Le silencing transcriptionnel limite la transcription des gènes et des éléments transposables dont l’expression pourrait être délétère à la cellule. Il dépend d’une diversité de modifications de la chromatine comme la méthylation ADN ou les marques répressives des histones. De façon à mieux comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine du silencing transcriptionnel, nous avons mené une approche de génétique directe à l’aide d’un transgène soumis au silencing dans la plante modèle Arabidopsis thaliana. Cette stratégie nous a permis d'isoler à la fois des mutants déficients pour le maintien du silencing transcriptionnel et des mutations qui empêchent la réactivation transcriptionnelle des éléments transposables en réponse à un stress thermique. Nous avons caractérisé les défauts provoqués par ces mutations en combinant des approches de biologie moléculaire, de cytologie et de génomique.Nous montrons ainsi que MED14, la sous-unité centrale du complexe Mediator, et UVH6, composant du complexe TFIIH, sont requis pour la transcription de l'hétérochromatine en stress thermique. MED14 stimule aussi la transcription de l'hétérochromatine en l'absence de stress, mais ne semble fonctionner qu'en présence de la méthylation ADN. En plus de cette fonction originale, nous identifions un nouveau rôle de MED14 dans le maintien de la méthylation ADN, possiblement via la voie de méthylation ADN dirigée par les petits ARN.Par ailleurs, nos résultats nous ont permis d’identifier le rôle des protéines MAIN et MAIL1, qui définissent une voie de silencing transcriptionnelle indépendante des voies connues jusqu'alors. De façon intéressante, MAIN et MAIL1 possèdent un domaine protéique partagé avec les éléments transposables, qui aurait successivement été capturé par les éléments transposables et leur hôte au cours de l’histoire évolutive des plantes à fleurs.Enfin, en isolant une nouvelle mutation du gène POL2A, nous confirmons le rôle de l’ADN polymérase epsilon dans le silencing transcriptionnel et caractérisons les propriétés chromatiniennes qui dépendent de POL2A. Nous montrons que les défauts de silencing des mutants pol2a corrèlent avec une désorganisation importante de l’hétérochromatine sans diminution drastique des marques qui y sont associées. Au contraire, nous détectons une hyperméthylation ADN prononcée dans le mutant, et explorons différentes hypothèses pour expliquer ce phénotype particulier. Nos données suggèrent que plusieurs mécanismes moléculaires sont à l’origine des défauts des mutants pol2a. Elles confirment le rôle prépondérant de la chromométhylase CMT3 dans la régulation de la méthylation ADN, et suggèrent qu’un stress réplicatif pourrait causer une hyperméthylation de l’ADN.Dans l’ensemble, ces travaux de thèse proposent des pistes de travail dont l’exploration pourrait permettre d’expliquer les effets des déficiences réplicatives dans le maintien du silencing transcriptionnel et de l’homéostasie de la méthylation ADN. Ils suggèrent en outre que MED14 a une fonction dédiée à la transcription de l’hétérochromatine qui pourrait stimuler le maintien de la méthylation ADN. / Transcriptional gene silencing hinders deleterious transcription of some genes and transposable elements. Silencing is maintained by numerous chromatin modifications such as DNA methylation and repressive histone marks. To better understand the molecular mechanisms of silencing, we conducted a forward genetic screen using a transgene reporter system targeted by transcriptional gene silencing in the model plant Arabidopsis thaliana. We isolated a first type of mutants with diminished maintenance of silencing and a second category that displayed deficient release of transgene silencing upon heat stress. We then combined molecular, cytological and genomic methods to characterize the defects associated with these mutations.First, we show that the Mediator subunit MED14 and the TFIIH complex subunit UVH6 are required for heat-stress-induced release of silencing. We further show that MED14, but not UVH6, promotes transcriptional activation of transposable elements in mutant contexts where silencing is defective. Importantly, MED14 is only required when DNA methylation is not affected, suggesting that MED14 has a specialized function to promote transcription of heterochromatin. Furthermore, we show that MED14 promote DNA methylation at targets regulated by RNA-directed DNA methylation.Characterizing mutants from the first category, we unveil the contribution of the MAIN and MAIL1 proteins into transcriptional gene silencing, and show that they likely act through a pathway