Chez le riz, la céréale modèle, le système racinaire est principalement constitué de racines issues de la tige, nommées racines coronaires (RC). Peu de gènes contrôlant le développement des RC sont connus, parmi eux CROWN ROOTLESS1 (CRL1) code une protéine à domaine AS2/LOB (ASL/LBD), qui est probablement un facteur de transcription. Le gène CRL1 est nécessaire à l'initiation des primordia de RC, il est directement activé par l'auxine et est situé en amont du réseau de gènes contrôlant le programme de différentiation des RC. Afin de mieux connaître les processus génétiques impliqués dans l'initiation des RC, l!objectif principal de cette thèse est de comprendre la fonction moléculaire de la protéine CRL1 en validant sa fonction de facteur de transcription et en identifiant ses gènes cibles. L'interaction de la protéine CRL1 avec l!ADN a été montrée in vitro et une expérience de SELEX a permis d'identifier sa séquence de fixation à l!ADN : CACA(A/C)C (CRL1-box). Des expériences en levure ont permis de montrer que CRL1 est un activateur de la transcription. Une comparaison entre le sauvage et le mutant crl1, ainsi que l'élaboration d!un système inductible à la dexaméthasone permettant d'activer l'expression de CRL1 dans le fond génétique mutant crl1, ont été utilisés pour identifier des gènes cibles précoces de CRL1 grâce à des analyse de transcriptome. 277 gènes sont activés dès quatre heures après induction de CRL1, les deux tiers contiennent au moins une CRL1-box dans leur promoteur et peuvent donc être des cibles directes de CRL1. CRL1 induit l'expression d!un ensemble de gènes permettant la mise en place des processus de régulation de l'information génétique, de division, de croissance et de différenciation cellulaires nécessaires à la création d'un méristème de racine coronaire organisé et fonctionnel. Parmi eux, QHB code un facteur de transcription clé nécessaire au maintien des cellules souches des méristèmes racinaires. Ce résultat établit pour la première fois un lien moléculaire entre la signalisation de l!auxine et des gènes impliqués dans la mise en place ou le maintien des cellules souches lors de la formation d!un nouveau méristème racinaire au cours du développement post-embryonnaire. Par ailleurs, une étude histologique a permis de révéler que les RC sont issues d!une couche de péricycle dans la tige, un tissu équivalent en termes de localisation et de potentiel rhizogène au péricycle de la racine à partir duquel sont initiées les racines latérales. Les données acquises suggèrent de fortes similarités dans les processus cellulaires et génétiques de la différentiation des méristèmes racinaires au cours du développement post-embryonnaire chez les monocotylédones et les dicotylédones. La découverte de gènes spécifiques au développement de racines issues de la tige ouvre une voie importante vers la compréhension du déterminisme génétique de l!architecture du système racinaire chez les céréales et offre un nouveau potentiel de ressources génétiques pour l!amélioration variétale. / In rice, the model cereal, the root system is mainly composed of stem-derived roots, named crown roots (CR). Very few genes that control the root system development are known, among them CROWN ROOTLESS1 (CRL1) encodes an AS2/LOB-domain protein that is a putative transcription factor (TF). CRL1 is necessary for CR primordium initiation, it is directly activated by auxin and is situated upstream of the gene regulatory network that control the CR differentiation programme. To better known the genetic processes involved in CR initiation, the main objective of this thesis is to understand the molecular function of the CRL1 protein by validating its function of TF and by identifying its target genes. The interaction of CRL1 with DNA was shown in vitro and a consensus CRL1 DNA-binding motif was identified with a SELEX method : CACA(A/C)C named CRL1-box. A yeast assay showed that CRL1 is a transcriptional activator. A comparison between wild type and c rl1 mutant, and the development of a dexamethasone inducible system to ectopically express CRL1 in the crl1 background, were used to identify CRL1 early target genes by transcript profiling. 277 genes were induced from four hours following CRL1 activation, the two-thirds possess at least one CRL1-box and may be CRL1 direct target genes. CRL1 activates the expression of a broad range of genes that allow to orientate genome expression and to initiate cell division, growth and differentiation mechanisms required for the building of an organized and functional CR meristem. Among these genes, QHB encodes a key TF required for the maintenance of root meristem stem cells. This result evidences for the first time a molecular link between auxin signalling and major genes involved in stem cell patterning and maintenance in the formation of a new root meristem during post-embryonic development. Otherwise, an histological study showed that CR are derived from a shoot pericycle, a tissue equivalent to the root pericycle, from which lateral roots develop, in terms of location and rhizogenic potential. All these data suggest strong similarities between monocots and dicots in cellular and genetic mechanisms that control root meristem differentiation during post-embryonic development. The identification of genes specifically involved in stem-derived root development pave the way towards the understanding of the genetic control of root system architecture in cereals and offer a new potential of genetic resources for plant breeding.

