La 5-azacytidine (AZA) est un médicament approuvé pour le traitement des leucémies myéloïdes aiguës des patients qui ne sont pas éligibles à une greffe de cellules souches hématopoïétiques. Bien que l’AZA est augmenté significativement le pronostic des patients, le mécanisme d’action précis de l’AZA demeure nébuleux. En plus de son activité d’hypométhylation, il a été montré que l’AZA a aussi des effets immunologiques. Des études précédentes suggèrent que ces réponses immunitaires sont causées par des modifications du répertoire de peptides présentés par le CMH-I (MAPs), dont l’expression de MAPs dérivés de rétroéléments endogènes (EREs) et des cancer-testis antigens (CTAs). Ces gènes sont généralement réprimés par la méthylation de l’ADN. Dans cette thèse, nous avons testé cette hypothèse à l’aide de séquençage à haut débit et de spectrométrie de masse appliqués à quatre lignées cellulaires d’AML différentes. Notre approche protéogénomique d’avant-garde a révélé que l’AZA induit la présentation de MAPs dérivés de CTAs, mais pas d’EREs, malgré le fait que ces deux groupes de séquences soient surexprimés au niveau transcriptomique. Ces résultats indiquent que les réponses des lymphocytes T observées chez les patients suite au traitement à l’AZA dépendent probablement des MAPs dérivés des CTAs, et non pas des EREs. Les EREs stimulés par l’AZA ont tout de même un impact sur la réponse immunitaire en formant des ARN double-brins menant à une activation de l’immunité innée. L’incorporation de l’AZA et l’inhibition subséquente de la DNMT2 mène cependant à des agrégats protéiques et à l’autophagie, qui dégrade les transcrits EREs et limite leur surexpression. Nous avons démontré que les effets immunologiques de l’AZA peuvent être amplifiés par un traitement combiné de l’AZA et d’inhibiteurs de l’autophagie. De plus, le travail contenu dans cette thèse a montré que bien qu’elles soient un modèle expérimental pratique, les lignées cellulaires ont des limitations et doivent être utilisés avec prudence. Des différences majeures ont été observées entre des lignées cellulaires supposément identiques provenant de fournisseurs établis. Nos analyses ont permis de démontrer quelle lignée cellulaire était la plus similaire à la lignée parentale. Ainsi, ce travail fourni des recommandations pour améliorer les lignes directrices d’utilisation des lignées cellulaires en recherche. / 5-azacytidine (AZA) is approved for the treatment of acute myeloid leukemia (AML) patients ineligible for hematopoietic cell transplantation. Although AZA treatment has substantially improved patient outcomes, there remains a lack of clear understanding of the mechanisms driving these responses. In addition to its hypomethylating activity, AZA has been shown to have immunological effects. Previous reports suggest that these immune responses occur due to alterations in the repertoire of MHC-I-associated peptides (MAPs), including the expression of MAPs deriving from endogenous retroelements (EREs) and cancer-testis antigens (CTAs). These genes are typically silenced by methylation. With this thesis, we aimed to test this hypothesis using high-coverage RNA sequencing and mass spectrometry in four different AML cell lines. Our state-of-the-art proteogenomic approach uncovered that AZA treatment induced MAPs deriving from CTAs, but not EREs, despite both being upregulated at the RNA level. This indicates that T-cell responses post-AZA treatment are more likely to be dependent on CTA- than ERE-derived MAP presentation. AZA-induced EREs produced at the RNA level still contributed to immune responses by forming double-stranded RNA leading to a state of viral mimicry. However, AZA incorporation into RNA and subsequent DNMT2-inhibition led to protein aggregation and autophagy responses. These responses were responsible for degrading EREs, which limited their upregulation. We further demonstrate that the immune effects of AZA can be enhanced by the combination of AZA with autophagy inhibitors. Additionally, the work in this thesis has shown that although a practical model, cell lines have their caveats and must be used with caution. This work has highlighted the grave discrepancies between supposedly identical cell lines supplied by established repositories. Moreover, our analyses determine which of the two is closer to the parental cell line. Finally, this work provides recommendations for improving the current guidelines for cell line-based research.