independent of known silencing factors. Interestingly, MAIN and MAIL1 bear a protein domain that is shared with transposable elements, and that has been captured by transposable elements and genes throughout the evolutionary history of flower plants.Additionally, we confirm the involvement of the DNA polymerase epsilon in transcriptional gene silencing by isolating a new mutation of the POL2A gene among mutants of the first category. We characterize the effects of the pol2a mutation on several heterochromatin properties, and show that the pol2a mutant retains high levels of heterochromatin marks despite having highly disorganized heterochromatin. We actually detect a strong elevation of DNA methylation in the pol2a mutant and explore different hypothesis to explain this unusual phenotype. We show that increased expression of the CMT3 chromomethylase is a likely cause, but that additional molecular mechanisms are probably involved. Further exploration suggests that constitutive replicative stress occurring in pol2a mutants could be an additional cause of DNA hypermethylation.To summarize, this work provide putative causes for DNA hypermethylation and silencing defects in a situation of replicative deficiency. Further investigation will be required to identify the molecular components involved in the mechanism. Our data further suggest that MED14 has a function dedicated to heterochromatin transcription that could promote DNA methylation maintenance.

Le système de réparation des mésappariements de l'ADN (MMR) est impliqué dans la cytotoxicité de l'agent anticancéreux cisplatine en activant une voie apoptotique. La déficience de ce système de réparation est reliée in vivo à une chimiorésistance des cellules cancéreuses au cisplatine. Afin de définir le lien entre la cytotoxicité du cisplatine et le fonctionnement du système MMR, nous avons étudié l'interaction de la protéine MutS du système MMR bactérien avec un composé de lésion du cisplatine (formé lorsqu'une base non complémentaire est incorporée en face de l'une des deux guanines platinées appartenant à l'adduit intrabrin d(GpG)). Mon travail a porté essentiellement sur i) une étude des propriétés biochimiques ATP-dépendantes de MutS en présence d'un composé de lésion du cisplatineii) une étude d'interaction entre plusieurs composés de lésion du cisplatine et la protéine HMGB1 qui est bien connue comme pouvant inhiber l'accessibilité des lésions majoritaires du cisplatine à des protéines de réparation. Notre étude a été réalisée par des techniques de biologie moléculaire, de biochimie et de spectroscopie (résonance plasmonique de surface). Nous montrons qu'un composé de lésion du cisplatine module les propriétés ATP-dépendantes de MutS, un résultat inattendu étant qu'il inhibe le relargage de MutS de l'ADN. Un composé de lésion pourrait donc jouer un rôle dans la signalisation MMR-dépendante en modulant les stades précoces de l'initiation de la réparation ce qui est en accord avec le modèle dit « de signalisation directe MMRdépendante».

De nombreuses protéines doivent localiser de courtes séquences-cibles sur de longues molécules d'ADN. Le temps nécessaire à cette localisation est souvent beaucoup plus court que celui qui résulterait d'une diffusion 3D des protéines. Plusieurs mécanismes ont été suggérés pour rendre compte de l'efficacité remarquable du processus de localisation (diffusion 1D le long de l'ADN, sauts...). Cependant, malgré les nombreuses études menées par des biochimistes depuis plus de vingt ans, en particulier sur les enzymes de restriction EcoRI et EcoRV, à ce jour aucune expérience n'a pu trancher définitivement entre les différents mécanismes proposés.<br /><br />Au cours de cette thèse, nous sommes parvenus à observer en microscopie de fluorescence l'interaction entre une enzyme de restriction EcoRV individuelle et une molécule d'ADN. Pour cela, nous avons développé une technique permettant d'étirer les molécules d'ADN au-dessus d'une surface, et nous avons couplé les enzymes EcoRV à des nanocristaux semi-conducteurs, sondes très fluorescentes non sujettes au photoblanchiment. Les enzymes ainsi marquées, toujours actives, sont détectables avec une résolution spatiale de l'ordre de 10 nm et une résolution temporelle de 20 ms.<br /><br />Nous avons observé de nombreux événements d'association/dissociation d'enzymes sur les molécules d'ADN étirées. L'analyse de ces événements nous a permis de mesurer la constante de dissociation des enzymes couplées, de mettre en évidence une diffusion facilitée d'EcoRV le long de l'ADN et d'estimer les caractéristiques de cette diffusion.

