Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Les éléments intégratifs et conjugatifs (ICEs) sont des éléments génétiques mobiles bactériens largement reconnus en tant qu'importants vecteurs de la transmission des gènes de résistance aux antibiotiques. Comme tous les éléments génétiques mobiles, ils participent grandement à la plasticité génomique de leur hôte, en permettant le transfert horizontal de gènes conférant des avantages pour l'adaptation de leur hôte à différentes conditions environnementales. Les ICEs se transfèrent horizontalement par conjugaison, par un mécanisme similaire à celui emprunté par les plasmides conjugatifs. Cependant, au contraire des plasmides, les ICEs ne possèdent pas un intermédiaire circulaire extrachromosomique réplicatif : ils s'intègrent plutôt dans le chromosome de leur hôte par recombinaison site-spécifique, à la manière d'un prophage. Une conséquence de ces deux caractéristiques est qu'ils sont également transmis verticalement lors de la division cellulaire de leur hôte. Lorsque soumis à certaines conditions, les ICEs s'excisent de leur hôte sous forme d'une molécule circulaire qui est le substrat pour leur transfert conjugatif vers un nouvel hôte. Une fois transférée, la molécule de l'ICE est recircularisée et s'intègre dans le chromosome. Les ICEs de la famille SXT/R391 sont largement distribués dans les souches de Vibrio cholerae et dans les ?-protéobactéries apparentées et ont été isolées dans une diversité d'endroits géographiques. Les membres de cette famille comportent un large squelette de gènes conservés qui codent pour leurs fonctions principales d'intégration/excision, de transfert conjugatif et de régulation. À l'intérieur de ce squelette sont retrouvées des régions.variables - dont la nature et les combinaisons diffèrent d'un élément à l'autre - qui codent pour des fonctions accessoires telles les résistances aux antibiotiques. Le patron de combinaisons des régions variables entre différents ICEs a mené à l'hypothèse qu'ils sont soumis à de fréquents échanges de matériel génétique par recombinaison. L'intégration site-spécifique de tous les membres de cette famille dans le même locus chromosomique permet la coexistence de deux ICEs semblables mais non identiques dans la même cellule, ce qui fournit un substrat à la recombinaison inter-ICE et permet la formation d'éléments hybrides. Cette thèse présente l'étude d'un nouveau système de recombinaison homologue identifié dans le squelette des ICEs SXT/R391 et sa participation dans la formation d'ICEs hybrides. Ce système de recombinaison, composé de la recombinase Bet et de l'exonucléase Exo est apparenté au système de recombinaison Red du bactériophage ? et est retrouvé chez tous les membres de la famille SXT/R391. La première portion du projet a visé l'identification des déterminants génétiques impliqués dans la formation d'hybrides. Les résultats obtenus démontrent que les ICEs hybrides peuvent être formés par trois voies différentes : i) Bet/Exo, d'une manière indépendante de RecA, ii) RecA et iii) Bet/Exo et RecA, de manière coopérative. Les résultats démontrent également que l'excision des éléments du chromosome ainsi que leur transfert conjugatif vers une nouvelle cellule ne sont pas nécessaires pour former des hybrides. Cette portion du projet met en évidence que les ICEs de la famille SXT/R391 sont capables de promouvoir leur propre diversité à l'aide du système de recombinaison homologue RecA-indépendant qu'ils codent. La deuxième partie du projet s'est portée sur la régulation de l'expression du système de recombinaison Bet/Exo. Les résultats obtenus démontrent que la transcription des gènes de recombinaison est induite en présence d'agents causant des dommages à l'ADN, par le biais des activateurs de transcription de l'ICE, SetC et SetD. Ces activateurs sont sous le contrôle du répresseur principal SetR, dont la répression est levée par les conditions qui induisent la réponse SOS de l'hôte, et sont responsables de l'expression concertée des gènes d'intégration/excision et de transfert conjugatif. Bien que la transcription des gènes de recombinaison soit fortement induite en présence d'agents induisant la réponse SOS, l'analyse de leur profil traductionnel démontre que leur traduction est fortement régulée. Des atténuateurs de traduction putatifs positionés en amont de Bet et Exo pourraient être responsables de ce niveau additionnel de régulation. L'analyse de l'organisation génétique du locus de recombinaison a mis en évidence que bet et exo font partie d'un opéron polycistronique comprenant 12 autres gènes du squelette conservé des ICEs SXT/R391, dont les fonctions ne sont pas connues. Finalement, une analyse in silico visant à identifier tous les systèmes de recombinaison apparentés au sein des génomes séquencés de bactéries, plasmides et virus a permis de démontrer qu'un nombre important de ces systèmes existent chez une diversité d'espèces bactériennes appartenant à des taxons éloignés. Bien que la majorité de ces systèmes soient codés par des bactériophages, plusieurs sont retrouvés sur des plasmides conjugatifs. L'ensemble des résultats présentés dans cette thèse permet une meilleure compréhension de l'évolution des éléments génétiques mobiles bactériens, et plus particulièrement des éléments intégratifs et conjugatifs de la famille SXT/R391.

