Les mitochondries, organites essentiels à la production d'énergie, possèdent leur propre matériel génétique : l'ADN mitochondrial (ADNmt). Chaque produit des gènes de I'ADNmt interagit avec des protéines codées par l'ADN nucléaire pour assurer la respiration mitochondriale. Dans le règne animal, I'ADNmt est transmis exclusivement de façon maternelle. La transmission maternelle permettrait d'éviter les conflits intergénomiques. Il existe un seul système mitochondrial qui transgresse singulièrement les lois de la transmission et de la génétique de I'ADNmt, il s'agit de la double transmission uniparentale [doubly uniparental inheritance (DUI)]. L'existence de la DUI a été démontrée chez sept familles de mollusques bivalves, dont les moules marines : Mytilidae; les palourdes marines : Veneridae, Solenidae et Donacidae et les moules d'eau douce : Unionidae, Margaritiferidae et Hyriidae. Les espèces possédant ce système atypique sont caractérisées par la présence de deux ADNmt distincts qui sont hérités de façon maternelle (ADNmt F) et paternelle (ADNmt M). Typiquement, les femelles sont homoplasmiques et contiennent uniquement I'ADNmt F tandis que les mâles sont hétéroplasmiques. Chez ces derniers, I'ADNmt F domine dans les tissus somatiques alors que la gonade contient presque exclusivement I'ADNmt M. Les divergences observées entre les ADNmt F et M chez les moules peuvent atteindre ~50% en acides aminés. Ce haut niveau de divergence observée entre les génomes M et F, coexistant à l'intérieur d'un même individu soulève de nombreuses questions d'ordre évolutives. La double transmission uniparentale représente, certes, un système atypique, mais les descriptions, les comparaisons et les analyses qu'elle permet contribuent à développer une image plus exacte de l'évolution non seulement au niveau de l'évolution de la DUI, mais aussi au niveau de l'évolution du génome mitochondrial dans son ensemble. L'objectif de la présente thèse est d'utiliser une approche comparative de données moléculaires pour mettre en évidence l'évolution des génomes mitochondriaux mâle et femelle du système de la double transmission uniparentale chez les moules unionoïdes. Chez ce groupe, la double transmission uniparentale semble évolutivement plus stable (aucun évènement de recombinaison ou de masculinisation n'a été recensé) et la divergence entre les ADNmt M et F est significativement plus élevée que chez les taxons marins. Le chapitre II est une revue de littérature sur le système de la double transmission uniparentale. Les observations qui ont menées à la découverte de la DUI y sont présentées de même que le modèle et les mécanismes de la DUI. Cette revue propose la DUI comme un système modèle qui pourrait permettre d'acquérir de nouvelles connaissances sur les interactions et la coadaptation des génomes nucléaires et mitochondriaux. L'objectif du chapitre III était de séquencer, d'annoter et de publier pour la toute première fois des génomes mâles complets d'Unionoïdés. Six nouveaux génomes mitochondriaux complets d'espèces d'Unionoïdés, soit le génome F et M de Venustaconcha ellipsiformis (Unionoida: Unionidae: Ambleminae: Lampsilini), Pyganodon grandis (Unionoida: Unionidae: Unioninae: Anodontini) et Quadrula quadrula (Unionoida: Unionidae: Ambleminae: Quadrulini) ont été séquencés avec succès et les caractéristiques génomiques propres à chaque lignée mâle ont été présentées et ont fourni un contexte pour les comparaisons des génomes mitochondriaux chez les lignées de bivalves possédant et ne possédant pas la DUI. La position basale des Unionoïdés à l'intérieur des autolamellibranches ainsi que la probable origine unique de la DUI suggère que la DUI serait apparue chez un ancêtre des autolamellibranches et aurait été subséquemment perdue chez plusieurs descendants. Les caractéristiques de la DUI observées chez les Unionoïdés s'approcheraient donc davantage de l'état ancestral de la DUI. Le chapitre IV est une étude phylogéographique du genre Pyganodon (Unionidae, Bivalvia) dans le nord-est de l'Amérique du Nord. Le genre Pyganodon a été choisi entre autres en raison de sa richesse taxonomique et de sa vaste répartition géographique dans le nord-est de l'Amérique du Nord. Cette analyse phylogéographique est basée sur l'étude du polymorphisme de gènes des ADNmt M et F ce qui a permis de comparer et confronter les signaux phylogénétiques rendus par les génomes M et F à l'intérieur de ce groupe. L'exploration de la distribution de la variation génétique entre et à l'intérieur des populations et des espèces de Pyganodon a permis de mettre en évidence la complexité du système, mais aussi de distinguer les processus démographiques des processus sélectifs. Ce chapitre renforce l'hypothèse de l'action de la sélection adaptative sur le génome mitochondrial mâle. Très tôt après la découverte du système du la DUI, un possible rôle de la sélection positive comme pression sélective majeure a été soupçonnée. Malgré l'accumulation de certains indices, un tel processus n'avait jamais été démontré. Dans le chapitre V de la présente thèse, en utilisant les données recueillies et cumulées dans le chapitre III soit l'ensemble des gènes mitochondriaux codants (sauf I'ATP8) de 29 espèces de mollusque bivalves de différentes familles, un test de sélection positive en maximum de vraisemblance a été effectué. Les résultats de ce test suggèrent que de nombreux sites d'acides aminés sont positivement sélectionnés sur le génome mâle des Unionoïdés. Quelques sites seraient également positivement sélectionnés dans I'ADNmt F des Unionoïdés et témoignent probablement de la coévolution cytonucléaire. Le test n'a pas mis en évidence de sélection positive dans les ADNmt M ni F de Mytilidés et confirment que les forces évolutives n'agissent pas de manière identique dans les différents groupes de bivalves possédant la DUI. Les résultats du test révèlent que des sites d'acides aminés seraient également positivement sélectionnés dans le troisième groupe de bivalves testé soit les Vénéridés. Toutefois, la concentration de ces sites sur certains gènes spécifiques de I'ADNmt F pourrait témoigner de l'action de la sélection positive suite à une réorganisation structurale du génome. Compte tenu du profond impact que peut avoir l'ensemble des résultats de ce chapitre sur notre compréhension actuelle des forces sélectives agissant sur le génome mitochondrial, la prudence est toutefois de mise dans leurs interprétations. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : ADN mitochondrial, génomique comparative, phylogéographie, sélection positive, double transmission uniparentale, bivalves

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Les systèmes sexuels et les mécanismes responsables de la détermination du sexe chez les animaux sont issus de stratégies diverses. Cette incroyable diversité se reflète notamment chez les bivalves, où autant les facteurs génétiques qu’environnementaux y jouent un rôle, avec des espèces utilisant divers modes de reproduction, tels que le gonochorisme ou l’hermaphroditisme simultané ou séquentiel. La découverte la plus notable est celle d’un système de déterminisme sexuel unique qui impliquerait les mitochondries. Spécifiquement, un système de transmission sexe-spécifique de l’ADN mitochondrial, connu sous le nom de DUI (« Double Uniparental Inheritance » ou double transmission uniparentale), serait lié au maintien du gonochorisme chez certaines espèces de bivalves. La DUI implique un ADN mitochondrial qui est transmis de façon maternelle (ADNmt F) aux femelles et aux mâles, et l’autre transmis de façon paternelle (ADNmt M) aux mâles seulement. Les ADNmt F et M chez les espèces à DUI sont caractérisés par des traits uniques, comme une modification du gène cox2, ou encore la présence de nouveaux gènes associés à chacun des génomes mitochondriaux (des gènes sexe-spécifiques) qui ont une fonction autre que la production d’énergie contrairement aux autres gènes mitochondriaux typiques. Le lien entre la DUI et la détermination du sexe étant encore flou, trois approches ont été proposées pour aider à le démystifier, chacune des approches constituant un chapitre de cette thèse. Les deux premiers chapitres se sont concentrés sur des espèces de moules d’eau douce de l’ordre des Unionida, où une corrélation entre gonochorisme et DUI et hermaphroditisme et SMI (« Strictly Maternally Inheritance » ou transmission strictement maternelle) a été décrite. La première approche consistait à produire une analyse transcriptomique comparative entre les gonades mâles et femelles de deux espèces à DUI gonochoriques, Venustaconcha ellipsiformis et Utterbackia peninsularis (famille Unionidae), pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la détermination du sexe et à la DUI chez ces bivalves. Cette étude a révélé 12 000 gènes orthologues, avec 2 583 gènes différentiellement exprimés chez les deux espèces, dont les gènes Sry, Dmrt1 et Foxl2 connus pour être des éléments clés dans la détermination du sexe chez les vertébrés et d’autres bivalves. Nos résultats ont aussi été comparés avec d’autres espèces à DUI, notamment avec la palourde marine Ruditapes philippinarum, pour identifier des éléments partagés entre des espèces éloignées qui pourraient être responsables de la régulation de la DUI. Globalement, ces résultats corroborent l'hypothèse selon laquelle un mécanisme d'ubiquitination modifié pourrait être responsable de la rétention de l'ADNmt paternel chez les bivalves mâles. Les analyses ont aussi révélé que la méthylation de l'ADN pourrait être impliquée dans la régulation de la DUI. Une deuxième analyse transcriptomique comparative a été réalisée afin de discerner les mécanismes sous-jacents à la détermination du sexe et à la DUI, mais cette fois-ci entre l’espèce à DUI gonochorique U. peninsularis et l’espèce proche parente à SMI hermaphrodite U. imbecillis. Cette étude a permis de supporter l’hypothèse d’une implication des mécanismes d’ubiquitination et de méthylation dans la régulation de la DUI, ainsi que de confirmer