Le poisson Astyanax mexicanus est un modèle particulièrement intéressant pour l'étude de l'évolution. En effet, dans cette espèce de poissons d'eau douce, il existe des populations vivant de façon pérenne dans des grottes. Dans cet environnement, l'obscurité est totale et permanente et les ressources en nourriture souvent faibles. Les poissons cavernicoles se sont adaptés à la vie souterraine et ils présentent de nombreuses modifications phénotypiques comme la dépigmentation, la perte des yeux, l’augmentation du nombre et de la taille d’organes sensoriels non-visuels et plusieurs changements du comportement. Un des problèmes majeurs est de savoir si ces modifications phénotypiques sont dues à des mutations préexistantes à la colonisation de l'environnement cavernicole ou si elles sont apparues après. Pour répondre à cette question, connaître l'âge des populations est un facteur important car dans une population récente, il n'y aura probablement pas eu suffisamment de temps pour l'apparition de beaucoup de mutations et leur fixation. L'objet de cette thèse est donc l'estimation de l'âge d'une population, celle de la grotte Pachón qui est souvent considérée comme étant une des plus anciennes et une des plus isolées. Au cours de ces travaux de thèse, nous avons développé une nouvelle méthode de datation qui repose d’une part sur la caractérisation du polymorphisme nucléotidique à l’intérieur de chaque population et entre populations, et d’autre part la comparaison de ces données avec des simulations de l’évolution du polymorphisme. Les résultats obtenus, ainsi que la réanalyse de données sur le polymorphisme d’haplotypes mitochondriaux et de loci microsatellites précédemment publiées, suggèrent que les populations cavernicoles seraient bien plus récentes qu’habituellement indiqué dans la littérature (quelques milliers d’années, et non plusieurs centaines de milliers d’années). Les conséquences d’un tempo rapide d’évolution sur le mode d’évolution de ces poissons cavernicoles ont aussi été présentées. / The fish Astyanax mexicanus is a particularly suitable model for evolutionary biology studies. Indeed, in this species there are several subterranean populations which live in the total and permanent darkness of cave. These cavefish are well adapted to the life in this inhospitable environment and they show several differences with their surface conspecific such as depigmentation, eye loss and behavioral changes. A major unresolved issue is about the relative role of surface fish standing genetic variation and de novo mutations appeared in cavefish populations after their settlement in caves in their phenotypic evolution. In order to examine this issue, accurate estimations of population ages are very important because many new mutations cannot appear and fix in a recent population. In this thesis we aimed to estimate the age of the Pachón cave population which is considered as one of the oldest and most isolated populations. We developed a new method which is based on measures of the distribution of single nucleotide polymorphism within each population and between populations. Our results, as well as reanalyses of published data about mitochondrial haplotypes and microsatellite loci polymorphism suggest that cavefish populations are much more recent than previously thought (several thousand years and not several hundred thousand years). The consequences of a fast tempo of evolution on the mode of evolution of cavefish are also discussed.

La toxicité potentielle des nanomatériaux présente un intérêt sociétal et scientifique élevé en raison de la promesse d'innovations pour de nombreuses applications techniques. Cependant, elle n’est pas forcément liée à la taille réelle, à la masse, à la surface des nanoparticules (NP) ou à leurs agglomérats. La toxicité des NPs pourrait être fortement influencée par d'autres propriétés inhérentes et encore incomprises telles que le relargage d’ions, de la particule elle-même, sa surface, ou des molécules adhérentes à la surface, qui interfèreraient avec l'absorption cellulaires des NPs. Le projet « NANOGAM» étroitement lié au projet « FNR CORE2012 NANION », vise à définir certains processus et facteurs impliqués dans l'absorption des NPs et leur toxicité. Une telle compréhension est une condition préalable au développement des nanomatériaux, fondement de la philosophie « safer-by-design ». Les objectifs de ce projet de thèse sont multiples. En tenant compte des caractéristiques des principaux paramètres physico-chimiques tels que la taille et l’aspect de la surface, l’étude a porté sur l'absorption de NPs d'argent et d'or, et leurs effets biologiques via une approche multi-biomarqueurs (mortalité, effets comportementaux, effets physiologiques, effets transcriptomiques, etc.) sur une espèce sensible, Gammarus fossarum (Crustacea Amphipoda). Le but de cette investigation est de comprendre si la toxicité des nanomatériaux est inhérente aux propriétés