Les télomères sont des structures nucléoprotéiques spécialisées qui assurent l’intégrité des extrémités des chromosomes linéaires. Ils sont composés d’une séquence d’ADN qui leur est propre, sont associées à des protéines spécifiques, et sont maintenus par la télomérase. Leur fonction est d’empêcher le raccourcissement progressif des extrémités des chromosomes dû à la réplication ainsi que leur reconnaissance par les mécanismes de réparation des cassures double brin. La réparation des cassures double-brin consiste en deux mécanismes généraux : la recombinaison non-homologue et la recombinaison homologue. L’activation de ces voies de recombinaison en réponse à la déprotection télomérique est un mécanisme de survie cellulaire, mais qui conduit fréquemment à une instabilité génomique.Nous avons testé l’implication des voies de recombinaison non-homologue dans la prise en charge des télomères déprotégés par inactivation de chacune de ces voies. La génération d’un multiple mutant ne présentant pas de voies de recombinaison non-homologue fonctionnelles a permis de restaurer la capacité des plantes à se développer normalement en présence de télomères déprotégés. Nos résultats ont mis en évidence une compétition entre les voies de recombinaison non-homologue et la télomérase en absence de protection télomérique.L’étude des homologues de la protéine GEN1 – impliquée dans la résolution de structures d’ADN branchées lors de la recombinaison homologue – a permis d'identifier l'homologue fonctionnel de GEN1 chez Arabidopsis et de mettre en évidence un rôle télomérique de cette protéine. En effet, cette nucléase s’avère essentielle à la stabilité des télomères en favorisant leur réplication.L’inhibition de la recombinaison homologue en absence de télomérase entraine l’apparition précoce et significative d’instabilité chromosomique. L’induction d’un stress réplicatif exacerbe cette instabilité télomérique, indiquant que la recombinaison homologue facilite la réplication des télomères en absence de télomérase. Nos données indiquent que la télomérase participe également au déroulement correct de la réplication des télomères. De façon inattendue, le rôle positif de la recombinaison homologue est dépendant de l’hélicase RTEL1. / Telomeres are specialized nucleoprotein structures that ensure the integrity of the ends of linear eukaryotic chromosomes. They are composed of a particular DNA sequence, associated with specific proteins and are maintained by telomerase. Their function is to prevent the progressive shortening of chromosome due to replication and to protect chromosome ends from recognition by cellular double-strand break repair proteins. Double-strand break repair involves two general mechanisms: non-homologous recombination and homologous recombination. Activation of these recombination pathways in response to unprotected telomeres is a cell survival mechanism, which frequently leads to genomic instability.We tested the involvement of non-homologous recombination pathways in fusions of unprotected telomeres by inactivation of each of these pathways. The generation of a triple KO mutant without non-homologous recombination restores the normal growth and development of the plants with deprotected telomeres. These results show a competition between non-homologous recombination pathways and telomerase in the absence of telomeric protection.Study of GEN1 homologues – involved in the resolution of branched DNA structures during homologous recombination – permitted identification of the functional GEN1 homologue of Arabidopsis and the demonstration of a telomeric role of this protein. Indeed, this nuclease proves to be essential to the stability of the telomeres by promoting their replication.Inhibition of homologous recombination in absence of telomerase leads to the early and significant appearance of chromosomal instability. Induction of replicative stress exacerbates this telomere instability, indicating that homologous recombination facilitates telomere replication in the absence of telomerase. Our data indicate that telomerase also contributes to correct replication of telomeres. Unexpectedly, the positive role of the homologous recombination in telomere stability is dependent on the RTEL1 helicase.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation statistique de données biologiques, et plus particulièrement à l'étude de l'information génétique et protéique.Dans un premier volet, nous avons amélioré un modèle statistique des données immunologiques existant chez la souris, que nous avons transposé à l'homme, afin d'étudier les différentes recombinaisons qui apparaissent au sein du thymus, à la fin de la vie embryonnaire, entre les segments des gènes de la portion V(D)J du chromosome 14 humain, appelées recombinaisons V(D)J.Dans un deuxième volet, nous avons étudié l'information génétique par le biais des réseaux de régulations génétique, celui de la maladie familiale « atrésie biliaire », ainsi que dans les réseaux de contrôle du système immunitaire, que nous avons appelés « Immunetworks ».Dans un troisième volet, nous proposons une nouvelle approche de la compression des données biologiques, qui intègre une étape de modélisation des processus dynamiques qui leur ont donné naissance : nous avons appelé cette approche la transformée Dynalet et nous l'appliquons, entre autres, à des signaux de spectrométrie RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) des protéines et acides nucléiques. Cette méthode consiste à convertir les signaux de spectrométrie en sons, afin de construire une lutherie anharmonique permettant de reproduire les pics de relaxation périodisés, issus des spectres RMN des 20 acides aminés, ainsi que de ceux des 4 bases nucléiques azotées. / In this thesis, we focus on statistical modeling of biological data, and more particularly on the study of genetic and protein information.First, we have improved a statistical model of existing immunological data in mice, we have transposed it to human, in order to study the various recombinations that occur within the thymus, at the end of the embryonic life, between segments of genes from the portion V (D) J of the human chromosome 14, called recombinations V (D) J.Secondly, we studied the genetic information through genetic regulatory networks, for example in the case of a family illness called the "biliary atresia," as well as in the immune system control networks, which we have called "Immunetworks".In a last part, we propose a new approach for biological data compression, which includes a step of modeling the dynamic processes that gave rise to them: we call this approach the "Dynalet" transform and we apply it, among others, to NMR spectrometry signals, i.e., Nuclear Magnetic Resonance spectra of proteins and nucleic acids. This method consists in converting the peaks of the spectrometric signals into sounds, in order to construct an anharmonic instrument capable to reproduce periodized relaxation peaks from the NMR spectra of the 20 amino acids, as well as those of the 4 nucleic bases.

