Change in gene expression is a powerful tool for evolution, because seemingly small expression changes can contribute important steps towards adaptation without necessarily affecting the whole organism. There is still much to learn about how gene expression evolves on genome- and population-wide levels, especially in non-model organisms. This thesis addresses some important questions in gene expression evolution via the quantitative measurement of RNA and protein levels in birds. First, I confirmed the state of incomplete dosage compensation in birds by sequencing the transcriptome of collared flycatchers (Ficedula albicollis). I showed that pleiotropy governs the evolution of expression male-bias from the Z chromosome. Sex-linked genes in females were more highly expressed than half the male expression level, indicative of a partial up-regulation. A comparison with data from ostrich (Struthio camelus), a bird with non-degenerated sex chromosomes, showed that sex-linked expression male-bias evolved following sex chromosome degradation. Second, using a combination of RNA sequencing and proteome mass spectrometry in chicken (Gallus gallus), I asked whether complete dosage compensation was achieved through regulation at translation. I showed that this was not the case and that incomplete dosage compensation extends to the protein level in birds. In addition, sex-linked genes showed more often an increased amount of regulation at translational level than autosomal genes. Third, I investigated gene expression divergence between collared and pied flycatchers (Ficedula hypoleuca) using RNA sequencing in multiple tissues and individuals. Tissues differed in the degree of expression variance and in the number of divergent genes, which I identified using expression QST. Variance within species was negatively correlated with expression breadth and protein interactivity, indicating that evolutionary constraints act predominantly within interbreeding populations. Among genes unique to one of the species, I identified one gene, DPP7, falling into a large genomic deletion fixed in pied flycatchers. Fourth, I investigated allele-specific expression (ASE) in the two flycatcher populations. ASE was identified from genetic variants within transcripts using RNA sequencing reads. We developed a Bayesian negative binomial approach that gained statistical power by estimating expression variance from combined SNPs within a transcript and overdispersion from the whole dataset.

Les pucerons sont des hémiptères ravageurs des cultures agronomiques particulièrement adaptés à leur environnement. Acyrthosiphon pisum (le puceron du pois) présente un cycle de vie basé sur l’alternance d’une reproduction sexuée ou asexuée en réponse à la photopériode. Ils présentent ainsi un polyphénisme de reproduction aboutissant à la formation de trois phénotypes distincts : femelles asexuées, femelles sexuées, et mâles. Ces derniers étant obtenus par élimination d’un chromosome X, A. pisum est une espèce hétérogamétique mâle présentant un système chromosomique XX chez les femelles et X0 chez les mâles. Le déséquilibre du nombre de chromosome X entre mâles et femelles engendré par cette hétérogamétie nécessite chez certains organismes d’être corrigé par des mécanismes de compensation de dose. Les polyphénismes et compensation de dose impliquent chez d’autres organismes des régulations transcriptionnelles notamment régulées par l’accessibilité de la chromatine.Ma thèse vise ainsi à étudier le polyphénisme de reproduction et la compensation de dose des pucerons sous l’angle d’analyses bio-informatiques de données d’expression des gènes (RNA-seq) et d’accessibilité de la chromatine (FAIRE-seq) dans le but de caractériser l’impact des mécanismes épigénétiques dans ces deux processus biologiques fondamentaux du cycle de vie des pucerons. Les résultats développés dans ma thèse ont permis de montrer d’une part la présence d’une compensation de dose chez le puceron du pois au niveau transcriptomique, supportée par une accessibilité accrue de la chromatine de l’unique X des / Aphids are hemipterous crops pests that are particularly adapted to their environment. Acyrthosiphon pisum (pea aphid) displays a life cycle based on the alternation of sexual or asexual reproduction in response to photoperiod. They thus exhibit a reproductive polyphenism resulting in the formation of three distinct phenotypes: asexual females, sexual females, and males. The latter being obtained by elimination of an X chromosome, A. pisum is a male heterogametic species with a XX chromosomal system in females and X0 in males. The X chromosome number between males and females caused by this heterogamy requires in some organisms to be corrected by dosage compensation mechanisms. Polyphenisms and dosage compensation both involve in other organisms transcriptional regulations that are notably regulated by the chromatin accessibility regulations. My thesis aims to study the reproductive polyphenism and dosage compensation in aphids in the context of bioinformatic analyzes of gene expressioThe results developed in my thesis have shown, on one hand, the presence of dose compensation in pea aphid at the transcriptomic level, which is supported by increased chromatin accessibility of the males’ single X in somatic cells. On the other hand, specific sites of chromatin opening between sexual and asexual embryos seem to participate in the definition of their reproduction mode by modulating the expression of certain genes and by allowing the fixation of transcription factors. Their analysis shows the involvement of ecdysone as a new hormonal pathway that may trigger sexual reproducti