intrinsèques des NPs ou plutôt aux ions relargués, ce qui contribuera à la prédiction de la toxicité des NPs en rapport avec leurs propriétés physico-chimiques et ce afin de limiter le nombre d’essais répétitifs sur de nouveaux nanomatériaux. G. fossarum ont été exposés à de faibles concentrations d'AgNPs et AuNPs pendant 72h à jeun et 15 jours nourris. Les résultats obtenus ont montré que (i) la nature de l’enrobage de surface est le principal facteur responsable de l'absorption d'AgNPs et d'AuNPs par G. fossarum ; (ii) les ions libérés et les NPs elles-mêmes jouent un rôle dans la toxicité des AgNPs et AuNPs étudiées ; (iii) la composition chimique des NPs a conduit à des effets différents aux niveaux sub-individuels (transcriptomique), ainsi qu’à une distribution différente dans les tissues selon la nature métallique de la NP. Les AgNPs ont été localisées dans les branchies de G. fossarum tandis que les AuNPs ont été observées dans les caeca intestinaux. Cette étude a également révélé que Gammarus sp. est un excellent modèle pour l'étude de la toxicité et des effets des AgNPs et des AuNPs / The potential toxicity of nanomaterials is of high societal and scientific interest due to the promise of ground-breaking innovations for many technical applications. However, toxicity can often not be related to the actual size, mass or surface area of the single nanoparticles (NPs) or the NP agglomerates. Therefore, it can be proposed that the toxicity is greatly influenced by other inherent and non-understood properties of the particles to which ions dissolving from the particle, surface or molecules adhering to the surface interfering with the uptake of NPs into cells, may have important contributions. The PhD project “NANOGAM”, closely linked up to CORE2012 NANION project that aims to obtain knowledge to understand some of the processes and factors involved in NP uptake and toxicity as such understanding is a prerequisite for the development of nanomaterials following the safer-by-design philosophy. This PhD project aims to investigate, based on known characteristics of the key physico-chemical parameters; as size and surface functionalities, of a well-chosen list of silver and gold NPs, the uptake, and dependent biological effects of different complexity (mortality, behavioural effects, physiological effects, transcriptomic effects, etc.), on a sensitive species; Gammarus fossarum (Crustacea Amphipoda), in order to understand to which extent toxicity of nanomaterials is due to intrinsic material properties or ion leaching. Such understanding will contribute to the prediction of toxicity based on material properties rather than repetitive testing of an indefinite number of new nanomaterials. G. fossarum were exposed at low concentrations of AgNPs and AuNPs for 72h or 15 days in presence or absence of food. The obtained results showed that (i) surface coating is the main factor governing AgNPs and AuNPs uptake by G. fossarum, (ii) both released ions and NPs themselves play a role in the potency of the studied AgNPs and AuNPs and (iii) chemical composition led to different effects at the sub-individual levels (target genes expression) and different tissue distribution as AgNPs were found in G. fossarum gills while AuNPs were found in the intestinal caeca. Additionally, this work shows that Gammarus sp. are valuable models for the study of the effects of AgNPs and AuNPs

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Cette étude pilote vise à développer une méthode d'analyse intégrative qui permet d'augmenter le taux de réussite du diagnostic clinique des mutations génétiques rares. De plus, l'identification de nouveaux gènes associés à l'ataxie épisodique (EA) et l'évaluation de nouveaux algorithmes de prédiction, pour un examen de variants plus robuste, découleront de l'enquête. Caractérisé par une perte sporadique de la coordination des mouvements volontaires, l'EA se manifeste généralement tardivement, avec une hétérogénéité clinique et génétique élevée, compliquant largement l’obtention d’un diagnostic précis. Alors que quatre gènes ont été liés aux huit sous-types d'EA, de nombreux patients demeurent sans diagnostic moléculaire dû aux limites des méthodes de séquençage d’ADN. Ces lacunes accentuent l’intérêt d’implanter le séquençage de l’ARN en milieu clinique, afin d’obtenir l’information fonctionnelle offerte par l’approche. Des patients atteints d’EA, sans diagnostic moléculaire malgré un examen approfondi, ont été recrutés à Montréal. Le séquençage du génome entier (WGS) et de l'ARN a été effectué sur des échantillons de sang pour identifier les variants nucléotidiques, l'expression différentielle, les événements d'épissage ainsi que les expansions de microsatellites. Plusieurs algorithmes de prédiction de la pathogénicité récents ont été choisis pour être testés parallèlement aux algorithmes standard. Des données WGS provenant d’un trio familial atteint de pathologies