Manifestation visible des cross-overs génétiques, les chiasmata lient les paires de chromosomes homologues afin de les orienter correctement sur le fuseau méiotique en Métaphase et Anaphase I. Ils résultent d'un processus complexe et étroitement régulé impliquant l'induction de cassures double-brins et de leur réparation par l'invasion d'un duplex d'ADN homologue faisant office de modèle. La recombinaison est ainsi essentielle pour le synapsis et la ségrégation correcte des chromosomes méiotiques à la première division méiotique, et pour la génération de la variabilité génétique. Bien que les processus permettant à un chromosome de s'apparier seulement à son homologue ne soient pas complètement élucidés, l'appariement des chromosomes homologues est étroitement lié à la recombinaison catalysée par les enzymes d'échange de brins d'ADN RAD51 et DMC1. Ces deux protéines ont des capacités très similaires in vitro, mais sont fonctionnellement distinctes in vivo.La première partie de ma thèse montre l'impact de l'élimination de l'activité d'échange de brins de RAD51 dans la méiose d'Arabidopsis, tout en conservant sa fonction de facteur accessoire pour l'action de DMC1. La recombinaison peut donner lieu à des cross-over (CO) et non-cross-over (NCO) et la recombinase spécifique de la méiose DMC1 a été jugée particulièrement importante dans la production de CO interhomologue. Des résultats récents suggèrent fortement toutefois que DMC1 est la seule recombinase active dans la méiose et doit donc être responsable des résultats de CO et NCO. Etant donné qu'environ 95% de la recombinaison méiotique homologue dans Arabidopsis n'entraîne pas de cross-overs interhomologues, Arabidopsis est un modèle particulièrement sensible pour tester l'importance relative des deux protéines - même des effets mineurs sur la population d'événements non-cross-over devraient produire des effets détectables sur les cross-overs. DMC1 catalyse la réparation de toutes les cassures d'ADN méiotiques en présence d'une protéine RAD51 catalytiquement inactive (fusion RAD51-GFP), et les résultats de mon travail montrent que cela n'a pas d'effet détectable sur les taux relatifs de recombinaison de CO et de NCO : à la fois localement, à l'échelle du chromosome et du génome. Et non plus sur la progression de la division méiotique. Ce travail a abouti à une publication dans le journal PLoS One (Singh G, Da Ines O, Gallego ME & White CI (2017) Analyse de l'impact de l'absence d'activité d'échange de brins de RAD51 dans la méiose d'Arabidopsis PLoS ONE 12: e0183006- 16).Des publications antérieures montrent une synapsis homologue partielle et incomplète en l'absence de rad51 et xrcc3 dans la méiose d'Arabidopsis. Cela s'accompagne de la présence de nombreuses fibres courtes ZYP1 dans ces noyaux, ce qui pourrait indiquer de faibles longueurs de complèxe synaptonémale (SC). Ce synapsis partielle dépend à la fois de SPO11 et de DMC1 et implique des péricentromères, montrant que DMC1 est capable (au moins partiellement) d'entraîner le synapsis dans les péricentromères en l'absence de RAD51. Afin de mieux caractériser ceci et pour tester l'hypothèse que les fibres ZYP1 courtes montrent la présence d'une initiation de SC à ces sites, j'ai méné des expériences d'immunofluorescence et d'imagerie SIM. Utilisant un coloration DAPI et les antiséra ASY1, ZYP1 et CENH3, j'ai conduite des analyses cytogénétiques de le synapsis dans les mutants rad51, xrcc3 et des plantes sauvages. Ces travaux faisaient l'objet de la deuxième partie de mes travaux de thèse. Dans les plantes mutantes, j'observe effectivement des fibres courtes ZYP1 comprenant des centromères, mais elles ne sont pas la règle, ce qui signifie que le synapsis ne commence pas nécessairement à des centromères ou des péricentromères. (...) / The visible manifestation of genetic crossing-over, chiasmata link homologous chromosome pairs to permit them to properly orient on the meiotic Anaphase I spindle. They are the result of an intricate and tightly regulated process involving induction of DNA double- strand breaks and their repair through invasion of a homologous template DNA duplex. Recombination is thus essential for the synapsis and accurate segregation of meiotic chromosomes at the first meiotic division, and in doing so, generates genetic variation. Although the processes permitting a chromosome to pair only with its homologue are not fully understood, successful pairing of homologous chromosomes is tightly linked to recombination catalysed by the DNA strand exchange enzymes RAD51 and DMC1. Both proteins share very similar capabilities in vitro, but are functionally distinct in vivo. The first part of my thesis shows the impact of eliminating the strand exchange activity of RAD51 in Arabidopsis meiosis, while retaining its function as an accessory factor for the action of DMC1. Recombination can give rise to both crossover (CO) and non-crossover (NCO) outcomes and the meiosis-specific recombinase DMC1 has been thought to be of particular importance in the production of inter-homolog CO. Recent results however suggest strongly that that DMC1 is the only active recombinase in wild-type meiosis and thus must be responsible for both CO and NCO outcomes. Approximately 95% of meiotic homologous recombination in Arabidopsis does not result in inter-homologue crossovers and Arabidopsis is thus a particularly sensitive model for