La protéine MC1 est une petite protéine structurale très abondante chez Methanosarcina thermophila (archaeabactérie). Nous avons utilisé la méthode SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) pour rechercher ses séquences préférentielles de fixation. Après 10 cycles de sélection, une séquence consensus avec une affinité 50 fois plus forte que celle pour une séquence aléatoire a été déterminée. Cette séquence a été étudiée par simulation de dynamique moléculaire. Le mode de fixation de MC1 sur l'ADN a ensuite été déterminé par des empreintes moléculaires (DMS, OH·). Les résultats montrent une fixation par une face et dans le petit sillon de l'ADN. Une reconnaissance par lecture indirecte des séquences est probable. L'oxydation de certains acides aminés (Trp, Met) par les rayons gamma entraîne une modification des propriétés de la protéine : perte de la reconnaissance de structures et séquences particulières et diminution de sa capacité à courber l'ADN.

Depuis le séquençage complet du génome humain, la génomique se focalise sur la détection des modifications de l'ADN des gènes potentiellement impliqués dans les maladies humaines. Les modifications de l'ADN sont au niveau de la séquence ou épigénétique. Ces polymorphismes, fréquents, rares, connus ou inconnus, peuvent être identifiés par le développement de nouvelles méthodes de séquençage de l'ADN pour chaque individu. Ce projet a pour but le développement de méthodes d'analyse de l'ADN par clivage d'une chimère ARN/ADN et par MALDI-TOF MS. Elle repose sur l'utilisation d'une nouvelle classe d'ADN polymérases qui peut incorporer également des ribonucléotides. La chimère ARN/ADN, simple ou double brin, contient trois bases désoxynucléotides et une quatrième base sous sa forme ribonucléotide. Elle est ensuite clivée après chaque ribonucléotide par l'hydroxyde de sodium. Les fragments de clivage se terminent par un ribonucléotide qui possède un groupement 3'- phosphate terminal. Ils sont dessalés par des billes échangeuses de cation et leurs masses sont analysées par MALDI-TOF MS. La comparaison des masses de l'individu avec celles de la séquence de référence est significative d'un changement dans la séquence d'ADN. Les fragmentations en phase gazeuse de la chimère d'ARN/ADN ont également été étudiées. Cette méthode est adaptée pour l'étude d'un grand nombre d'individus dans une région limitée du génome grâce à la capacité haut-débit du MALDI-TOF MS. Cette méthode, rapide et efficace, possède de nombreuses applications tel que: le génotypage, le génotypage allèle-spécifique en multiplex, le microhaplotypage en multiplex, l'analyse de la méthylation de l'ADN et le séquençage

Le marquage fluorescent de biomolécules est devenu un outil incontournable en biologie. Dans ce contexte, nous avons conçu de nouvelles sondes fluorescentes pour l'ADN.<br />Le marquage non-covalent d'ADN quadruplexe (ADN-G4) par reconnaissance structurale a été étudié. Les propriétés mitigées des composés obtenus en conjuguant un ligand d'ADN-G4 à des sondes fluorescentes nous ont conduit à étudier le Thiazole Orange (TO), dont la fluorescence est exaltée par l'ADN. Le TO a une forte affinité pour l'ADN-G4, qui exalte fortement sa fluorescence. L'affinité d'un ligand d'ADN-G4 peut donc être évaluée par déplacement compétitif de cette sonde. De plus, l'ADN-G4 constitue une matrice favorisant le transfert d'énergie entre un ligand de G4 et le TO.<br />Des sondes de taille réduite, avec une forte absorption biphotonique et permettant le marquage covalent d'ADN ont ensuite été développées. Certaines de ces sondes présentent une exaltation de fluorescence en présence d'ADN.