Chez les mammifères femelles, le processus d’inactivation du chromosome X (XCI) assure la compensation de dose entre les deux sexes. Chez la souris, l’inactivation du X est établie de manière aléatoire dans l’épiblaste au stade blastocyste et peut être récapitulée in vitro dans les cellules souches embryonnaires. L’ARN non-codant Xist, exprimé à partir du centre d’inactivation du X (Xic), est le régulateur principal de ce processus. Il décore en cis le chromosome choisi pour être inactivé et initie la répression de ses gènes. Ainsi, de manière remarquable, les deux chromosomes X sont traités différemment pendant l’initiation de la XCI malgré leur homologie de séquence et leur localisation au sein d’un même noyau. De manière remarquable, ce processus implique le traitement différentiel de deux chromosomes homologues au sein d’un même noyau, avec des changements d’environnements nucléaires et chromatiniens entre le X actif et le X inactif. Il a été proposé que la localisation nucléaire pourrait jouer un rôle important dans l’initiation de l’expression monoallélique des gènes, non seulement pour l’initiation de la XCI mais aussi pour des processus tels que l’exclusion allélique dans les cellules lymphoides. Par exemple, l’association de loci avec des compartiments hétérochromatiques nucléaires et l’association en trans de loci homologues pourraient être impliquées dans la régulation des gènes monoalléliques. Ainsi, j’ai utilisé le système bactérien TetR/TetO afin d’analyser le rôle de l’organisation nucléaire du chromosome X et du Xic dans l’initiation de la XCI. J’ai pu montrer que si le recrutement des protéines de fusion TetR-LaminB1 ou -Cbx5 au niveau de la cassette TetO insérée dans le Xic permet la répression des gènes à proximité, cet évènement n’est pas toujours accompagné d’une relocalisation nucléaire. De plus, l’association forcée du Xic avec la périphérie nucléaire (TetR-LaminB1) n’a pas d’influence sur le choix du chromosome X à inactiver. Enfin, si la relocalisation des deux Xic à la périphérie nucléaire induit une réduction des évènements d’association en trans entre les deux loci, elle n’a pas d’effet sur l’initiation de l’inactivation. En résumé, ces résultats suggèrent que l’organisation nucléaire du chromosome X et du Xic et l’association des Xic en trans ne sont pas des facteurs déterministes pour le choix et l’initiation de la XCI, mais pourraient être le résultat des changements d’expression des gènes liés à l’X au cours de la différenciation des cellules souches ainsi que de l’augmentation de l’expression de Xist.Enfin, j’ai également analysé le rôle de la protéine CTCF, qui a été proposée pour être importante dans l’organisation structurale du génome, dans le contexte du Xic et de l’initiation de l’inactivation. Ainsi, le recrutement de CTCF au niveau de cassette TetO insérée dans le Xic induit localement une réduction mineure des interactions en cis et la répression des gènes du Xic, à l’exception de Xist dont l’expression est augmentée. Pour autant, la présence ectopique de CTCF n’a pas d’incidence majeure sur l’organisation générale du Xic. / X-chromosome inactivation (XCI) ensures dosage compensation in female mammals. Random XCI is established in the epiblast of female mouse embryos and can be recapitulated in vitro in differentiating embryonic stem cells (ESCs). The major regulator of XCI is the long non-coding RNA Xist, which is expressed from the X-inactivation center (Xic), covers the chromosome in cis and initiates gene silencing. During XCI, the two X chromosomes are treated very differently, despite their homology and the fact that they reside in the same nucleus. Nuclear localization has been hypothesized to play a role in monoallelic gene regulation, not only during XCI but also in other contexts. For example, association with heterochromatin and homologous trans interactions (“pairing”) have been implicated in the establishment of monoallelic gene expression in lymphoid cells and transient pairing has been suggested to participate in symmetry breaking during random XCI. Using the bacterial tetO/tetR system to alter the subnuclear localization and environment of one or both Xics, we have tested the function of subnuclear localization and trans interactions between the Xic loci during initiation of XCI. Using stable expression and reversible binding of TetR fusion proteins (e.g. LaminB1, Cbx5) we show that binding of these proteins can induce local gene repression and chromatin changes, although this is not always associated with subnuclear relocalization. We further show that the forced association of the Xic with the nuclear envelope, does not impact on the choice-making process during XCI. In particular, tethering both Xics to the nuclear lamina during early ESC differentiation resulted in a substantial reduction of homologous pairing events, but had no obvious impact on the onset of random, monoallelic Xist expression. Taken together, our results suggest that nuclear localization and trans interactions of the Xic may be downstream events rather than causal in the regulation of the XCI process.Furthermore, we recruited CTCF, a protein suggested to be involved in structural organization of the genome, to the Xic using the tetO/tetR system. Upon binding of CTCF the overall structure of the Xic remained unaltered though few cis interactions appeared to be weakened, which was accompanied by gene repression in the Xic. Surprisingly, the only upregulated gene in the Xic was Xist in ESCs and during differentiation, which demonstrates that the induced minor changes of cis interactions might impact on gene regulation in the Xic.