testing the relative importance of the two proteins - even minor effects on the non-crossover event population should produce detectable effects on crossing-over. DMC1 catalyses repair of all meiotic DNA breaks in the presence of the catalytically inactive RAD51 (RAD51-GFP fusion) and the results of my work show that this has no detectable effect on the relative rates of CO and NCO recombination, both locally and chromosome- and genome-wide, nor on the progression of the meiotic division. This work has resulted in a publication in the journal PLoS One (Singh G, Da Ines O, Gallego ME & White CI (2017) Analysis of the impact of the absence of RAD51 strand exchange activity in Arabidopsis meiosis. PLoS ONE 12: e0183006–16).Previous publications show partial, incomplete homolog synapsis in the absence of rad51 and xrcc3 in Arabidopsis meiosis. This is accompanied by the presence of many short ZYP1 fibres in these nuclei, possibly indicating short stretches of Synaptonemal Complex (SC). The partial synapsis is both SPO11- and DMC1-dependent and involves peri-centromeres, showing that DMC1 is able to (at least partially) drive synapsis in peri-centromeres in the absence of RAD51. In an effort to better characterize this and to test the hypothesis that the short ZYP1 fibres show the presence of initiation of SC at these sites, immunofluorescence and SIM imaging with DAPI staining and ASY1, ZYP1 and CENH3 antisera were carried out for cytogenetic analyses of synapsis in rad51 and xrcc3 mutants and the WT in the second part of my thesis work. Although I do observe short ZYP1 fibres including centromeres in the mutants, these are not the rule, so synapsis does not necessarily begin at centromeres or peri-centromeres. The superresolution imaging does confirm the presence of stretches of 4-chromatid fibres in xrcc3 plants and this approach will be extended in future work of the group to probe the nature of the RAD51-independent partial meiotic chromosome synapsis.Finally, I have designed and built CRISPR/CAS9 constructs with the aim of creating meiotic DSB hotspots at specific genomic loci. Taking advantage of single nucleotide polymorphism data, these constructs were designed to specifically cleave sites in the Arabidopsis Col-0 ecotype, and not in Ler-0 plants. (...)

Le VIH, grâce à sa variabilité génétique, présente une grande capacité à échapper au système immunitaire et s’adapter à l’environnement. La recombinaison, source importante de cette variabilité, est illustrée par le grand nombre de formes recombinantes observées dans l’épidémie. Le laboratoire s’est intéressé à l’étude de ce mécanisme et des lois qui gouvernent l’apparition de ces formes et ce en se focalisant sur la recombinaison inter sous-types d’isolats primaires le long du gène de l’enveloppe. En plus de mettre en évidence les paramètres impliqués dans la génération et la sélection de ces formes dans la nature, le laboratoire a pu déterminer qu’une majorité des recombinants dans la région C2 du gène de l’enveloppe présente des défauts majeurs de fonctionnalité. Ces défauts étaient sans doute dus à une incompatibilité entre les deux portions de sous-types différents réassociées par la recombinaison. Afin d’identifier les régions impliquées dans cette perte de fonctionnalité, des chimères entre différents sous-types ont été construites et testées en entrée virale. Ces chimères présentent la région C2, V1V2 et V3 de sous-types différents du reste de la protéine. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence que les régions V1V2 et C2 sont importantes pour le maintien de la fonctionnalité des protéines et que V1V2 est essentielle au maintien de l’interaction entre les sous-unités de l’enveloppe, la gp120 et la gp41. Cette étude a donc permis de déterminer que V1V2 et C2 font partie d’un réseau de coévolution important impliquant des interactions indispensables au maintien de la fonctionnalité de la protéine. / HIV presents a high genetic variability that is necessary for the virus to escape to the host immune response and to adapt to the environment. Recombination is an important source of this variability and contributes to the generation of recombinant forms in the epidemic. Using inter subtypes from primary isolates, the laboratory focused on the study of recombination along the envelope gene and the determination of the parameters involved in the generation and selection of these recombinant forms. Previous works in the laboratory showed that a majority of recombinants in C2 region of the envelope gene displayed an important loss of function. This loss was probably due to an incompatibility of the parts associated by recombination and that come from different origins. To identify the regions involved in the loss of functionality of these recombinants, chimeras where C2 and surrounding regions (V1V2 and V3) from a different subtype than the rest of the gene, were created and tested for their ability to mediate viral entry. The functionality tests showed that V1V2 and C2 are important to maintain the functionality of the protein. Indeed, V1V2 seem to be involved in the stability of the Env trimer by maintaining the interaction between the two subunits of the protein, gp120/gp41. This work shows that V1V2 and C2 regions are involved in a coevolution network and their interactions with other portions are essential to maintain the functionality of the protein.

