation comportementale qui permettraient de réduire les contraintes hydrodynamiques. Des analyses morphologique et comportementale sont réalisées sur plusieurs espèces de serpents aquatiques afin de tester ces hypothèses. Les contraintes associées aux différentes formes de tête et comportements mis en évidence sont caractérisées à l’aide d’expériences d’hydrodynamique. L’interdisciplinarité qui est le cœur de ce manuscrit permet d’apporter un regard nouveau sur ces questions qui intriguent tant les biologistes que les physiciens. / Animal-environment interactions are determinant in driving the evolution of phenotypic variation. Most aquatic animals have developed adaptations to overcome the physical constraints inherent to an aquatic lifestyle and particularly to motion in water. These constraints are the drag and the added mass if an acceleration is involved in the motion, such as during prey capture. The aim of this project is to evaluate the role of water as a potential driver of evolution of aquatic snakes by focusing on morphological and behavioral convergences during underwater prey capture. Snakes are a good model as an aquatic life-style has originated independently in different genera. However, aquatic snakes did not develop a suction feeding system in contrast to most aquatic vertebrates. Prey-capture under water is constrained by the physical properties of the fluid and thus morphological and/or behavioral convergence is expected. By comparing the head shapes and the behavior of different species, we evaluated the impact of water on the evolution of head shape and strike behavior. By using experimental fluid mechanics approaches, we quantified the physical constraints involved in prey capture and evaluated the nature of the evolutionary response in response to these hydrodynamic constraints. This interdisciplinary approach allowed us to bring novel data to our understanding of functional constraints as drivers of phenotypic evolution.

Pas de résumé en français / Pas de résumé en anglais

Les éléments transposables sont des séquences génomiques capables de se répliquer et de se déplacer dans les génomes. Leur capacité à s’insérer près des gènes et à produire des réarrangements chromosomiques par recombinaison entre copies, font des éléments transposables des agents mutagènes. Les éléments transposables sont de plus capables de modifier l’expression des gènes voisins grâce aux régions promotrices qu’ils possèdent. Les éléments transposables ont été trouvés dans la plupart des génomes dans lesquels ils ont été recherchés. Ils forment ainsi 45 % du génome de l’homme et peuvent représenter jusqu’à 90 % du génome de certaines plantes. Dans la première partie de ma thèse, je me suis penché sur les facteurs qui déterminent la distribution de ces éléments. Je me suis intéressé à un facteur particulier, qui est la fonction des gènes dans le voisinage des insertions d’éléments transposables. Dans la deuxième partie, j’ai essayé de déterminer l’impact de l’altération des modifications épigénétiques (modifications d’histones plus précisément) associées aux différents composants géniques, dont les éléments transposables, sur la variation de l’expression des gènes en condition tumorale. / Transposable elements are genomic sequences able to replicate themselves and to move within genomes. Their ability to integrate near genes and to produce chromosomal rearrangements by recombination between copies, make transposable elements mutagens. Moreover, transposable elements are able to alter the expression of neighboring genes through their promoter regions. Transposable elements form 45% of the human genome and may represent up to 90% of certain plant genomes. In the first part of my thesis, I examined the factors that determine the distribution of these elements. I have been interested in a particular factor, which is the function of the genes in the vicinity of transposable element insertions. In the second part, I determined the impact of epigenetic modifications alterations (histone modifications) in different gene components, including transposable elements, on the variation of gene expression in tumoral conditions.

Cette thèse a pour l’objet l’étude des pressions de sélection qui s’appliquent sur les îlots CpG, courtes séquences génomiques qui échappent à la méthylation chez les mammifères. Nous avons tout d’abord étudié les caractéristiques génomiques des îlots CpG, notamment leurs liens avec l’initiation de transcription des gènes et les origines de réplication de l’ADN, en utilisant des jeux de données récemment publiés. Nous avons ensuite déterminé si les caractéristiques de séquence des îlots CpG (richesse en dinucléotides CpG et richesse en GC) étaient sous pression de sélection et pouvaient jouer un rôle dans les fonctions des îlots CpG. Nous avons montré que la richesse relative en dinucléotides CpG des îlots CpG résulte uniquement de la faible méthylation de ces séquences. De plus, la richesse en bases GC des îlots CpG n’est pas soumise à pression de sélection mais semble résulter d’un mécanisme neutre, la conversion génique biaisée vers GC. Nous discutons également du devenir des îlots CpG chez les primates, qui et avons montré que si le taux de GC de ces séquences est en train de diminuer, la richesse relative en CpG quant à elle reste stable / This thesis analyses selective pressures applying on CpG islands, short sequences which escape methylation in mammalian genomes. We first studied genomic characteristics of CpG islands. We namely studied their relationships with gene transcription start, and with DNA replication origins, using recently published data. We then determined wether base peculiar composition of CpG islands (high number of CpG dinucleotides, high GC content) may be under (negative or positive) selective pressures, and thus play a role in their function, or not. We showed that the relative CpG-richness of CpG islands is the mere consequence of the low methylation of these genomic regions. Moreover, we showed that the high GC content of CpG islands is not under selective pressures, and seem to result from a neutral mechanism, biased gene conversion toward GC. We also discussed the future of CpG islands and primates. We showed that the GC content of CpG islands is decreasing, while the relative CpG content remains constant

No description available.