Titre de l'écran-titre (visionné le 8 novembre 2023) / Le longicorne asiatique, Anoplophora glabripennis, originaire de Chine et de la péninsule coréenne, est devenu un insecte nuisible qui représente une menace significative pour les forêts et les économies du monde entier. La gestion efficace de ses invasions et de ses dommages potentiels repose sur une détection précoce grâce aux méthodes de biosurveillance. Dans cette thèse, j'utilise des techniques de séquençage de nouvelle génération (NGS) et des méthodes de génomique des populations pour 1) caractériser la similarité et la différenciation des populations de ce coléoptère, 2) identifier les signatures génomiques qui déterminent la différenciation entre les lignées génétiques et les signatures génomiques associées à l'adaptation environnementale (i.e. variables climatiques), en particulier l'adaptation au froid, 3) éclairer l'histoire de son invasion en Amérique du Nord. Dans le premier chapitre, j'étudie la structure de population des ALB indigènes de l'Asie pour informer la conception des outils de biosurveillance afin d'identifier les sources d'invasion. En utilisant des individus de populations indigènes, en séquençant leurs génomes grâce au séquençage par génotypage (GBS), et en identifiant des marqueurs de polymorphisme nucléotidique (SNP) à l'échelle du génome, j'ai comparé la diversité génétique, mesuré le flux de gènes, et effectué des tests d'assignation de population. J'ai identifié six groupes génétiques avec une division claire entre les groupes du nord et du sud de l'aire de répartition native de cette espèce. Nos résultats démontrent qu'un petit nombre de SNPs peut assigner précisément des individus à des régions géographiques, jetant les bases pour de nouveaux outils de biosurveillance pour l'ALB. Dans le deuxième chapitre, j'examine les signatures génomiques sous sélection associées aux variables climatiques, en particulier la température. J'ai effectué un séquençage complet du génome sur dix échantillons multiplexés, chacun avec 20 individus, pour produire une forte densité de marqueurs SNP à l'échelle du génome. Le criblage du génome et l'analyse gène-environnement (GEA) ont été utilisés pour identifier plus de 5 000 gènes potentiellement impliqués dans l'adaptation locale chez l'ALB. Alors que des gènes communs de tolérance au froid, tels que la glycérol kinase, les cytochromes P450, la protéine antigel et les protéines de choc thermique ont été trouvés à travers des analyses de sélection, ceux-ci n'étaient pas significatifs dans l'analyse GEA, indiquant une relation complexe entre les facteurs environnementaux et l'évolution génétique de la tolérance au froid. Ce profilage génomique complet offre de nouvelles perspectives sur les mécanismes génétiques sous-jacents à l'adaptation locale chez cette espèce. Dans le troisième chapitre, j'utilise des données génomiques obtenues grâce à la technologie GBS pour reconstruire l'histoire invasive du longicorne asiatique en Amérique du Nord (NA) et mieux comprendre les invasions biologiques. Les résultats révèlent que la plupart des populations invasives de NA proviennent de plusieurs introductions indépendantes du nord de la Chine. Les origines spécifiques incluent la Région Nord Deux pour les populations de l'Illinois, de Toronto et de l'Ohio, la Région Sud pour les populations du Massachusetts, et la Région Nord Un pour les populations de Farmingdale, New York. Après leur introduction, toutes les populations ont connu des goulots d'étranglement, certaines connaissant également une seconde expansion, comme New York. Les résultats de notre étude sont cohérents avec les données historiques, offrant de nouvelles perspectives sur la dynamique d'invasion de cette espèce. En conclusion, cette thèse présente une étude approfondie sur la structure populationnelle, l'adaptation et l'histoire invasive du longicorne asiatique en utilisant des techniques génomiques avancées. Nos découvertes améliorent non seulement notre compréhension de la biologie de ce coléoptère et de ces mécanismes adaptatifs, mais fournissent également des perspectives précieuses pour le développement de stratégies de biosurveillance efficaces pour gérer et atténuer les impacts de ses invasions. Alors que la menace des espèces invasives continue d'augmenter à l'échelle mondiale, les méthodes et les connaissances acquises grâce à cette étude peuvent être appliquées à d'autres nuisibles invasifs, contribuant finalement à la protection de nos forêts, écosystèmes et économies. / The Asian longhorned beetle (ALB) Anoplophora glabripennis, native to China and Korea Peninsula, has become a global insect pest that poses a significant threat to forests and economies worldwide. Effective management of its invasions and potential damage relies on early detection through biosurveillance methods. In this thesis, I utilize next-generation sequencing (NGS) techniques and population genomics methods to 1) characterize the beetle's population similarity and differentiation, 2) identify genomic signatures that determine the differentiation between genetic lineages in its native range and signatures related to environmental adaptation associated with climate variables especially cold adaptation, and 3) provide insight on its invasion history in North America. In the first chapter, I investigate the population structure of native ALB populations to inform the design of biosurveillance tools for identifying invasion sources. By collecting native population samples, sequencing their genomes using genotyping-by-sequencing (GBS), and obtaining genome-wide single nucleotide polymorphism (SNP) markers, I compared genetic diversity, measured gene flow, and