Les mitochondries sont les organites qui produisent la quasi-totalité de l'énergie consommée par les cellules animales. Une de leurs particularités est de posséder leur propre génome (ADN mitochondrial ou ADNmt) qui, avec la collaboration indispensable du génome du noyau (ADNnu), code pour les enzymes responsables de la production d'énergie. Pour que ces organites fonctionnent adéquatement, la co-adaptation des génomes nucléaire et mitochondrial a donc été fortement sélectionnée au cours de l'évolution. Chez les animaux, l'ADNmt est, contrairement à l'ADNnu, transmis uniquement par la mère. L'hypothèse principale pour expliquer cette transmission maternelle est qu'en ayant un seul type d'ADNmt, la cellule évite un conflit génomique dans l'association intime entre les protéines codées par l'ADNnu et l'ADNmt. Autrement dit, la sélection naturelle doit nécessairement prévenir toute modification du dialogue entre les mitochondries et le noyau, ce qui risquerait de provoquer l'apparition de phénotypes indésirables. Exceptionnellement, un seul système mitochondrial «défie» les lois naturelles de transmission des mitochondries chez les animaux, soit celui observé chez les moules marines et d'eau douce. Les espèces possédant ce système atypique, qui est désigné sous le nom de double transmission uniparentale (doubly uniparental inheritance ou DUI), sont caractérisées par la présence de 2 ADNmt distincts qui sont hérités de façon maternelle (ADNmt F) ou paternelle (ADNmt M). Généralement, les femelles ne contiennent que le génome F, tandis que les mâles contiennent le génome F dans leurs tissus somatiques et le génome M dans leur gonade. Les divergences observées entre les ADNmt F et M chez les moules peuvent atteindre plus de 20%. Les produits des deux différents ADN mitochondriaux peuvent-ils interagir normalement avec les protéines d'un seul système génétique nucléaire (en raison de la co-adaptation intergénomique), ou certaines fonctions mitochondriales ont-elles été compromises dans une ou l'autre des lignées (c'est-à-dire, lignée paternelle M ou maternelle F)? Le grand attrait du système de double transmission uniparentale est qu'il est le seul modèle animal où deux variantes mitochondriales fortement divergentes coexistent et s'adaptent simultanément à un génome nucléaire. Cette situation se traduit probablement par la conservation d'une intégrité relative de certaines portions du génome mitochondrial afin de maintenir une cohésion fonctionnelle dans les interactions structurales entre les peptides mitochondriaux et nucléaires. L'objectif principal de mon doctorat était d'étudier l'évolution moléculaire des génomes mitochondriaux F et M chez les espèces du genre Mytilus et de vérifier si les gènes nucléaires et les gènes F et M mitochondriaux qui interagissent pour former le système de la phosphorylation oxydative co-évoluent. Spécifiquement, l'objectif premier du chapitre 1 a été d'analyser les ADNmt M et F complets chez trois espèces de moules marines (Mytilus edulis, M trossulus, et M galloprovincialis) afin de vérifier si leur évolution dans un environnement nucléaire commun (ou différent) se traduit par la conservation (ou non) de certaines de leurs portions (c'est-à-dire, évolution congruente des génomes M et F). Pour ce faire, les ADNmt ont été amplifiés par PCR et séquencés à l'aide d'un séquenceur d'ADN automatique. Les principaux résultats ont effectivement démontré que le fait de co-exister dans un même environnement nucléaire contraint les ADNmt F et M à expérimenter des pressions sélectives similaires, ce qui se traduit par une évolution congruente des différentes portions des ADNmt M et F (c'est-à-dire la corrélation positive des patrons de taux de substitution protéiniques). L'objectif du chapitre 2 a été de déterminer, chez les spermatozoïdes, si le remplacement d'un génome M par un génome F avait un effet sur les capacités métaboliques des mitochondries. L'étude visait à déterminer si la co-évolution du génome nucléaire avec deux types d'ADNmt différents avait été favorisée dans une où l'autre des lignées. Pour ce faire, des dosages enzymatiques (activité des complexes mitochondriaux I+Ill, II et IV et de la citrate synthase) ont été réalisés par spectrophotométrie. Les résultats ont démontré que la combinaison «ADNmt récemment-masculinisé -ADNnu» (qui est essentiellement une combinaison ADNmtF -ADNnu) performe mieux au niveau enzymatique que la combinaison «ADNmt M -ADNnu». Le troisième volet a été consacré à l'étude de l'évolution