Les récentes avancées des méthodes de détermination structurale à basse résolution (microscopie électronique, dispersion de neutrons ou de rayons X aux petits angles) et de l'imagerie cellulaire révèlent l'importance des assemblages supramoléculaires dans le fonctionnement de la cellule. Ces structures sont actuellement hors de portée des méthodes classiques de la modélisation moléculaire, limitées à l'étude des assemblages moléculaires de taille moyenne. Nous proposons une approche multi-échelle appelée Heligeom, basée sur les mouvements de vissage, permettant de relier l'échelle atomique à l'échelle des gros assemblages moléculaires. Cette approche exploite la propriété des assemblages moléculaires de s'auto-organiser en une grande variété de motifs géométriques tels que les hélices, les anneaux ou les filaments linéaires. Couplée à l'exploration des modes d'assemblage protéine-protéine au moyen de simulations d'amarrage ou d'échantillonnage par Monte Carlo, cette approche permet l'exploration et la combinaison de ces motifs. L'application d'Heligeom à l'étude du filament de RecA, une protéine membre de la famille des recombinases, a pu apporter un nouvel éclairage sur les modes d'auto-association de RecA et la diversité des géométries correspondantes, ainsi que sur les conséquences structurales de l'introduction d'irrégularités dans ces oligomères.La suite logicielle Heligeom est disponible dans la bibliothèque libre PTools. / Recent progress in methods for low resolution structural determination (electron microscopy, small angle neutron or X-ray scattering) and 3D cell imaging reveal the importance of supramolecular assemblies in the cell function. These structures are presently out of the reach of classical molecular modeling methods, which are limited to the study of medium size assemblies. We propose a multi-scale approach called Heligeom, based on the screw representation of movements, which enables linking the atomic scale to the scale of large assemblies. This approach builds on the property of molecular assemblies to self-organize into a large variety of geometric motifs such as helices, rings of linear filaments. Coupled to the exploration of protein-protein assembly modes using docking or Monte Carlo simulations, this approach allows identifying and combining such motifs. Application of Heligeom to study the filaments of RecA, a member of the recombinase protein family, shed new light on the modes of RecA self-association and the diversity of corresponding geometries, as well as the structural consequences of introducing irregularities in these oligomers. The Heligeom suite of computational tools is freely available in the PTools library.