un rôle des gènes conservés liés à la détermination du sexe également chez les bivalves hermaphrodites. Nos résultats ont également révélé de nouveaux gènes candidats ayant des rôles potentiels dans la DUI, y compris des nucléases et des facteurs impliqués dans l’autophagie / mitophagie. Finalement, afin d’identifier des éléments génétiques mitochondriaux qui pourraient faire partie des mécanismes sous-jacents à la DUI et la détermination du sexe chez les bivalves, nous avons séquencé les ADNmt F et M complets de deux nouvelles espèces à DUI de deux familles de l’ordre des Venerida, Scrobicularia plana (famille Semelidae) et Limecola balthica (famille Tellinidae). En effet, la description complète des ADNmt chez les espèces à DUI a été effectuée chez plusieurs espèces de moules d’eau douce (ordre Unionoida), mais peu d’espèces l’ont été pour les ordres Mytilida et Venerida. Ces études sont essentielles pour retracer des signatures génétiques mitochondriales partagées par différentes espèces à DUI. Nos résultats ont révélé les plus grosses différences de taille (>10kb) et de divergence nucléotidique (jusqu’à 50% de divergence) entre les ADNmt M et F, parmi toutes les espèces à DUI. Ces différences de taille sont principalement dues à une immense insertion (>3.5kb) dans la séquence du gène cox2 du génome mitochondrial M, chez nos deux espèces, un trait précédemment décrit chez les moules d’eau douce. Le gène cox2 des mâles de S. plana est la plus longue séquence à travers le règne animal. Une autre fonctionnalité importante portés par les ADNmt F et M est la présence de nouveaux gènes spécifiques au sexe, comme reportée chez toutes les autres espèces à DUI jsuqu’à maintenant. Les résultats combinés de cette thèse soutiennent le partage de plusieurs éléments génétiques clés entre les espèces à DUI. De plus, un parallèle avec le système CMS (« Cytoplasmic Male Sterility » ou stérilité cytoplasmique mâle) chez les plantes, les seuls autres organismes possédant un déterminisme sexuel qui implique les mitochondries, est proposé pour expliquer le rôle de l’ADNmt dans la détermination du sexe chez les espèces de bivalves à DUI. / Sexual systems and sex determining mechanisms described among animals are extraordinarily diverses. This amazing diversity is present in bivalves where both environment and genetic factors occur, leading to, among others, gonochoric and simultaneous or sequential hermaphroditic species. The most impressive discovery is a sex-determining system that would involve mitochondria. Specifically, a unique mitochondrial DNA inheritance system, known as Doubly Uniparental Inheritance (DUI), would be related to the maintenance of gonochorism in some bivalve species. DUI involves two mitochondrial DNA lineages, one that is maternally transmitted (F mtDNA) to females and males, and the other that is transmitted paternally (M mtDNA) to males only. The F and M mtDNAs, in DUI species, are characterized by unique traits, such as a modification of the cox2 gene, or the presence of new genes associated with each of the mitochondrial genomes (sex-specific genes) that have a function other than energy production, unlike other typical mitochondrial genes. Since the link between DUI and sex determination is still unclear, three approaches have been proposed to help demystify it, with each of the approaches constituting a chapter of this thesis. The first two chapters focused on freshwater mussel species of the order Unionida, where a correlation between gonochorism and DUI and hermaphroditism and SMI (Strictly Maternally Inheritance) was described. The first approach was to produce a comparative transcriptomic analysis between the male and female gonads of two gonochoric DUI species; Venustaconcha ellipsiformis and Utterbackia peninsularis (Unionidae family), to better understand the mechanisms underlying sex determination and DUI in these bivalves. This study revealed 12,000 orthologous genes, with 2 583 genes differentially expressed in both species, including Sry, Dmrt1, and Foxl2 known to be key sex-determining genes in vertebrates and other bivalve species. Our results were also compared with other DUI species, including the marine clam Ruditapes philippinarum, to identify shared elements between distant species that may be responsible for DUI regulation. Overall, these results support the hypothesis that a modified ubiquitination mechanism may be responsible for the retention of paternal mtDNA in male bivalves. The analyzes also revealed that DNA methylation could be involved in DUI regulation. 