Dosage compensation is a mechanism that equalizes the expression of X-linked genes in those organisms in which males and females differ in the number of X chromosomes. In Drosophila melanogaster, dosage compensation is achieved by up-regulating the transcription of the single male X chromosome. This effect is mediated by a chromatin remodeling complex known as the Male Specific Lethal (MSL) complex or Dosage Compensation Complex (DCC). In female flies, dosage compensation is inhibited primarily because of the translational repression of the mRNA encoding one of the DCC subunits, MSL-2, by the female-specific RNA binding protein Sex-lethal (SXL). To inhibit translation, SXL binds to poly(U) stretches present in both the 5’ and 3’ UTRs of msl-2 mRNA. Sequences adjacent to those SXL-binding sites in the 3´UTR are also required for translation inhibition and are bound by co-repression. In this thesis work, we have designed an affinity chromatography assay to isolate the putative co-repressor(s), and have identified the protein Upstream of N-ras (UNR). Drosophila UNR (dUNR) is an ubiquitous, conserved protein that contains 5 cold shock domains (CSD) and a glutamine- (Q) rich amino- terminal extension. We show that dUNR is a necessary co-factor for SXL-mediated msl-2 repression. SXL recruits dUNR to the 3’ UTR of msl-2 mRNA, imparting a sex-specific function to this ubiquitous protein. Domain mapping experiments indicate that dUNR interacts with SXL and msl-2 mRNA through CSD1, and that the domains for translation inhibition and SXL interaction can be distinguished. Our data indicate that the Q-rich domain, together with CSDs 1 and 2, plays an important role in translational repression, and suggest that factors in addition to dUNR and SXL are required for repression of msl-2 mRNA. Using a combination of UNR immunoprecipitation and microarray analysis, we have identified the mRNAs that are bound to dUNR in male and female flies. Our results suggest that dUNR is not only a novel regulator of dosage compensation, but also a general post-transcriptional regulator of gene expression.

Condensine sind essentiell für die Faltung von Chromatin und wurden auch mit der Transkriptionsregulation in Verbindung gebracht. Der zugrunde liegende Mechanismus für die Transkriptionsregulation ist jedoch unklar. Condensin DC in C. elegans ist ein gutes Modell zur Erforschung der Transkriptionsregulation durch Condensine, da es spezifisch für die Dosiskompensation der Gene auf dem X Chromosom benutzt wird. Condensin DC bindet an beide X Chromosome in C. elegans Hermaphroditen und reduziert deren Transkription um die Hälfte. In meiner Dissertation habe ich untersucht, welche Rolle ein dynamisches Binden von Condensin DC an Chromatin spielt und wie dies die Transkription während der Embryogenese reguliert. Condensine binden dynamisch an Chromatin, um es zu komprimieren und durch Bildung von Schlaufen die Transkription zu regulieren. Mit Hilfe von „fluorescence recovery after photobleaching“ (FRAP) habe ich in adulten Darmzellen von C. elegans untersucht, welche Faktoren das dynamische Binden von Condensin DC an die X Chromosomen beeinflussen. Meine Daten zeigen, dass sowohl die ATPase-Domäne von Condensin DC, als auch eine nicht-katalytische Aktivität einer Histon-Demethylase die Bindedynamik von Condensin DC beeinflussen und damit Transkription regulieren. Zusätzlich habe ich mit einem Mikroskopieansatz, der auf dem Nachweis von einzelnen RNA Molekülen beruht (smFISH), die Transkription von mehreren Genen untersucht, die durch Condensin DC während der Embryonalentwicklung reguliert werden. Die aus diesen Daten ermittelten Transkriptionskinetiken deuten darauf hin, dass Condensin DC vorrangig die Häufigkeit der Transkriptionsinitiation reguliert. Zusammenfassend liefert meine Forschung neue Einblicke in die Transkriptionsregulation durch Condensine und kann als Basis für detailliertere, mechanistische Studien der Rolle von Condensinen in der Transkriptionsregulation in C. elegans und auch in anderen Organismen dienen. / Condensins are essential for chromosome compaction and have been implicated in transcription regulation. The mechanistic foundation of this regulatory function is poorly understood. A clear paradigm to address this question is the X-specific condensin DC in C. elegans, which specifically binds to and transcriptionally represses X chromosomes in XX hermaphrodites by 2-fold. In my thesis, I studied condensin DC binding dynamics to the X chromosome and how condensin DC affects transcription kinetics in single embryos. The binding of condensins to chromatin has been described in recent microscopy-based studies as dynamic in processes