Chez tout organisme, l’évolution et l’acclimatation aux changements du milieu de vie sont orchestrés par de nombreux acteurs moléculaires. Parmi eux, les facteurs de transcription (FTs) jouent un rôle clé en régulant l’expression des gènes. Identifier les FTs impliqués dans la production de composés d’intérêt est donc une étape importante dans un contexte biotechnologique. Le laboratoire dispose d’une souche mutante de la microalgue haptophyte Tisochrysis lutea produisant deux fois plus de lipides de réserve que la souche sauvage en condition de privation azotée. Compte tenu du rôle clé des FTs dans l’établissement du phénotype, cette thèse vise à identifier les FTs impliqués dans la mise en place de ce phénotype mutant.Un pipeline bio-informatique d’identification et classification des FTs présents dans le génome de T. lutea a été élaboré. Le manque de donnée chez les haptophytes constituant un vide dans l’étude de l’histoire évolutive des microalgues, une étude comparative des FTs présents dans le génome d’algues de différentes lignées a été réalisée. Celle-ci révèle que l’étude des FTs aide à comprendre et illustrer l’histoire évolutive des microalgues par la mise en évidence de présences/absences de familles de FTs spécifiques de lignée.Afin de comprendre l’établissement du phénotype de la souche mutante de T. lutea, des données transcriptomiques ont permis la construction de réseaux de co-expression et de régulation des gènes chez les deux souches. Leur analyse croisée a identifié sept FTs candidats potentiellement liés au phénotype mutant. Une approche de p-RT-PCR a confirmé l’implication de deux FTs dans la remobilisation de l’'azote en condition de stress azoté. / In every organism, evolution and acclimation to environmental changes are orchestrated by numerous molecular players. Among them, transcription factors (TFs) play a crucial role by regulating gene expression. Therefore, identify TFs involved in the production of high value products is a significant step in a biotechnological context. The laboratory has at its disposal a mutant strain of the haptophyte microalga Tisochrysis lutea producing twice more storage lipids than the wild type strain when exposed to nitrogen deprivation. Given the key role of TFs in phenotype establishment, this PhD aim at identify the TFs involved in that of the mutant phenotype of T. lutea.A TFs identification and classification pipeline was elaborated and applied to T. lutea’s genome. Since the lack of data in haptophytes constitutes a limit in studies on microalgae evolutionary history, a comparative study of TFs identified in the genome of microalgae belonging to different lineages was carried out. This study reveals that TFs could be used to understand and illustrate microalgae evolutionary history through the highlight of lineage specific presence/absence of TF families.Aiming at understanding T. lutea’s mutant strain phenotype establishment, transcriptomic data were used to build gene co-expression networks and gene regulatory networks for both strains. Their comparative analysis identified seven TFs potentially liked to the mutant phenotype. A q-RT-PCR approach confirmed the involvement of two TFs in nitrogen recycling under nitrogen deprivation.