moléculaire des protéines interactives du système énergétique (c'est-à-dire, produits nucléaires et mitochondriaux en contact physique) afin de vérifier si les portions génétiques qui interagissent co-évoluent. Pour ce faire, le gène nucléaire codant pour le transporteur mobile d'électron cytochrome c (CYC) et des gènes mitochondriaux et nucléaires codant pour des sous-unités protéiques des complexes III (ADNmt = CYTB; ADNnu = C3S6) et IV (ADNmt = COX1 et COX2; ADNnu = COX4) du système de la phosphorylation oxydative ont été amplifiés par PCR et séquencés à l'aide d'un séquenceur d'ADN automatique. Les données moléculaires semblent démontrer que la co-évolution entre le génome F et le génome nucléaire est mieux couplée, ce qui vient appuyer les résultats enzymatiques du chapitre 2. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : ADN mitochondrial, Génomique comparative, ADN nucléaire, Mytilus, Co-évolution intergénomique.

Thèse (Ph.D)--Université Laval, 2001. / Titre de l'écran-titre (visionné le 22 mars 2004). Bibliogr. Présenté aussi en version papier.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du traitement des données issues de séquençage haut débit, et en particulier des données produites en metabarcoding ADN. Le metabarcoding ADN consiste à identifier des taxons ou des groupes taxinomiques à partir de l'ADN présent dans des échantillons environnementaux (eau, sol, fèces...). Après extraction de l'ADN, de courtes séquences utilisées comme marqueurs taxinomiques sont amplifiées par PCR puis séquencées en utilisant les nouvelles techniques de séquençage haut débit. De très importants volumes de données sont ainsi générés, le plus souvent, de plusieurs milliers à plusieurs centaines de milliers de séquences par échantillon. L'objectif principal de cette thèse était le développement de méthodes d'analyse de ces séquences. Les méthodes de classification permettent de traiter de nombreuses problématiques en metabarcoding ADN. La classification supervisée est utilisée pour assigner les séquences à des taxons en les comparant aux séquences de bases de données de référence. Les méthodes de classification non supervisée permettent de créer des groupes taxinomiques (MOTU) à partir des séquences, afin de faire des estimations de biodiversité. Ces méthodes sont aussi employées pour identifier les séquences erronées produites par la PCR et le séquençage notamment, où les séquences erronées dérivent souvent des vraies séquences et leur sont très similaires. Les méthodes de classification demandent une méthode de comparaison des séquences qui soit idéalement à la fois très rapide et exacte. Une telle méthode a été développée, en utilisant un algorithme d'alignement global de type Needleman-Wunsch calculant la longueur de la plus longue sous-séquence commune entre les séquences à aligner, associé à un filtre sans perte permettant d'éviter l'alignement de certaines paires de séquences n'ayant aucune chance de présenter une similarité supérieure à un seuil choisi. L'utilisation d'instructions Single Instruction, Multiple Data, de même que le multithreading optionnel des calculs, permettent d'associer rapidité et exactitude. Cette méthode de comparaison est implantée dans SUMATRA, un programme calculant toutes les similarités deux à deux d'un jeu de données ou entre deux jeux de données, avec possibilité de fixer un seuil de similarité en dessous duquel les similarités ne sont pas rapportées. Elle est aussi utilisée dans SUMACLUST. SUMACLUST est un programme regroupant les séquences en utilisant un algorithme de clustering en étoile, où chaque groupe possède une séquence représentative. Il peut être utilisé pour créer des MOTU, ou pour détecter les séquences erronées dérivant de vraies séquences. Plus spécialisé, le programme SUMACLEAN a été développé pour détecter les séquences contenant des erreurs ponctuelles de PCR. Pour cela, des graphes orientés acycliques sont générés, dont la topologie correspond parfaitement aux cascades d'erreurs générées par les erreurs ponctuelles de PCR. Par ailleurs, une réflexion a été menée pour le développement d'une nouvelle approche de classification supervisée pour l'assignation taxinomique des séquences. Aujourd'hui, la plupart des approches d'assignation utilisent des méthodes mal adaptées au polymorphisme important des marqueurs, et ne considèrent pas suffisamment l'incomplétude et les erreurs inhérentes aux bases de données de référence. Une nouvelle approche a été testée, basée sur l'idée d'un départ depuis la racine de l'arbre taxinomique, suivi d'une descente jusqu'à un arrêt possible lorsque descendre à un niveau taxinomique plus précis semble irraisonnable. Cela permettrait en théorie de mieux gérer les problèmes inhérents aux bases de données de référence, mais pose le problème de la représentation des séquences aux différents niveaux de l'arbre, et du modèle de choix du chemin à prendre, pour lesquels aucune solution complètement satisfaisante n'a été trouvée à ce jour. / This thesis positions itself in the context of the processing of high-throughput sequencing data, and specifically DNA metabarcoding data. DNA metabarcoding consists of the identification of taxa or taxonomic groups from DNA extracted from environmental samples (water, soil, animal feces). After extraction of the DNA, short sequences used as taxonomic markers are amplified by PCR, then sequenced using high-throughput sequencing technologies. Important volumes of data are produced that way, usually from several thousands to several hundreds of thousands sequences per sample. This thesis aimed for the development of methods for the analysis of these sequences. Classification methods allow the treatment of numerous problems in DNA metabarcoding. Supervised classification is used for the taxonomic assignment of sequences to taxa, by comparing them to the sequences of a reference database. Unsupervised classification methods are used to create taxonomic groups (MOTUs) from the sequences, in order to estimate biodiversity. They are also used to identify the erroneous sequences generated during the PCR and sequencing steps in particular, where erroneous sequences often derive from true sequences and remain very close to them. Classification approaches used in the context of DNA metabarcoding necessitate a sequence comparison method that should be both fast and exact. Such a method was developed, using a Needleman-Wunsch type global alignment algorithm computing the length of the longest common subsequence between the two sequences being aligned, associated with a lossless filter allowing to avoid the alignment of some pairs of sequences that have no chance to present a similarity superior to a chosen threshold. The use of Single Instruction, Multiple Data instructions, as well as the availability of multithreading speed up the calculations. This comparison method is implanted in SUMATRA, a program computing all the pairwise similarities of a dataset or between two datasets, with the possibility to set a threshold under which similarities are ignored. It is also used in SUMACLUST, a program grouping sequences using a star clustering algorithm, where each cluster possesses a representative sequence. This algorithm can be used to generate MOTUs, or to identify erroneous sequences deriving from true sequences, by using the fact that true sequences tend to end up as the representative sequences of their cluster. More specialized, the SUMACLEAN program was developed to identify sequences containing ponctual PCR errors. To that end, directed acyclic graphs are created, whose topology matches perfectly the successions of errors generated by ponctual errors during PCR. A new approach for the taxonomic assignment of sequences with a supervised classification method was also studied. Nowadays, most taxononomic assignment approaches use methods that are badly suited for the important polymorphism of markers, and don't take in account enough the incompleteness and errors inherent to reference databases. A new approach was tested, based on the idea of a start from the root of the taxonomic tree, and a descent in it with a possible stop before reaching a leaf, if descending to a more precise taxonomic level seems unreasonable. This approach would theoretically allow for a better handling of the problems inherent to reference databases, but poses a few issues, such as the representation of sequences at intermediate tree levels, and the model used to make choices regarding the path to take in the tree, for which no satisfying solutions have been found yet.

When transporting dangerous goods, there are many direct and subsidiary risks associated with transportation of such goods for people, property, animals, infrastructure and even so environment. This diploma thesis deals with way of such transport by using inland waterways. It's targeted at anybody who wants to be informed of international legislation, possibilities, risks and other issues associated with inland waterway transport process.