including loop formation, chromatin compaction and transcription regulation. To study the dynamics of condensin DC binding, I established fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) in C. elegans adult intestinal cells. With this method, I studied how the ATPase domain and different histone modifiers regulate the dynamic binding of condensin DC. I found that the ATPase domain is critical for binding of the complex and that the noncatalytic activity of a histone demethylase increases the dynamics of condensin DC binding, which is crucial for its role in transcription regulation. To further study the mechanism of condensin DC in transcription regulation, I used an imaging approach based on widefield single-molecule RNA fluorescence in situ hybridization (smFISH). I obtained thousands of smFISH images for a set of condensin DC-regulated genes and extracted mature and nascent RNA counts in 3D, which I used to determine transcription burst characteristics throughout embryonic development. My data show that condensin DC regulates the frequency of transcription initiation to down-regulate X-chromosomal genes. Taken together, my results provide new insight into condensin-mediated transcription regulation, which can be used to inform future studies on the mechanism of condensins in transcription regulation in C. elegans and other organisms.

Malgré leur importance dans le déterminisme du sexe chez de nombreux organismes, les chromosomes sexuels ont été étudiés chez quelques espèces seulement du fait du manque de séquences disponibles. En effet, le séquençage et l'assemblage des chromosomes sexuels est rendu très difficile par leurs abondantes séquences répétées. Durant cette thèse, une méthode probabiliste a été développée pour inférer les gènes liés au sexe à partir de données RNA-seq chez une famille. Des tests de cette méthode appelée SEX-DETector sur des données réelles et simulées suggèrent qu'elle fonctionnera sur une grande variété de systèmes. La méthode a inféré ∼1300 gènes liés au sexe chez Silene latifolia, une plante dioïque qui possède des chromosomes sexuels XY pour lesquels quelques données de séquence sont disponibles (dont certaines obtenues lors de cette thèse par séquençage de BACs). Les gènes du Y sont moins exprimés que ceux du X chez S. latifolia, mais le statut de la compensation de dosage (un mécanisme qui corrige la sous-expression des gènes liés au sexe chez les males) est encore controversé. L'analyse des nouveaux gènes liés au sexe inférés par SEX-DETector a permis de confirmer la compensation de dosage chez S. latifolia, qui est effectuée par la surexpression du X maternel, possiblement via un mécanisme epigénétique d'empreinte. Les données ont également été utilisées pour étudier l'évolution de l'expression biaisée pour le sexe chez S. latifolia et ont révélé que la majorité des changements de niveaux d'expression ont eu lieu chez les femelles. Les implications de nos résultats concernant l'évolution de la dioécie et des chromosomes sexuels sont discutés / In many organisms, sexes are determined by sex chromosomes. However, studies have been greatly limited by the paucity of sex chromosome sequences. Indeed, sequencing and assembling sex chromosomes are very challenging due to the large quantity of repetitive DNA that these chromosomes comprise. In this PhD, a probabilistic method was developed to infer sex-linked genes from RNA-seq data of a family (parents and progeny of each sex). The method, called SEX-DETector, was tested on simulated and real data and should performwell on a wide variety of sex chomosome systems. This new method was applied to Silene latifolia, a dioecious plant with XY system, for which partial sequence data on sex chromosomes are available (some of which obtained during this PhD by BAC sequencing), SEX-DETector returned ∼1300 sex-linked genes. In S. latifolia, Y genes are less expressed than their X counterparts. Dosage compensation (a mechanism that corrects for reduced dosage due to Y degeneration in males) was previously tested in S. latifolia, but different studies returned conflicting results. The analysis of the new set of sex-linked genes confirmed the existence of dosage compensation in S. latifolia, which seems to be achieved by the hyperexpression of the maternal X chromosome in males. An imprinting mechanism might underlie dosage compensation in that species. The RNAseq datawere also used to study the evolution of differential expression among sexes in S. latifolia, and revealed that in this species most changes have affected the female sex. The implications of our results for the evolution of dioecy and sex chromosomes in plants are discussed