conducted population assignment tests. I identified six genetic clusters with a clear division between northern and southern groups. Our results demonstrate that a small number of SNPs can accurately assign individuals to geographic regions, laying the foundation for new ALB biosurveillance tools. In the second chapter, I examine genomic signatures under selection and associated with climate variables, specifically temperature. I performed whole genome sequencing on ten pooled samples, each with 20 individuals, to produce high-density genome-wide SNP markers. Genome scans and gene-environment analysis (GEA) were used to identify over 5,000 genes potentially involved in local adaptation in ALB. Notably, while common cold tolerance genes, such as glycerol kinase, cytochrome P450s, antifreeze protein, and heat shock proteins, were found through selection scans, these were not significant in GEA analysis, indicating a complex relationship between environmental factors and genetic evolution of cold tolerance. This comprehensive genomic profiling provides new insights into the genetic mechanisms underlying local adaptation in this species. In the third chapter, I use genomic data obtained through GBS technology to reconstruct the invasion history of the Asian longhorned beetle in North America (NA) to better understand the biological invasions in the invasive region. Findings reveal that most NA invasive populations originated from multiple independent introductions from northern China. Specific origins include North Region Two for populations in Illinois, Toronto, and Ohio, South Region for Massachusetts populations, and North Region One for Farmingdale, New York populations. Post introduction, all populations experienced bottleneck events, with some also experiencing secondary spread, such as New York. The results of our study are consistent with historical records, offering further insights into the invasion dynamics of this species. In conclusion, this thesis presents a detailed study of the Asian longhorned beetle's population structure, adaptation, and invasion history using advanced genomic techniques. Our findings not only enhance our understanding of the beetle's biology and adaptive mechanisms but also provide valuable insights for developing effective biosurveillance strategies to manage and mitigate the impacts of its invasions. As the threat of invasive species continues to rise globally, the methods and knowledge gained from this study can be applied to other invasive pests, ultimately contributing to the protection of our forests, ecosystems, and economies.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un groupe de champignons qui appartient à l'embranchement des Gloméromycètes (Glomeromycota). Les CMA forment des associations symbiotiques, connus sous le nom des mycorhizes à arbuscules avec plus de 80 % des plantes vasculaires terrestres. Une fois que les CMA colonisent les racines de plantes, ils améliorent leurs apports nutritionnels, notamment le phosphore et l'azote, et protègent les plantes contre les différents pathogènes du sol. En contrepartie, les plantes offrent un habitat et les ressources de carbone nécessaires pour le développement et la reproduction des CMA. Des études plus récentes ont démontré que les CMA peuvent aussi jouer des rôles clés dans la phytoremédiation des sols contaminés par les hydrocarbures pétroliers (HP) et les éléments traces métaliques. Toutefois, dans les écosystèmes naturels, les CMA établissent des associations tripartites avec les plantes hôtes et les microorganismes (bactéries et champignons) qui vivent dans la rhizosphère, l'endosphère (à l'intérieur des racines) et la mycosphère (sur la surface des mycéliums des CMA), dont certains d'entre eux jouent un rôle dans la translocation, l’immobilisation et/ou la dégradation des polluants organiques et inorganiques présents dans le sol. Par conséquent, la diversité des CMA et celle des microorganismes qui leur sont associés sont influencées par la concentration et la composition des polluants présents dans le sol, et aussi par les différents exsudats sécrétés par les trois partenaires (CMA, bactéries et les racines de plantes). Cependant, la diversité des CMA et celle des microorganismes qui leur sont associés demeure très peu connue dans les sols contaminés. Les interactions entre les CMA et ces microorganismes sont aussi méconnus aussi bien dans les aires naturelles que contaminées. Dans ce contexte, les objectifs de ma thèse sont: i) étudier la diversité des CMA et les microorganismes qui leur sont associés dans des sols contaminés par les HP, ii) étudier la variation de la diversité des CMA ainsi que celle des microorganismes qui leur sont associés par rapport au niveau de concentration en HP et aux espèces de plantes hôtes, iii) étudier les correlations (covariations) entre les CMA et les microorganismes qui leur sont associés et iv) comparer les communautés microbiennes trouvées dans les racines et sols contaminés par les HP avec celles trouvées en association avec les CMA. Pour ce faire, des spores et/ou des propagules de CMA ont été extraites à partir des racines et des sols de l'environnement racinaire de trois espèces de plantes qui poussaient spontanément dans trois bassins de décantation d'une ancienne raffinerie de pétrole située dans la Rive-Sud du fleuve St-Laurent, près de Montréal. Les spores et les propagules collectées, ainsi que des échantillons du sol et des racines ont été soumis à des techniques de PCR (nous avons ciblés les genes 16S de l'ARNr pour bactéries, les genes 18S de l'ARNr pour CMA et les régions ITS pour les autres champignons), de clonage, de séquençage de Sanger ou de séquençage