L'épistasie a longtemps été négligée, mais aujourd'hui elle connait un regain d'intérêt avec le développement du séquençage haut-débit et des études d'association pangénomique (GWAS). Elle est quasi-omniprésente, ayant été détectée sur de nombreux traits et chez de nombreuses espèces. Elle joue un rôle important d'un point de vue évolutif, puisqu'elle est à l'origine d'incompatibilités de Dobzhansky-Müller, expliquant l'isolement reproductif entre lignées apparentées. Par ailleurs, chez les polyploïdes à héritabilité disomique (essentiellement des allopolyploïdes), elle peut permettre de fixer l'hétérosis. L'objectif de cette thèse a été d'étudier l'épistasie dans ce contexte évolutif. Le matériel d'étude a été une population à base génétique large d'une espèce autogame allopolyploïde, le blé dur (Triticum turgidum), possédant deux génomes : le génome A et le génome B. Cette population a été constituée à partir de différents taxons : blé dur (T. t. durum), amidonnier domestique (T. t. dicoccum) et amidonnier sauvage (T. t. dicoccoides). Il est donc possible qu'elle présente des combinaisons de gènes coadaptées, et donc de l'épistasie générant des incompatibilités de Dobzhansky-Müller.Une première partie présente différents modèles permettant d'estimer l'épistasie. Ces modèles ont des inconvénients et des avantages, qui dépendent de l'objectif que l'on s'est fixé. Dans une deuxième partie, nous avons utilisé l'un de ces modèles sur des données de RNA-seq (données d'expression et de génotypage) de la population de blé dur, afin de détecter des effets régulateurs de l'expression, et notamment de l'épistasie entre gènes homéologues. Cette analyse est une première pour le blé dur et probablement pour les espèces polyploïdes. Nous n'avons presque pas détecté d'épistasie de premier ordre, mais des interactions avec le fond génétique ont été observées. Nous avons trouvé plus d'eQTL sur le génome B que sur le génome A, ce qui est peut-être dû au fait que les ancêtres diploïdes du blé dur n'avaient pas le même régime de reproduction. Par ailleurs, nous avons montré que les niveaux d'expression des gènes homéologues étaient très fréquemment (80%) corrélés de manière positive, ce qui indique que les gènes homéologues appartiennent fréquemment aux mêmes complexes de gènes corégulés. Enfin, les régulations trans sont plus fréquentes au sein des paires de gènes d'homéologues, ce qui corrobore également l'idée que les gènes homéologues appartiennent aux mêmes réseaux de gènes. Dans une troisième partie, le rôle évolutif de l'épistasie a été examiné. D'abord, nous avons montré comment l'épistasie influençait la covariance parents-enfants, et donc l'évolution à courts termes d'une population. Ensuite, nous avons étudié l'impact d'un type particulier d'épistasie (celui à l'origine des d'incompatibilités de Dobzhansky-Müller, présentant des combinaisons de gènes coadaptés) sur l'évolution d'une population soumise à de la sélection par troncation (comme dans les populations de pre-breeding), à l'aide d'un modèle haploïde bilocus, en fonction du taux de recombinaison et de l'intensité de la sélection. Nous avons montré que si le génotype optimal n'est pas présent dans la population initiale, un fort taux de recombinaison risque de mener à la fixation du génotype sous-optimal. Néanmoins, un peu de recombinaison est nécessaire pour créer ce génotype optimal et le fixer.En perspectives, nous proposons d'adopter une méthode basée sur les réseaux de gènes pour approfondir les mécanismes de la régulation de l'expression