Nous montrons l’utilisation de la puce exon d’Affymetrix pour l’analyse simultanée de l’expression des gènes et de la variation d’isoformes. Nous avons utilisé les échantillons d’ARN du cerveau et des tissus de référence qui ont été antérieurement utilisés dans l’étude du consortium MicroArray Quality Control (MAQC). Nous démontrons une forte concordance de la quantification de l’expression des gènes entre trois plateformes d’expression populaires à savoir la puce exon d’Affymetrix, la puce Illumina et la puce U133A d’Affymetrix. Plus intéressant nous montrons que la majorité des discordances entre les trois plateformes résulterait des positions différentes des sondes à travers les plateformes et que les variations d’isoforme exactes ne peuvent être identifiées que par la puce exon. Nous avons détecté avec succès, entre les tissus de référence et ceux du cerveau, une centaine de cas d’évènements d’épissage alternatif. La puce exon est requise dans l’analyse de l’épissage alternatif associé aux pathologies telles que les cancers et les troubles neurologiques. Comme application de cette technologie, nous avons analysé les variations d’épissage dans la métastase du cancer de sein développé dans le model de la souris. Nous avons utilisé une gamme bien définie de trois lignées de tumeur mammaire ayant différents potentiels métastatiques. Par des analyses statistiques, nous avons répertorié 2623 transcripts présentant des variations d’expression et d’isoformes entre les types de tumeur. Une analyse du réseau de gènes montre qu’environ la moitié d’entre eux est impliquée dans plusieurs activités cellulaires, ainsi que dans nombreux cancers et désordres génétiques. / We demonstrate how the Affymetrix Exon Array, can be used to simultaneously profile gene expression level, and detect variations at the isoform level. We use a well studied set of brain and reference RNA samples previously used by the MicroArray Quality Control (MAQC) consortium study. We demonstrate a high concordance of gene expression measurements among three popular expression platforms – Affymetrix Exon Array, Illumina, and Affymetrix 3’ targeted array (U133A). More interestingly, we show that in many cases of discordant results, the effect can be explained by differential probe placements across platforms, and that the exact isoform change can only be captured by the Exon Array. Finally, we are able to detect hundreds of cases of splicing, transcript initiation, and termination differences between the brain and reference tissue samples. We propose that the Exon Array is a highly effective tool for transcript isoform profiling, and that it should be used in a variety of systems where such changes are known to be associated with diseases, such as neurological disorders and cancer. As application, we used the Affymetrix Exon Array to identify metastatis-specific alternative splicing in mouse model of breast cancer at the whole genome level. We utilize a well characterized series of three mouse mammary tumor lines exhibiting varying levels of metastatic potential. We catalogued 2623 transcripts which exhibit splicing aberrations during the progression of cancer. A genetic pathway analysis shows the half of them implicated in several cell activities, cancers and genetic disorders.

Nous montrons l’utilisation de la puce exon d’Affymetrix pour l’analyse simultanée de l’expression des gènes et de la variation d’isoformes. Nous avons utilisé les échantillons d’ARN du cerveau et des tissus de référence qui ont été antérieurement utilisés dans l’étude du consortium MicroArray Quality Control (MAQC). Nous démontrons une forte concordance de la quantification de l’expression des gènes entre trois plateformes d’expression populaires à savoir la puce exon d’Affymetrix, la puce Illumina et la puce U133A d’Affymetrix. Plus intéressant nous montrons que la majorité des discordances entre les trois plateformes résulterait des positions différentes des sondes à travers les plateformes et que les variations d’isoforme exactes ne peuvent être identifiées que par la puce exon. Nous avons détecté avec succès, entre les tissus de référence et ceux du cerveau, une centaine de cas d’évènements d’épissage alternatif. La puce exon est requise dans l’analyse de l’épissage alternatif associé aux pathologies telles que les cancers et les troubles neurologiques. Comme application de cette technologie, nous avons analysé les variations d’épissage dans la métastase du cancer de sein développé dans le model de la souris. Nous avons utilisé une gamme bien définie de trois lignées de tumeur mammaire ayant différents potentiels métastatiques. Par des analyses statistiques, nous avons répertorié 2623 transcripts présentant des variations d’expression et d’isoformes entre les types de tumeur. Une analyse du réseau de gènes montre qu’environ la moitié d’entre eux est impliquée dans plusieurs activités cellulaires, ainsi que dans nombreux cancers et désordres génétiques. / We demonstrate how the Affymetrix Exon Array, can be used to simultaneously profile gene expression level, and detect variations at the isoform level. We use a well studied set of brain and reference RNA samples previously used by the MicroArray Quality Control (MAQC) consortium study. We demonstrate a high concordance of gene expression measurements among three popular expression platforms – Affymetrix Exon Array, Illumina, and Affymetrix 3’ targeted array (U133A). More interestingly, we show that in many cases of discordant results, the effect can be explained by differential probe placements across platforms, and that the exact isoform change can only be captured by the Exon Array. Finally, we are able to detect hundreds of cases of splicing, transcript initiation, and termination differences between the brain and reference tissue samples. We propose that the Exon Array is a highly effective tool for transcript isoform profiling, and that it should be used in a variety of systems where such changes are known to be associated with diseases, such as neurological disorders and cancer. As application, we used the Affymetrix Exon Array to identify metastatis-specific alternative splicing in mouse model of breast cancer at the whole genome level. We utilize a well characterized series of three mouse mammary tumor lines exhibiting varying levels of metastatic potential. We catalogued 2623 transcripts which exhibit splicing aberrations during the progression of cancer. A genetic pathway analysis shows the half of them implicated in several cell activities, cancers and genetic disorders.