à haut débit. Ensuite, des analyses bio-informatiques et statistiques ont été réalisées afin d'évaluer les effets des paramètres biotiques et abiotiques sur les communautés des CMA et les microorganismes qui leur sont associés. Mes résultats ont montré une diversité importante de bactéries et de champignons en association avec les spores et les propagules des CMA. De plus, la communauté microbienne associée aux spores des CMA a été significativement affectée par l'affiliation taxonomique des plantes hôtes et les niveaux de concentration en HP. D'autre part, les corrélations positives ou négatives qui ont été observées entre certaines espèces de CMA et microorganismes suggérèrent qu’en plus des effets de la concentration en HP et l'identité des plantes hôtes, les CMA peuvent aussi affecter la structure des communautés microbiennes qui vivent sur leurs spores et mycéliums. La comparaison entre les communautés microbiennes identifiées en association avec les spores et celles identifiées dans les racines montre que les communautés microbiennes recrutées par les CMA sont différentes de celles retrouvées dans les sols et les racines. En conclusion, mon projet de doctorat apporte de nouvelles connaissances importantes sur la diversité des CMA dans un environnement extrêmement pollué par les HP, et démontre que les interactions entre les CMA et les microorganismes qui leur sont associés sont plus compliquées que ce qu’on croyait précédemment. Par conséquent, d'autres travaux de recherche sont recommandés, dans le futur, afin de comprendre les processus de recrutement des microorganismes par les CMA dans les différents environnements. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are an important soil fungal group that belongs to the phylum Glomeromycota. AMF form symbiosic associations known as arbuscular mycorrhiza with more than 80% of vascular plants on earth. Once AMF colonize plant roots, they promote nutrient uptake, in particular phosphorus and nitrogen, and protect plants against soil-borne pathogens. In turn, plants provide AMF with carbon resources and habitat. Furthermore, more recent studies demonstrated that AMF may also play key roles in phytoremediation of soils contaminated with petroleum hydrocarbon pollutants (PHP) and trace elements. Though, in natural ecosystems, AMF undergo tripartite associations with host plants and micoorganisms (Bacteria and Fungi) living in rhizosphere (the narrow region of soil surounding the plant roots), endosphere (inside roots) and mycosphere (on the surface AMF mycelia), which some of them play a key role on translocation, immobilization and/or degradation of organic and inorganic pollutants. Consequently, the diversity and community structures of AMF and their associated microorganisms are influenced by the composition and concentration of pollutants and exudates released by the three partners (AMF, bacteria and plant roots). However, little is known about the diversity of AMF and their associated microorganisms in polluted soils and the interaction between AMF and these microorganisms remains poorly understood both in natural and contaminated areas. In this context, the objectives of my thesis were to: i) study the diversity of AMF and their associated microorganisms in PHP contaminated soils, ii) study the variation in diversity and community structures of AMF and their associated microorganisms across plant species identity and PHP concentrations, iii) study the correlations (covariations) between AMF species and their associated microorganisms and iv) compare microbial community structures of PHP contaminated soils and roots with those associated with AMF spores in order to determine if the microbial communities shaped on the surface of AMF spores and mycelia are different from those identified in soil and roots. To do so, AMF spores and/or their intraradical propagules were harvested from rhizospheric soil and roots of three plant species growing spontaneously in three distinct waste decantation basins of a former petrochemical plant located on the south shore of the St-Lawrence River, near Montreal. The harvested spores and propagules, as well as samples of soils and roots were subjected to PCR (we target 16S rRNA genes for bacteria, 18S rRNA genes for AMF and ITS regions for the other fungi), cloning, Sanger sequencing or 454 high throughput sequencing. Then, bioinformatics and statistics were performed to evaluate the effects of biotic and abiotic driving forces on AMF and their associated microbial communities. My results showed high fungal and bacterial diversity associated with AMF spores and propagules in PHP contaminated soils. I also observed that the microbial community structures associated with AMF spores were significantly affected by plant species identity and PHP concentrations. Furthermore, I observed positive and negative correlations between some AMF species and some AMF-associated microorganisms, suggesting that in addition to PHP concentrations and plant species identity, AMF species may also play a key role in shaping the microbial community surrounding their spores. Comparisons between the AMF spore-associated microbiome and the whole microbiome found in rhizospheric soil and roots showed that AMF spores recruit a microbiome differing from those found in the surrounding soil and roots. Overall, my PhD project brings a new level of knowledge on AMF diversity on extremely polluted environment and demonstrates that interaction of AMF and their associated microbes is much complex that we though previously. Further investigations are needed to better understand how AMF select and reward their associated microbes in different environments.