chez le blé dur. Nous proposons également de complexifier le modèle permettant d'étudier l'effet de la recombinaison sur l'évolution d'un trait épistatique, sélectionné par troncation, et de compléter ces travaux de modélisation par des études expérimentales. / Epistasis has long been neglected, but it is currently subject to a renewed interest with the development of high-throughput sequencing technologies and of genome-wide association studies (GWAS). It is virtually ubiquitous, having been detected on many traits and in many species. It plays an important evolutionary role, since it is one of the sources of Dobzhansky-Muller incompatibilities, explaining reproductive isolation between related lineages. Moreover, it can enable to fix heterosis in disomic polyploids (mostly allopolyploids). The objective of this thesis was to study epistasis in this evolutionary context. The study material was a broad genetic basis population of a self-pollinating allopolyploid species, durum wheat (Triticum turgidum), having two genomes: A and B genomes. This population was composed from different taxa: durum wheat (T. t. durum), domestic emmer (T. t. dicoccum) and wild emmer (T. t. dicoccoides). Therefore, there are probably combinations of coadapted genes in this population, and thus epistasis generating Dobzhansky-Muller incompatibilities.The first part presents different models to estimate epistasis. These models have advantages and drawbacks, depending on the overall objective. In a second part, we used one of these models on RNA-seq data (expression and genotyping data) of the population of durum wheat to detect regulatory effects of expression, including epistasis between homoelogous genes. This analysis is unique in durum wheat, and probably in polyploid species. We did not detect first-order epistasis, but interactions with genetic background were observed. We found more eQTL on the B genome than on the A genome, which may be due to the fact that the diploid progenitors of durum wheat did not have the same mating system. Furthermore, we showed that the expression levels of homoelogous genes were frequently (80%) positively correlated, indicating that homoelogous genes often belong to the same complex of coregulated genes. Finally, trans regulations are more common among pairs of homoelogous genes, which also supports the idea that homoelogous genes belong to the same gene networks. In the third part, the evolving role of epistasis was examined. First, we showed how epistasis influences the parent-offspring covariance, and thus the short-term evolution of a population. Then we studied the impact of a particular type of epistasis (the one which can generate Dobzhansky-Muller incompatibilities, with combinations of co-adapted genes) on the evolution of a population subjected to truncation selection (as in pre-breeding populations), using a haploid bilocus model, based on the recombination rate and selection intensity. We have shown that if the optimal genotype is not present in the initial population, a high rate of recombination may lead to the fixation of the sub-optimal genotype. However, some recombination is needed to create this optimal genotype and fix it.In perspective, we propose to adopt a network-based method to further the regulation mechanisms of expression in durum wheat. We also propose to make the model more complex, in order to study the effect of recombination on the evolution of an epistatic trait selected by truncation, and complete these modelling works by experimental studies.