Theory predicts that sexually antagonistic mutations will be over- or under-represented on the X and Z chromosomes, depending on the average dominance coefficient of the mutations. However, as little is known about the dominance coefficients for new mutations, the effect of sexually antagonistic selection is difficult to predict. To elucidate the role of sexually antagonistic selection in the evolution of Z chromosome gene content in chicken, we analyzed publicly available microarray data from several somatic tissues as well as somatic and germ cells of the ovary. We found that the Z chromosome is enriched for genes showing preferential expression in ovarian somatic cells, but not for genes with preferential expression in primary oocytes or non-sex-specific somatic tissues. Our results suggest that sexual antagonism leads to higher abundance of female-benefit alleles on the Z chromosome. No bias towards Z-linkage of oocyte-enriched genes can be explained by lower intensity of sexually antagonistic selection in ovarian germ cells compared to ovarian somatic cells. An alternative explanation would be that meiotic Z chromosome inactivation hinders accumulation of oocyte-expressed genes on the Z chromosome. Our results are consistent with findings in mammals and indicate that recessive rather than dominant...

Parmi plus de 20000 espèces de trématodes hermaphrodites, les Schistosomatidae ont un statut particulier car ils sont gonochoriques (i.e. deux sexes séparés). Le gonochorisme chez ces espèces, et leur dimorphisme sexuel, seraient en fait une stratégie d’adaptation à leur habitat : le système veineux des vertébrés à sang chaud, dont l’Homme. Malgré un mode chromosomique de déterminisme du sexe (i.e. hétérogamétie femelle ZW), les individus mâles et femelles demeurent phénotypiquement identiques durant tous les stades larvaires de leur cycle de vie hétéroxène. La différenciation sexuelle n’a lieu qu’après l’infestation de leur hôte définitif. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux facteurs moléculaires déclenchant cette différenciation chez Schistosoma mansoni. Nous avons établi le profil d’expression sexe-dépendant de gènes conservés de la cascade de détermination/différenciation chez les animaux : les DMRT (Double-sex and Male-abnormal-3 Related Transcription Factors). Nous avons par ailleurs généré un transcriptome comparatif mâle/femelle (RNA-seq) sur 5 stades de développement in vivo, dont 3 stades « schistosomules » inédits. Cela nous a permis d’identifier de potentiels gènes « clés » de la différenciation sexuelle et de souligner l’importance de l’interaction hôte-parasite. Enfin, par la combinaison de cette approche transcriptomique et d’une analyse épigénomique (ChIP-seq), nous avons montré une dynamique de la compensation de dose génique au cours du cycle de vie chez les femelles ainsi que la mise en place d’une stratégie transcriptionnelle particulière chez les mâles, optimisant leur développement dans l’hôte et ainsi, leur succès reproducteur. / Parasitic flatworms include more than 20.000 species that are mainly hermaphrodites. Among them, the hundred species of Schistosomatidae are intriguing because they are gonochoric. The acquisition of gonochorism in these species is supposed to provide genetic and functional advantages to adapt to their hosts: warm-blooded animals. Sex of schistosomes is genetically determined at the time of fertilization (i.e. ZW female heterogametic system). However, there is no phenotypic dimorphism through all the larval stages of its complex lifecycle: sexual dimorphism appears only in the definitive host. The molecular mechanisms triggering this late sexual differentiation remain unclear, and this is precisely the topic of our present work. We performed transcriptomic (RNA-Sequencing and quantitative-PCRs) and structural (ChIP-Sequencing) analyses at different stages of Schistosoma mansoni development. Here, we present data suggesting that the sexual differentiation relies on a combination of genetic and epigenetic factors. In a genetic point of view, we show a sex-associated expression of the DMRT genes (Double-sex and Mab-3 Related Transcription Factors) that are known to be involved in sex determination/differentiation through all the animal kingdom. In addition, we propose new potential sex-determining key genes and a pivotal role of host-pathogen interaction at the time of development. In a structural point of view, we highlight a dynamic status of dosage compensation in females and chromatin modifications in males. This intense remodeling reveals a specific transcriptomic strategy which optimizes male development and beyond that, schistosomes reproductive success.