7 A second comparative transcriptomic analysis was performed to discern the mechanisms underlying sex determination and DUI between the gonochoric DUI species, U. peninsularis, and the closely related SMI hermaphroditic species, U. imbecillis. This study supported the hypothesis of an involvement of ubiquitination and methylation mechanisms in DUI regulation, as well as confirmed a role of conserved genes related to sex determination in hermaphroditic bivalves. Our results also revealed novel candidate genes with potential roles in DUI, including nucleases and factors involved in autophagy / mitophagy mechanisms. Finally, to identify mitochondrial genetic elements that could be part of the mechanisms underlying DUI and sex determination in bivalves, we sequenced the complete F and M mtDNAs of two new DUI species, from two families of the order Venerida; Scrobicularia plana (Semelidae family) and Limecola balthica (Tellinidae family). The complete description of mtDNAs in DUI species has been carried out for several species of freshwater mussels (Unionoida order), but very few species have been described for the orders Mytilida and Venerida. Such studies are essential for tracing mitochondrial genetic signatures shared by different DUI species. Our results revealed the largest differences in size (>10kb) and nucleotide divergence (up to 50% divergence) between M and F mtDNAs, among all DUI species. These differences in size are mainly due to a huge insertion (> 3.5kb) in the cox2 gene of the M mtDNA from both species, a trait previously described in freshwater mussels. The cox2 gene in S. plana males represents the longest cox2 sequence across the animal kingdom. Another important feature of F and M mtDNAs is the presence of new sex-specific genes, as reported in all other DUI species so far. The combined results of this thesis support the sharing of several key genetic elements among DUI species. In addition, a parallel with the Cytoplasmic Male Sterility (CMS) system in plants, the only other organisms with a sex determination system that involves mitochondria, is proposed to explain the role of mtDNA in sex determination in DUI bivalve species.

Des modifications dans le gène codant pour la sous-unité II du cytochrome c oxydase du génome mâle (Mcox2) ont été recensées chez des espèces de bivalves présentant un mode unique de transmission mitochondriale nommé double transmission uniparentale (DUI). Dans la DUI, les mitochondries paternelles (et leur ADNmt mâle) ainsi que les mitochondries maternelles (et leur ADNmt femelle) sont transmises aux descendants mâles. Scrobicularia plana, une espèce de bivalves présentant ce modèle d'hérédité, possède une insertion importante d'environ 4,8 kb dans son gène Mcox2 qui ne change pas le cadre de lecture et qui est traduite en un polypeptide de 1 892 acides aminés, ce qui en fait la plus grande protéine COX2 connue à ce jour chez les métazoaires. L’objectif de cette étude était de caractériser l'évolution et la fonction potentielle de l'insertion dans Mcox2 chez S. plana par RT-PCR, tests immunologiques et analyses bio-informatiques. L'insertion est présente parmi les individus de différentes populations, contient des variations dans la longueur de sa séquence, est riche en zones de désordre intrinsèque et évolue sous sélection purificatrice. La longue insertion pourrait modifier la structure 3D du complexe IV de la chaîne de transport d'électrons (CTE), affectant sa fonction dans la phosphorylation oxydative (OXPHOS) ce qui pourrait expliquer les faibles taux d'OXPHOS observés dans les mitochondries mâles des bivalves à DUI. L'insertion pourrait également modifier le métabolisme mitochondrial mâle en interagissant avec d'autres complexes de la CTE et avec l'ATP synthase. Comme pour les autres modifications de Mcox2 chez les bivalves à DUI, un rôle potentiel dans la détermination du sexe peut être prédit pour MCOX2 chez S. plana. / Modifications in the cytochrome c oxidase subunit II gene of male-transmitted genome (Mcox2) have been found in some bivalve species that exhibit a unique mode of mitochondrial transmission named doubly uniparental inheritance (DUI). In DUI, paternal mitochondria (and their male mtDNA) as well as maternal mitochondria (and their female mtDNA) are transmitted to male offspring. Scrobicularia plana, a bivalve specie exhibiting this inheritance model possesses an important in-frame insertion of approximately 4,8 kb in its Mcox2 gene that is translated into a polypeptide of 1 892 amino acids making it the largest metazoan COX2 protein known to date. The aim of this study was to characterize the evolution and possible function of the Mcox2 insertion in S. plana through RT-PCRs, immunoassays, and bioinformatic analysis. The insertion is present amongst individuals from different populations, contains some variations in its sequence length, is rich in intrinsically disordered regions and evolves under purifying selection. The long insertion could modify the 3D structure of complex IV in the electron transport chain (ETC), impacting its function in oxidative phosphorylation (OXPHOS) which could explain low OXPHOS rates that were found in male mitochondria of DUI bivalves. The insertion could also alter male mitochondrial metabolism by interacting with other complexes of the ETC and with ATP synthase. As for other modifications of Mcox2 in DUI bivalves, a role in sex determination can also be predicted for MCOX2 in S.plana.