neurologiques ont également été soumises au pipeline génomique développé pour la cohorte EA. Des variants candidats ont été identifiés pour chaque patient en fonction des scores de pathogénicité, de la rareté des événements génétiques et des informations fonctionnelles et cliniques connues pour un gène altéré donné. Parmi les découvertes figurent des mutations non-sens, des faux-sens, de l'épissage alternatif ainsi que des expansions nucléotidiques dans des gènes associés aux ataxies spinocérébelleuses ou aux paraplégies spastiques. En plus d'être présents dans les ensembles de données de séquençage disponibles pour chaque patient, les événements génomiques ont été vérifiés par séquençage Sanger de l'ADN et de l'ARN lorsque possible. Les effets fonctionnels potentiels, prédits principalement à partir du RNA-seq et suggérant une expression anormale de l'ARNm, ont également été évalués par amplification PCR et qPCR traditionnelle. À ce jour, quatre des dix patients ont reçu ou sont en voie de recevoir un diagnostic clinique, et quatre autres présentent d’excellents candidats moléculaires pour expliquer une pathologie ataxique. Ce projet devrait permettre un diagnostic mieux défini, conduisant à une meilleure qualité de vie, une meilleure évaluation du pronostic et une meilleure prise en charge des patients. L’identification de modulateurs génétiques chez certains d’entre eux devrait également permettre une meilleure caractérisation clinique des conditions rapportées, bénéficiant les évaluations symptomatiques futures. De plus, la méta-analyse des données RNA-seq offre le potentiel de découvrir des régulateurs de pathogenèse communs à l’EA. Il favorisera également l'approche intégrative pour un plus large éventail de troubles et pourrait éventuellement conduire à de nouvelles stratégies thérapeutiques. / This pilot study aims to develop an integrative analysis method that allows for an increased diagnosis success rate of rare genetic mutations. Moreover, identification of novel genes associated with Episodic Ataxia (EA) and evaluation of new AI-generated prediction algorithms, for a more robust variant examination, will ensue from the investigation. Characterized by sporadic loss of voluntary movement coordination, EA typically manifest with a late onset as well as high-clinical and genetic heterogeneity, setting additional hurdles to diagnosis. While four genes have been linked to the eight subtypes of EA, many patients are left without molecular diagnosis due to the limitations of individual DNA-sequencing methods, which can be mitigated by the functional overview that RNA sequencing (RNA-seq) offers. EA patients, lacking molecular diagnosis despite in-depth examination, were recruited in Montreal. Whole-Genome sequencing (WGS) and RNA-seq were performed on blood samples to identify single nucleotide variants, differential expression, splicing events, structural variants and repeat expansions. Multiple recent pathogenicity prediction algorithms were chosen for testing concurrently to standard ones, in order to evaluate their performance and potential for clinical pipelines integration. WGS data of a family trio from France, in which the father and the daughter present neurologic pathologies, were also processed through the genomic pipeline that was developed for the EA cohort in order to identify the cause of their disorder. Candidate variants were identified for each patient according to pathogenicity scores, rarity of genetic events, and known functional as well as clinical information for a given altered gene. Among the findings are truncations, missenses, alternative splicing, and repeat expansions in genes already associated to either spinocerebellar ataxia or spastic paraplegia. In addition to being present in both datasets when available, validation of these interesting genomic events has been performed through Sanger Sequencing of both DNA and RNA when feasible. For strong candidates where the available functional information from RNA-seq suggests abnormal mRNA expression, validation includes PCR amplification as well as a traditional qPCR to support effects on transcripts. To this day, four out of ten patients have received or are on the verge of receiving a diagnosis, and four others are carrying excellent molecular candidates requiring further validation to explain their ataxic pathologies. This project should provide more defined diagnosis, leading to better quality of life, better evaluation of prognosis and better management of care for patients. Identification of genetic modifier in some of them should also allow for a better clinical characterization of the reported conditions, benefiting future patient examinations. A meta-analysis of our patients’ transcriptomic profiles could also uncover commonly affected pathways in EA development. It will also promote the integrative approach for a larger spectrum of disorders and might eventually lead to new therapeutic strategies.