Comprendre comment l’expression des gènes est régulée spécifiquement dans chaque tissu et de manière dynamique au cours du temps demeure une étape centrale de notre compréhension de l’organogénèse. L’identification des éléments cis-régulateurs de la transcription de manière tissu-spécifique peut permettre de comprendre les règles logiques d’organisation du réseau de gènes régulateur et aussi d’identifier de nouveaux acteurs (facteurs de transcription notamment). L’analyse de marques de chromatine (H3K27ac et H3K4me3) spécifiquement dans les cardioblastes (104 cellules) au cours de la différentiation a permis l’identification en masse de régions cis-régulatrices de la transcription. Via une approche d’apprentissage, de nouvelles régions régulatrices spécifiques des cardiomyocytes ainsi que 2 nouveaux facteurs de transcription (bagpipe, hamlet) ont été identifiées. L’alignement multiple des régions régulatrices suggère que les régions associées à H3K27ac dans les cellules cardiaques durant ces étapes de l’organogénèse partagent une séquence consensus. Ces nouveaux éléments régulateurs viennent compléter le réseau de gène régulateur au cours des étapes tardives de la cardiogénèse. / Understanding how gene expression is spatio-temporally regulated remains a crucial step in our understanding of organogenesis. Identification of transciptional cis-regulatory elements in a tissu-specific manner could allow to understand logical rules leading regulatory network organisation and to identify new actors (in particular transcription factors). Analysis of chromatin marks (H3K27ac and H3K4me3) specifically in cardiac cells (104 cells) during differentiation allowed the identification of transcriptional cis-regulatory regions. Via a machine learning approach, new cardiac specific regulatory regions and two transcription factors (bagpipe and hamlet) have been identified. Multiple sequence alignment of regulatory regions suggests that regions associated to H3K27ac in cardiac cells during these steps of organogenesis share a consensus sequence. These new regulatory elements integrate and complete the gene regulatory network underlying late steps of cardiogenesis.

La verticilliose de la luzerne cultivée (Medicago sativa L.) est une maladie de flétrissement vasculaire causée par le champignon du sol Verticillium alfalfae. C’est une des maladies les plus dévastatrices et les plus difficiles à contrôler. Les symptômes sont un jaunissement des feuilles suivi de flétrissement et défoliation. Les structures de dormance produites en fin de cycle de maladie constituent une source de contamination pour plusieurs années. Aucun traitement fongicide n’est efficace, la seule méthode de contrôle reste la production de variétés résistantes. En raison de sa nature tétraploïde et de son allogamie, il est difficile de réaliser des études génétiques sur M. sativa. Un pathosystème entre la légumineuse modèle Medicago truncatula et V. alfalfae a été mis au point pour étudier les mécanismes mis en place au cours de l’interaction entre V. alfalfae et son hôte. Les lignées A17 et F83005.5 ont été identifiées comme étant respectivement résistante et sensible à la souche V31-2 de V. alfalfae. La première partie de ce travail de thèse est une étude comparative du processus d’infection de V. alfalfae V31-2 au cours d’une interaction compatible et incompatible. Nous avons étudié la cinétique de colonisation des racines d’A17 et F83005.5 avec la souche V31-2 exprimant le gène marqueur GFP ce qui confère une fluorescence verte au champignon. Les observations en microscopie confocale ont montré que le champignon se développait dans les racines des deux lignées contrastées de façon similaire pendant les premières étapes d’infection. Quelques jours plus tard, il n’était plus détectable dans la lignée résistante, tandis qu’il colonisait les vaisseaux du xylème dans la lignée sensible et avançait vers les parties aériennes. La lignée résistante A17 était donc capable d’inhiber totalement le développement du pathogène dans la partie racinaire. Ce résultat a été confirmé par la quantification de l’ADN du pathogène dans la racine et dans les parties aériennes. Nous avons conclu que la lignée A17 exprime une résistance totale à V. alfalfae. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons cherché à identifier le rôle des hormones dans les mécanismes de défense de M. truncatula en réalisant des traitements exogènes avec l’acide salicylique (SA), le méthyl jasmonate (MeJA), l’éthylène (ET), l’auxine et l’acide abscissique (ABA). Ces traitements n’avaient aucun effet sur la résistance d’A17, mais toutes les hormones, à l’exception du MeJA, protégeaient la lignée sensible contre les symptômes de la maladie. La quantification de l’ADN du champignon in planta a montré que seule l’ABA inhibait significativement le développement du pathogène. Dans la troisième partie, nous avons cherché à identifier des acteurs moléculaires impliqués dans la résistance et la sensibilité en comparant le transcriptome de la lignée F83005.5 et A17 dans la phase précoce de l’infection. L’analyse des gènes différentiellement exprimés en réponse à l’inoculation montre que les deux lignées induisent des gènes impliqués dans la production de métabolites secondaires, et des gènes des voies de signalisation hormonale. Mais seule la lignée résistante montre une induction de l’expression de gènes de résistance et de gènes impliqués dans les voies de signalisation tels que des gènes de la synthèse de l’ABA et des facteurs de transcription. Ces résultats renforcent l’hypothèse que l’ABA serait un facteur important dans la résistance à V. alfalfae chez M. truncatula. L’analyse des réseaux de gènes coexprimés a montré une désorganisation de la réponse de la lignée F83005.5. En revanche, dans la lignée A17, on observe une réponse organisée et orientée vers la défense. Ce travail décrit pour la première fois les mécanismes de défense de M. truncatula contre V. alfalfae. L’ensemble des résultats montre que la résistance exprimée chez la lignée A17 est différente des mécanismes de résistance contre la verticilliose décrits chez la tomate et le coton. / Verticllium wilt of alfalfa (Medicago sativa L.) is a vascular disease caused by the soil fungus Verticillium alfalfae. It is one of the most devastating diseases and most difficult to control. Symptoms are leaf yellowing followed by wilting and defoliation. Survival structures which are produced at the end of the disease cycle are a source of inoculum for many years. Fungicide treatment is not efficient, and the only way to control this disease is to breed resistant cultivars. Genetic studies are difficult in M. sativa because it is tetraploid and outcrossing. A pathosystem has been set up in our laboratory in order to study the mechanisms involved in the interaction between V. alfalfae and its host. It involves the model legume plant M. truncatula and strain V31-2 of V. alfalfae. The lines A17 and F83005.5 were identified as respectively resistant and susceptible to V31-2. The first part of this thesis is a comparative study of the infection process of V. alfalfae V31-2 in a compatible and incompatible interaction. The time course of root colonization in lines A17 and F83005.5 was studied with a GFP-expressing strain which confers green fluorescence to the fungus. Observations by confocal microscopy showed that the fungus developed in a similar way in roots of both lines during the first stage of the interaction. Some days later the fungus was not detectable anymore in roots of the resistant line, but has colonized the xylem vessels and grew towards the aerial part of the plant in the susceptible line. Quantification of fungal DNA in roots and aerial parts confirmed these results. This showed that the resistant line A17 was able to suppress the pathogen’s development in the root. It can be concluded that line A17 presents total resistance towards V. alfalfae. The second part of the thesis concerns the role of phytohormones for defence mechanisms against V. alfalfae in M. truncatula. Susceptible and resistant plants were treated with salicylic acid (SA), methyl jasmonate (MeJA), ethylene (ET), auxine and abscissic acid (ABA). Resistance of line A17 was not affected by these treatments, but all hormones except MeJA protected the susceptible line against disease symptoms. However, when fungal DNA was quantified in planta in these assays, only ABA inhibited the pathogen’s development significantly. The third part of this thesis aims at identifying molecular factors involved in resistance and susceptibility. To address this topic, the transcriptome of lines A17 and F83005.5 was compared during the early stages of infection, in inoculated or mock-inoculated plants. A bioinformatics analysis of differentially expressed genes showed that both lines responded to inoculation by inducing genes involved in secondary metabolism and hormone signaling pathways. However, only resistant line A17 showed induction of the expression of putative resistance and signaling genes, genes involved in ABA synthesis and transcription factors. This result confirms our hypothesis that ABA might be an important factor in M. truncatula resistance against V. alfalfae. Gene network analysis of co-expressed genes showed a disorganised response in the susceptible line, whereas in the resistant line the response was highly organised and turned to defence. Taken together, this work describes for the first time defence mechanisms against V. alfalfae in M. truncatula. The results show that resistance of line A17 is different from resistance mechanisms Verticillium resistance described in tomato and cotton. Several approaches for future research are presented in order to test our hypotheses concerning genes and molecules putatively involved in this interaction. With regard to applied research, defence and signaling genes identified in this work may be useful for the improvement of alfalfa, after functional validation.