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Les microARN sont de petits ARN non codants d'environ 22 nucléotides impliqués dans la régulation de l'expression des gènes. Ils ciblent les régions complémentaires des molécules d'ARN messagers que ces gènes codent et ajustent leurs niveaux de traduction en protéines en fonction des besoins de la cellule. En s'attachant à leurs cibles par complémentarité partielle de leurs séquences, ces deux groupes de molécules d'ARN compétitionnent activement pour former des interactions régulatrices. Par conséquent, prédire quantitativement les concentrations d'équilibres des duplexes formés est une tâche qui doit prendre un compte plusieurs facteurs dont l'affinité pour l'hybridation, la capacité à catalyser la cible, la coopérativité et l'accessibilité de l'ARN cible. Dans le modèle que nous proposons, miRBooking 2.0, chaque interaction possible entre un microARN et un site sur un ARN cible pour former un duplexe est caractérisée par une réaction enzymatique. Une réaction de ce type opère en deux phases : une formation réversible d'un complexe enzyme-substrat, le duplexe microARN-ARN, suivie d'une conversion irréversible du substrat en produit, un ARN cible dégradé, et de la restitution l'enzyme qui pourra participer à une nouvelle réaction. Nous montrons que l'état stationnaire de ce système, qui peut comporter jusqu'à 10 millions d'équations en pratique, est unique et son jacobien possède un très petit nombre de valeurs non-nulles, permettant sa résolution efficace à l'aide d'un solveur linéaire épars. Cette solution nous permet de caractériser précisément ce mécanisme de régulation et d'étudier le rôle des microARN dans un contexte cellulaire donné. Les prédictions obtenues sur un modèle de cellule HeLa corrèlent significativement avec un ensemble de données obtenu expérimentalement et permettent d'expliquer remarquablement les effets de seuil d'expression des gènes. En utilisant ces prédictions comme condition initiale et une méthode d'intégration numérique, nous simulons en temps réel la réponse du système aux changements de conditions expérimentales. Nous appliquons ce modèle pour cibler des éléments impliqués dans la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT), un mécanisme biologique permettant aux cellules d'acquérir une mobilité essentielle pour proliférer. En identifiant des éléments transcrits différentiellement entre les conditions épithéliale et mésenchymateuse, nous concevons des microARN synthétiques spécifiques pour interférer avec cette transition. Pour ce faire, nous proposons une méthode basée sur une recherche gloutonne parallèle pour rechercher efficacement l'espace de la séquence du microARN et présentons des résultats préliminaires sur des marqueurs connus de l'EMT. / MicroRNAs are small non-coding RNAs of approximately 22 nucleotide long involved in the regulation of gene expression. They target complementary regions to the RNA transcripts molecules that these genes encode and adjust the concentration according to the needs of the cell. As microRNAs and their RNA targets binds each other with imperfect complementarity, these two groups actively compete to form regulatory interactions. Consequently, attempting to quantitatively predict their equilibrium concentrations is a task that must take several factors into account, including the affinity for hybridization, the ability to catalyze the target, cooperation, and RNA accessibility. In the model we propose, miRBooking 2.0, each possible interaction between a microRNA and a binding site on a target RNA is characterized by an enzymatic reaction. A reaction of this type operates in two phases: a reversible formation of an enzyme-substrate complex, the microRNA-RNA duplex, and an irreversible conversion of the substrate in an RNA degradation product that restores the enzyme which can subsequently participate to other reactions. We show that the stationary state of this system, which can include up to 10 million equations in practice, has a very shallow Jacobian, allowing its efficient resolution using a sparse linear solver. This solution allows us to characterize precisely the mechanism of regulation and to study the role of microRNAs in a given cellular context. Predictions obtained on a HeLa S3 cell model correlate significantly with a set of experimental data obtained experimentally and can remarkably explain the expression threshold effects of genes. Using this solution as an initial condition and an explicit method of numerical integration, we simulate in real time the response of the system to changes of experimental conditions. We apply this model to target elements involved in the Epithelio-Mesenchymal Transition (EMT), an important mechanism of tumours proliferation. By identifying differentially expressed elements between the two conditions, we design synthetic microRNAs to interfere with the transition. To do so, we propose a method based on a parallel greedy best-first search to efficiently crawl the sequence space of the microRNA and present preliminary results on known EMT markers.