Single-cell RNA sequencing has become a standard technique to characterize tissue development. Hereby, cross-sectional snapshots of the diversity of cell transcriptomes were transformed into (pseudo-) longitudinal trajectories of cell differentiation using computational methods, which are based on similarity measures distinguishing cell phenotypes. Cell development is driven by alterations of transcriptional programs e.g., by differentiation from stem cells into various tissues or by adapting to micro-environmental requirements. We here complement developmental trajectories in cell-state space by trajectories in gene-state space to more clearly address this latter aspect. Such trajectories can be generated using self-organizing maps machine learning. The method transforms multidimensional gene expression patterns into two dimensional data landscapes, which resemble the metaphoric Waddington epigenetic landscape. Trajectories in this landscape visualize transcriptional programs passed by cells along their developmental paths from stem cells to differentiated tissues. In addition, we generated developmental “vector fields” using RNA-velocities to forecast changes of RNA abundance in the expression landscapes. We applied the method to tissue development of planarian as an illustrative example. Gene-state space trajectories complement our data portrayal approach by (pseudo-)temporal information about changing transcriptional programs of the cells. Future applications can be seen in the fields of tissue and cell differentiation, ageing and tumor progression and also, using other data types such as genome, methylome, and also clinical and epidemiological phenotype data.

La variabilité de la réponse aux médicaments entre les individus est en grande partie attribuable aux différences génétiques causées par des mutations génétiques. Ces mutations ont émergé au cours de l'évolution humaine et peuvent être neutres, bénéfiques ou délétères en termes de survie ou de succès reproductif. Bien que de nombreuses études identifient des variants génétiques associés à des phénotypes, comme la réponse aux médicaments, peu d'attention est accordée à l'origine de ces mutations ou à leur présence au sein des populations. La médecine évolutive entre alors en jeu en étudiant les origines évolutives des mutations associées à des phénotypes. Ce domaine se situe à l'intersection de la médecine et de la biologie évolutive, et il cherche à comprendre comment le corps humain est devenu ce qu'il est aujourd'hui. Cette thèse se concentrera sur l'évolution des gènes impliqués dans la réponse aux médicaments. La première partie de cette thèse se penchera sur la relation entre les gènes ADCY9 et CETP, qui sont liés à la réponse au médicament dalcetrapib visant à réduire les événements cardiovasculaires en ciblant la protéine CETP. Une mutation dans le gène ADCY9 a été précédemment identifiée comme modulant la réponse à ce médicament. Nous avons identifié plusieurs pressions de sélection dans le gène ADCY9, mais nous avons concentré nos analyses sur son interaction épistasique, c'est-à-dire non linéaire, co-évolutive avec le gène CETP. Des effets de cette interaction sur plusieurs phénotypes ont été observés, et des mécanismes potentiels sous-tendant cette pression co-évolutive et son association avec le médicament ont été identifiés. La deuxième partie de cette thèse sera la suite d'un projet portant sur l'étude des pressions de sélection sur la superfamille des cytochromes P450. Les gènes de cette superfamille sont généralement impliqués dans la détoxification de l'organisme, y compris par la métabolisation d'environ 75% des médicaments couramment prescrits. Des analyses préliminaires ont révélé des enrichissements de pression de sélection dans deux sous-familles, à savoir les CYP3A et les CYP4F. Des phénotypes potentiellement sous pressions de sélection ont été identifiés dans la sous-famille des CYP3A au sein de la population africaine. En conclusion, l'intégration de la génétique des populations avec la transcriptomique et les études d'association phénotypiques enrichit notre compréhension