Les habitudes de consommation de substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits cardiovasculaires associés seraient en partie reliés aux mêmes facteurs génétiques. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons effectué, chez 119 familles multi-générationnelles québécoises de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, des études d’association et de liaison pangénomiques pour les composantes génétiques : de la consommation usuelle d’alcool, de tabac et de café, de la réponse au stress physique et psychologique, des traits anthropométriques reliés à l’obésité, ainsi que des mesures du rythme cardiaque (RC) et de la pression artérielle (PA). 58000 SNPs et 437 marqueurs microsatellites ont été utilisés et l’annotation fonctionnelle des gènes candidats identifiés a ensuite été réalisée. Nous avons détecté des corrélations phénotypiques significatives entre les substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits hémodynamiques. Par exemple, les consommateurs d’alcool et de tabac ont montré un RC significativement diminué en réponse au stress psychologique. De plus, les consommateurs de tabac avaient des PA plus basses que les non-consommateurs. Aussi, les hypertendus présentaient des RC et PA systoliques accrus en réponse au stress psychologique et un indice de masse corporelle (IMC) élevé, comparativement aux normotendus. D’autre part, l’utilisation de tabac augmenterait les taux corporels d’épinéphrine, et des niveaux élevés d’épinéphrine ont été associés à des IMC diminués. Ainsi, en accord avec les corrélations inter-phénotypiques, nous avons identifié plusieurs gènes associés/liés à la consommation de substances psychoactives, à la réponse au stress physique et psychologique, aux traits reliés à l’obésité et aux traits hémodynamiques incluant CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 et PRKCE. Ces gènes codent pour des protéines constituant un réseau d’interactions, impliquées dans la plasticité synaptique, et hautement exprimées dans le cerveau et ses tissus associés. De plus, l’analyse des sentiers de signalisation pour les gènes identifiés (P = 0,03) a révélé une induction de mécanismes de Potentialisation à Long Terme. Les variations des traits étudiés seraient en grande partie liées au sexe et au statut d’hypertension. Pour la consommation de tabac, nous avons noté que le degré et le sens des corrélations avec l’obésité, les traits hémodynamiques et le stress sont spécifiques au sexe et à la pression artérielle. Par exemple, si des variations ont été détectées entre les hommes fumeurs et non-fumeurs (anciens et jamais), aucune différence n’a été observée chez les femmes. Nous avons aussi identifié de nombreux traits reliés à l’obésité dont la corrélation avec la consommation de tabac apparaît essentiellement plus liée à des facteurs génétiques qu’au fait de fumer en lui-même. Pour le sexe et l’hypertension, des différences dans l’héritabilité de nombreux traits ont également été observées. En effet, des analyses génétiques sur des sous-groupes spécifiques ont révélé des gènes additionnels partageant des fonctions synaptiques : CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (spécifique à l’hypertension), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (spécifique au sexe). Ces gènes codent pour des protéines interagissant avec les protéines de gènes détectés dans l’analyse générale. De plus, pour les gènes des sous-groupes, les résultats des analyses des sentiers de signalisation et des profils d’expression des gènes ont montré des caractéristiques similaires à celles de l’analyse générale. La convergence substantielle entre les déterminants génétiques des substances psychoactives, du stress, de l’obésité et des traits hémodynamiques soutiennent la notion selon laquelle les variations génétiques des voies de plasticité synaptique constitueraient une interface commune avec les différences génétiques liées au sexe et à l’hypertension. Nous pensons, également, que la plasticité synaptique interviendrait dans de nombreux phénotypes complexes influencés par le mode de vie. En définitive, ces résultats indiquent que des approches basées sur des sous-groupes et des réseaux amélioreraient la compréhension de la nature polygénique des phénotypes complexes, et des processus moléculaires communs qui les définissent. / Links among substance use, obesity, stress and related cardiovascular outcomes may be in part due to shared genetic factors. To investigate this hypothesis, we performed genome-wide linkage and association scans for genetic components of habitual alcohol, tobacco and coffee use, response to mental and physical stress, obesity related anthropometric traits and heart rate (HR) and blood pressure (BP) measurements in 119 multigenerational French Canadian families from founder population of Saguenay-Lac-St-Jean region using 58000 SNPs and 437 microsatellite markers and followed with functional annotation on resulted genes. We found significant phenotypic correlations among substance use, obesity, stress and hemodynamic traits. For instance, alcohol and tobacco users had attenuated HR response to mental stress; moreover, tobacco users had lower BP