Trypanosoma brucei est un parasite protozoaire responsable de la trypanosomiase humaine africaine. Il présente un cycle de vie complexe alternant entre des hôtes mammifères et un vecteur insecte, la mouche tsé-tsé. Au cours de ce cycle, il rencontre des environnements radicalement distincts auxquels il s’adapte en régulant son métabolisme. Nous avons étudié le métabolisme intermédiaire et énergétique de la forme procyclique évoluant dans le tractus digestif de l’insecte vecteur. Dans cet environnement dépourvu de glucose, la néoglucogenèse est cruciale pour la croissance et la survie des parasites car elle permet la synthèse d’hexoses phosphates et en particulier du glucose 6-phosphate qui alimente plusieurs voies de biosynthèse essentielles. Nos travaux confirment ce flux néoglucogénique alimenté par la proline mais aussi par le glycérol. Nous montrons que le glycérol est une source de carbone efficacement métabolisée et préférentiellement utilisée par la forme procyclique à défaut de la proline et même du glucose pour alimenter son métabolisme intermédiaire. Cette situation qu in’a jamais été décrite auparavant met en évidence la répression du glycérol sur le métabolisme du glucose. Nous montrons également que l’enzyme fructose 1,6-biphosphatase(FBPase), spécifique de la néoglucogenèse, n’est pas essentielle à la survie du parasite en conditions dépourvues de glucose indiquant qu’il existe une alternative à cette enzyme.Toutefois, FBPase joue un rôle important dans la virulence de T. brucei dans l’insecte.De plus, nous avons mis en évidence une autre stratégie d’adaptation de T. brucei basée sur des réarrangements génomiques qui peuvent mener à la synthèse de gènes chimères. / Trypanosoma brucei is a protozoan parasite responsible for human African trypanosomiasis. His complex life cycle alternates between mammalian hosts and the insect vector, the tsetsefly. During this cycle, the parasite encounters dissimilar environments and adapts to the sechanging conditions by regulating his metabolism. We have studied intermediate and energetic metabolism of the procyclic form living in the midgut of the insect vector. In this glucose-depleted environment, gluconeogenesis is crucial for growth and viability of the parasites. Indeed, it allows the synthesis of hexoses phosphates and in particular glucose 6-phosphate which feeds several essential biosynthetic pathways. Our work has confirmed the existence of a gluconeogenic flux fed by proline and glycerol. We have shown that glycerol is an efficiently metabolized carbon source and is preferentially used by the procyclic form rather than proline or even glucose. This situation never described before highlights glycerol repression on glucose metabolism. We have also showed that the enzyme fructose 1,6-biphosphatase (FBPase), specific of the gluconeogenesis, is not essential for the viability ofthe parasite in glucose-depleted conditions, suggesting that there is an alternative to this enzyme. However, FBPase plays an important role for virulence of T. brucei in the insect. Moreover, we have showed another adaptation strategy developed by T. brucei which is basedo n genomic rearrangements leading to the synthesis of chimeric genes.