des liens entre les pharmacogènes au sein de diverses populations. Cette approche représente un pas de plus vers l'amélioration de la médecine de précision. / Variability in drug response between individuals is largely due to genetic differences caused by genetic mutations. These mutations have emerged in the course of human evolution and can be neutral, beneficial or deleterious in terms of survival or reproductive success. Although many studies identify genetic variants associated with phenotypes such as drug response, little attention is paid to the origin of these mutations or their presence in the population. This is where evolutionary medicine comes in, studying the evolutionary origins of mutations associated with phenotypes. This field lies at the intersection of medicine and evolutionary biology, and seeks to understand how the human body became what it is today. This thesis will focus on the evolution of genes involved in drug response. The first part of this thesis will look at the relationship between the genes ADCY9 and CETP, linked to the response to the drug dalcetrapib aimed at reducing cardiovascular events by targeting the CETP protein. A mutation in the ADCY9 gene has been previously identified as modulating the response to this drug. We identified several selection pressures in the ADCY9 gene, but focused our analyses on the co-evolutionary epistatic interactions, meaning non-linear. Effects of this interaction on several phenotypes were observed, and potential mechanisms underlying this co-evolutionary pressure and its association with the drug were identified. The second part of this thesis will follow on from a project investigating selection pressures on the cytochrome P450 superfamily. Genes in this superfamily are generally involved in the detoxification of the body, including the metabolization of around 75% of commonly prescribed drugs. Preliminary analyses have revealed selective pressure enrichments in two subfamilies, CYP3A and CYP4F. Potential phenotypes under selective pressure were identified in the CYP3A subfamily in the African population. In conclusion, the integration of population genetics with transcriptomics and phenotypic association studies enhances our understanding of the connections among pharmacogenes across diverse populations. This approach signifies another stride towards advancing precision medicine.

The green peach aphid (GPA; Myzus persicae Sülzer) is a damaging pest that has a broad host range that includes plants in the Brassicaceae, Solanaceae, Cucurbitaceae, and Rosaceae families. It also vectors several important viral diseases. However, how plants perceive GPA to limit infestation is poorly understood. This study demonstrates an important role for the HOMOLOG OF RPW8 4 (HR4), which encodes a protein that contains the RESISTANCE TO POWDERY MILDEW 8 (RPW8) motif that is found in some intracellular receptor proteins that are involved in defense against pathogens. In the accession Moscow of Arabidopsis thaliana, a Brassicaceae family plant, located at the RPW8 locus on chromosome 3 are RPW8.1 and RPW8.2, which confer resistance against a broad spectrum of powdery mildew pathogens. In comparison, in the powdery mildew-susceptible accession Columbia (Col-0), RPW8.1 and RPW8.2 are replaced by the homologous HR4Col-0. HR4Col-0, but not its homologs, was found to be involved in limiting GPA infestation. The presence of HR4Col-0 adversely impacted GPA fecundity, feeding from the phloem, and host selection. Transcriptomic analysis revealed that HR4Col-0 influences biological processes such as response to chitin, amino acid metabolism, and lipid metabolism. The resistance-enhancement ability of HR4Col-0 towards GPA infestation could be transferred to the Arabidopsis accession Wassilewskija and the oil-seed crop Camelina sativa, both of which naturally lack HR4. These findings position HR4Col-0 as a promising candidate for enhancing resistance to the GPA in plants other than Arabidopsis. This research significantly advances our understanding of plant immune mechanisms against an important agricultural pest.