compared to non users; Hypertensives had stronger HR and systolic blood pressure (SBP) response to mental stress and higher body mass index (BMI), compared to normotensives; Use of tobacco seemed to increase the epinephrine level in body and higher epinephrine level was correlated with lower BMI. Consistent with phenotypic relatedness, we found numerous shared genes associated / linked to substance use, obesity-related traits, response to mental and physical stress and hemodynamic traits including CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 and PRKCE forming protein interaction network, involved in synaptic plasticity and highly expressed in brain related tissues; moreover, pathway analysis on identified genes pointed (P = 0.03) to Long-Term Potentiation pathway. Large portions of variation of studied traits were explained by sex and hypertension status, focusing on tobacco use we noted that degree and the direction of correlations of obesity, hemodynamic and stress related traits with tobacco use vary according to sex and hypertension status; for instance, while in males, current tobacco users were slender compared to never or former tobacco users, there were no such differences in females; moreover, we found several obesity related traits that their correlations with smoking behavior seemingly root in genetic factors rather than smoking effect itself. Sex- and hypertension differences in heritabilities of many of these traits were also observed; meanwhile, specific subgroup genetic analyses uncovered additional shared synaptic genes among these traits including CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (Hypertension-specific), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (Sex-specific) having protein interactions with genes driven from general analysis; moreover, the results of pathway analysis and reported gene expression profiles of resulted genes from subgroup analyses revealed similar characteristics to those from general analysis. The substantial overlap among genomic determinants of substance use, stress, obesity and hemodynamic traits supports the notion that the genetic variations in pathways of synaptic plasticity may be a common interface behind them as well as observed sex and hypertension genetic differences, we also think synaptic plasticity may underlie many complex phenotypes in which life style is a contributing factor; moreover, our findings indicate considering subgroup and network-based approaches enhance understanding of polygenic nature of complex phenotypes as well as shared molecular underpinnings among them.

Les habitudes de consommation de substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits cardiovasculaires associés seraient en partie reliés aux mêmes facteurs génétiques. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons effectué, chez 119 familles multi-générationnelles québécoises de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, des études d’association et de liaison pangénomiques pour les composantes génétiques : de la consommation usuelle d’alcool, de tabac et de café, de la réponse au stress physique et psychologique, des traits anthropométriques reliés à l’obésité, ainsi que des mesures du rythme cardiaque (RC) et de la pression artérielle (PA). 58000 SNPs et 437 marqueurs microsatellites ont été utilisés et l’annotation fonctionnelle des gènes candidats identifiés a ensuite été réalisée. Nous avons détecté des corrélations phénotypiques significatives entre les substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits hémodynamiques. Par exemple, les consommateurs d’alcool et de tabac ont montré un RC significativement diminué en réponse au stress psychologique. De plus, les consommateurs de tabac avaient des PA plus basses que les non-consommateurs. Aussi, les hypertendus présentaient des RC et PA systoliques accrus en réponse au stress psychologique et un indice de masse corporelle (IMC) élevé, comparativement aux normotendus. D’autre part, l’utilisation de tabac augmenterait les taux corporels d’épinéphrine, et des niveaux élevés d’épinéphrine ont été associés à des IMC diminués. Ainsi, en accord avec les corrélations inter-phénotypiques, nous avons identifié plusieurs gènes associés/liés à la consommation de substances psychoactives, à la réponse au stress physique et psychologique, aux traits reliés à l’obésité et aux traits hémodynamiques incluant CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 et PRKCE. Ces gènes codent pour des protéines constituant un réseau d’interactions, impliquées dans la plasticité synaptique, et hautement exprimées dans le cerveau et ses tissus associés. De plus, l’analyse des sentiers de signalisation pour les gènes identifiés (P = 0,03) a révélé une induction de mécanismes de Potentialisation à Long Terme. Les variations des traits étudiés seraient en grande partie liées au sexe et au statut d’hypertension. Pour la consommation de tabac, nous avons noté que le degré et le sens des corrélations avec l’obésité, les traits hémodynamiques et le stress sont spécifiques au sexe et à la pression artérielle. Par exemple, si des variations ont été détectées entre les hommes fumeurs et non-fumeurs (anciens et jamais), aucune différence n’a été observée chez les femmes. Nous avons aussi identifié de nombreux traits reliés à l’obésité dont la corrélation avec la consommation de tabac apparaît essentiellement plus liée à des facteurs génétiques qu’au fait de fumer en lui-même. Pour le sexe et l’hypertension, des différences dans l’héritabilité de nombreux traits ont également été observées. En effet, des analyses génétiques sur des sous-groupes spécifiques ont révélé des gènes additionnels partageant des fonctions synaptiques : CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (spécifique à l’hypertension), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (spécifique au sexe). Ces gènes codent pour des protéines interagissant avec les protéines de gènes détectés dans l’analyse générale. De plus, pour les gènes des sous-groupes, les résultats des analyses des sentiers de signalisation et des profils d’expression des gènes ont montré des caractéristiques similaires à celles de l’analyse générale. La convergence substantielle entre les déterminants génétiques des substances psychoactives, du stress, de l’obésité et des traits hémodynamiques soutiennent la notion selon laquelle les variations génétiques des voies de plasticité synaptique constitueraient une interface commune avec les différences génétiques liées au sexe et à l’hypertension. Nous pensons, également, que la plasticité synaptique interviendrait dans de nombreux phénotypes complexes influencés par le mode de vie. En définitive, ces résultats indiquent que des approches basées sur des sous-groupes et des réseaux amélioreraient la compréhension de la nature polygénique des phénotypes complexes, et des processus moléculaires communs qui les définissent. / Links among substance use, obesity, stress and related cardiovascular outcomes may be in part due to shared genetic factors. To investigate this hypothesis, we performed genome-wide linkage and association scans for genetic components of habitual alcohol, tobacco and coffee use, response to mental and physical stress, obesity related anthropometric traits and heart rate (HR) and blood pressure (BP) measurements in 119 multigenerational French Canadian families from founder population of Saguenay-Lac-St-Jean region using 58000 SNPs and 437 microsatellite markers and followed with functional annotation on resulted genes. We found significant phenotypic correlations among substance use, obesity, stress and hemodynamic traits. For instance, alcohol and tobacco users had attenuated HR response to mental stress; moreover, tobacco users had lower BP compared to non users; Hypertensives had stronger HR and systolic blood pressure (SBP) response to mental stress and higher body mass index (BMI), compared to normotensives; Use of tobacco seemed to increase the epinephrine level in body and higher epinephrine level was correlated with lower BMI. Consistent with phenotypic relatedness, we found numerous shared genes associated / linked to substance use, obesity-related traits, response to mental and physical stress and hemodynamic traits including CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 and PRKCE forming protein interaction network, involved in synaptic plasticity and highly expressed in brain related tissues; moreover, pathway analysis on identified genes pointed (P = 0.03) to Long-Term Potentiation pathway. Large portions of variation of studied traits were explained by sex and hypertension status, focusing on tobacco use we noted that degree and the direction of correlations of obesity, hemodynamic and stress related traits with tobacco use vary according to sex and hypertension status; for instance, while in males, current tobacco users were slender compared to never or former tobacco users, there were no such differences in females; moreover, we found several obesity related traits that their correlations with smoking behavior seemingly root in genetic factors rather than smoking effect itself. Sex- and hypertension differences in heritabilities of many of these traits were also observed; meanwhile, specific subgroup genetic analyses uncovered additional shared synaptic genes among these traits including CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (Hypertension-specific), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (Sex-specific) having protein interactions with genes driven from general analysis; moreover, the results of pathway analysis and reported gene expression profiles of resulted genes from subgroup analyses revealed similar characteristics to those from general analysis. The substantial overlap among genomic determinants of substance use, stress, obesity and hemodynamic traits supports the notion that the genetic variations in pathways of synaptic plasticity may be a common interface behind them as well as observed sex and hypertension genetic differences, we also think synaptic plasticity may underlie many complex phenotypes in which life style is a contributing factor; moreover, our findings indicate considering subgroup and network-based approaches enhance understanding of polygenic nature of complex phenotypes as well as shared molecular underpinnings among them.