Les pucerons sont parmi les principaux ravageurs des cultures dans les régions tempérées. Leur succès comme parasites de plantes repose sur leur fort potentiel reproductif dû à la parthénogénèse durant le printemps et l'été ainsi qu’à la symbiose avec Buchnera aphidicola. Cette bactérie symbiotique obligatoire fournit aux pucerons les acides aminés essentiels qui sont déficients dans leur alimentation déséquilibrée (la sève élaborée des plantes), et contribue ainsi à leur développement et reproduction. Le premier volet de ce travail de thèse a consisté à déterminer les besoins en acides aminés des différents stades embryonnaires, afin d’identifier des facteurs clé de l’association symbiotique au cours du développement du puceron du pois Acyrthosiphon pisum. Cette étude, conduite sur des embryons prélevés in vivo ou mis en culture in vitro, a révélé i) des exigences métaboliques évoluant au cours de développement du puceron, ii) une dépendance au compartiment maternel pour l’approvisionnement des embryons en acides aminés, et iii) de forts besoins en acides aminés aromatiques, notamment en tyrosine, pour les stades embryonnaires tardifs et le premier stade larvaire précoce. Le deuxième volet de cette thèse a alors eu pour objectif l’identification de gènes cibles à l’intérieur des voies révélées par l’approche métabolique. A l’aide d’une puce à ADN dédiée au génome du d’A. pisum, les profils d’expression des gènes du puceron ont été analysés au cours de son développement embryonnaire. L’analyse fonctionnelle des différents groupes de gènes montre que ceux liés au métabolisme des acides aminés présentent de hauts niveaux d’expression et des variations significatives entre les différents stades. La voie métabolique des acides aminés aromatiques et tout particulièrement les gènes menant à la synthèse de la tyrosine, ainsi que les gènes/voies liés à la formation et à la maturation de la cuticule, sont parmi les plus sollicités chez les embryons tardifs. L’ensemble des résultats obtenus par les approches métabolique et transcriptomique suggère une synthèse et une accumulation de tyrosine au cours du développement embryonnaire, en vue de son utilisation comme précurseur pour la sclérotisation et le tannage cuticulaire après la ponte. Le dernier volet de ce travail de thèse a consisté en une analyse fonctionnelle du rôle du gène ACYPI007803, codant l’enzyme catalysant la synthèse de la tyrosine à partir de la phénylalanine, par la technique d’ARN interférence (RNAi). Une augmentation de la mortalité des larves pondues par les femelles traitées est corrélée à la diminution de l’expression du gène cible dans les compartiments symbiotiques (les chaines embryonnaires et les bactériocytes maternels) et confirme le rôle clé du gène ACYPI007803 dans le développement des embryons chez le puceron du pois. / Aphids are among the main crop pests in temperate regions. Their success as parasites of plants is based on their strong reproductive output due to parthenogenetic reproduction during spring and summer and to their symbiosis with Buchnera aphidicola. This obligatory symbiotic bacterium supplies aphids with essential amino acids poorly available in their unbalanced food (the phloem sap of plants), and so contributes to their development and reproduction. The first part of this work consisted in determining amino acid needs of different embryonic stages, in order to identify key factors of the symbiotic association during the pea aphid development. This study, led on embryos taken in vivo or cultivated in vitro in culture media, allowed us to identify: i) the evolution of metabolic requirements of embryos during development, ii) a dependence of embryos from the maternal compartment for their supply in amino acids, and iii) strong needs in aromatic amino acids, particularly in tyrosine, of the late embryonic stages and the early first larval stage of the pea aphid. The second part of this thesis had for objective the identification of key genes inside pathways revealed by the metabolic approach. Using a dedicated oligonucleotides microarray, the gene expression profiles of the aphid were analysed during the development of the insect. The functional analysis of different gene groups showed that genes involved in amino acids metabolism are globally over-expressed, but they also showed significant transcriptional regulations in the switches between the different stages studied here. The metabolic pathway of aromatic amino acids and particularly the genes involved in the biosynthesis of tyrosine, as well as genes / pathways involved in the formation and the maturation of the cuticle, were among the most solicited in the late embryos. These transcriptomic results, taken together with those obtained by the metabolic approach, suggest that the amino acid tyrosine is synthesized and accumulated by the pea aphid during its embryonic development, in order to later be used as precursor for the sclerotization and the cuticular tanning, processes that occur after insect laying. The last part of this work consisted in a functional analysis of the gene ACYPI007803, coding the enzyme catalysing the tyrosine synthesis from the phenylalanine, by using the RNA interference (RNAi) technique. An increase of the mortality of larvae laid by the treated females was correlated with the decrease of the expression of the target gene in the symbiotic compartments (the embryonic fraction and the maternal bacteriocytes) so confirming the key role of the ACYPI007803 gene in the development of the pea aphid embryos.

King penguins have successfully colonized cold ecosystems of the southern hemisphere by developing physiological mechanisms that are not well understood. The aim of this study was to investigate, at different integrative levels from the gene to the whole animal, the functional responses developed by penguins to overcome polar constrains. We focused on acclimatization mechanisms enabling the first departure to sea of king penguin immatures and the rapid growth of Adélie penguin chicks.To explore differentially expressed genes in pectoralis muscle during penguin’s first sea acclimatization, we used Affymetrix microarrays design for chicken. We first set up and validated a new method to analyze heterologous hybridization transcriptomic profiles. We highlighted a selective shift in metabolic pathways favoring the use of lipids as fuel to sustain highly energetic needs imposed by marine life-style. Our results revealed a development of a global antioxidant response, potential consequences of penguin marine life-style that imposes repeated dives under apnea.Secondly, our integrative study on Adélie penguin’s chick revealed the development of molecular and cellular mechanisms which sustain an original strategy by first allocating most of the energy to growth and then promoting thermogenic processes.Our results showed that both king and Adélie penguins develop complex and coordinated physiological responses to energetic constraints highlighting their high phenotypic plasticity. / King penguins have successfully colonized cold ecosystems of the southern hemisphere by developing physiological mechanisms that are not well understood. The aim of this study was to investigate, at different integrative levels from the gene to the whole animal, the functional responses developed by penguins to overcome polar constrains. We focused on acclimatization mechanisms enabling the first departure to sea of king penguin immatures and the rapid growth of Adélie penguin chicks.To explore differentially expressed genes in pectoralis muscle during penguin’s first sea acclimatization, we used Affymetrix microarrays design for chicken. We first set up and validated a new method to analyze heterologous hybridization transcriptomic profiles. We highlighted a selective shift in metabolic pathways favoring the use of lipids as fuel to sustain highly energetic needs imposed by marine life-style. Our results revealed a development of a global antioxidant response, potential consequences of penguin marine life-style that imposes repeated dives under apnea.Secondly, our integrative study on Adélie penguin’s chick revealed the development of molecular and cellular mechanisms which sustain an original strategy by first allocating most of the energy to growth and then promoting thermogenic processes.Our results showed that both king and Adélie penguins develop complex and coordinated physiological responses to energetic constraints highlighting their high phenotypic plasticity.

Différentes approches ont été utilisées pour évaluer les effets de deux formes de nanoparticules de carbone (NPC), nanotubes et graphène, afin de comprendre les mécanismes de la réponse générée par la diatomée benthique d'eau douce Nitzschia palea. Les effets à l'échelle de la communauté ont démontré un impact temporaire sur la croissance du biofilm et une accumulation des NPC dans la matrice extracellulaire. L'application d'une étude transcriptomique a mis en évidence l'importance de l'interaction physique, à l'origine d'altération du frustule, dans la mise en place de cette réponse extracellulaire se traduisant par une surproduction des substances exo-polymériques (EPS). Cette approche a également révélé l'impact des NPC sur l'activité photosynthétique des diatomées et une modification du métabolisme énergétique, suggérant une allocation énergétique en faveur de la production d'EPS. L'étude du protéome extracellulaire a permis d'avoir un premier aperçu de la composition de la matrice extracellulaire, principalement constituée de protéines à caractère hydrophobe. Lors de l'exposition aux NPC, les diatomées semblent produire un système adhésif complexe permettant de renforcer la matrice extracellulaire et d'augmenter la stabilité du biofilm tout en piégeant les NPC. L'exposition des diatomées face au deux formes de NPC induit une réponse présentant une forte similitude notamment pour les plus fortes concentrations testées. / Different approaches were used to assess the effect of two forms of carbon-based nanoparticles (CNP) nanotubes and graphene, in order to determine the mechanism of the response generated by the benthic freshwater diatom Nitzschia palea. The effect at the cellular community scale demonstrated a temporary impact on biofilm growth and an accumulation of NPC in the extracellular matrix. The use of transcriptomic study evidenced the role of the physic interaction, causing alteration of the frustule, in the extracellular response leading to an overexcretion of exopolymeric substances (EPS). This approach also revealed the impact of NPC on the photosynthetic activity of diatoms and a modification of the energetic metabolism suggesting an energetic allocation for the EPS production. The study of the extracellular proteome allowed to have a first insight of the extracellular matrix composition, in majority composed of hydrophobic-like proteins. In NPC exposure, diatoms seemed to produce an adhesive system allowing to strengthen the extracellular matrix and increase the biofilm stability while trapping NPC. The exposition of diatoms to the two NPC forms induce a response greatly similar for the highest tested concentration.