La conservation de la biodiversité génétique du cochon d’Inde (Cavia porcellus) est importante en tant qu’animal de consommation endémique de la région andine ainsi qu’en tant qu’animal modèle précieux pour la recherche biomédicale.L’objectif de ce travail était de mettre en place les protocoles qui permettront une conservation ex situ des ressources génétiques de cette espèce par la voie femelle. Les étapes nécessaires à la concrétisation d’un projet de cryobanque sont :- la maîtrise de la production d’embryons grâce à des traitements hormonaux de synchronisation du cycle œstral et de superovulation des femelles,- la cryoconservation dans l’azote liquide des embryons obtenus et leur transfert dans des femelles receveuses.Une méthode standardisée de synchronisation des chaleurs basée sur l’administration d’altrenogest per os pendant 15 jours a été définie. Les chaleurs des femelles donneuses et receveuses d’embryons apparaissent dans les 4 à 5 jours qui suivent l’arrêt du traitement de ce progestagène.Des traitements de superovulation basés sur 3 injections à 24 heures d’intervalle d’hMG, ou 6 injections à 12 heures d’intervalle de FSH-recombinante humaine, permettent une augmentation du taux d’ovulation de l’ordre de fois 3 à fois 4 par rapport à des femelles non-traitées. Toutefois les réponses au traitement restent variables et il faudra réitérer l’expérience sur de plus grands lots d’animaux afin d’ajuster les doses et les moments d’application.La méthode de congélation lente, utilisant l’éthylène glycol comme cryoprotecteur, a permis d’obtenir des taux de survie embryonnaire satisfaisants (70,3%). La méthode de vitrification a également donné de bons résultats, avec un taux de survie embryonnaire de 41,7%.Le premier transfert au monde d’embryons frais réalisé avec succès dans une femelle receveuse préalablement synchronisée a été obtenu lors de ce travail. Les transferts d’embryons décongelés n’ont pas encore donné lieu à des gestations. / The preservation of the guinea pig (Cavia porcellus) genetic biodiversity is important as a native source of protein for many highlanders in the Andean region and as a precious laboratory animal for biomedical research.The aim of this work was to establish the protocols that will enable an ex situ preservation of the genetic resources of this species by the female way.The necessary steps for the achievement of a cryobank project are:- the control of the embryo production thanks to hormonal treatments to synchronize the estrous cycles and to superovulate the females,- the cryopreservation in liquid nitrogen of the obtained embryos and their transfer into recipient females.A standard method for synchronization of heat periods based on the per os administration of altrenogest during 15 days has been defined. The heat periods of the females, donors and recipients of embryos, appears 4 to 5 days after the end of the progestagen treatment. Superovulation treatments, based on 3 injections at 24-hour intervals of hMG or 6 injections at 12-hour intervals of human recombinant-FSH, lead to an increase of the ovulation rate of about 3 to 4 times when compared to untreated females. However, the responses to the treatments remain variable and further studies involving a larger number of animals should be carried out in order to adjust the dose and the moment of application of the treatment.The slow-freezing method, using ethylene glycol as cryoprotectant, enables the attainment of a satisfactory in vitro embryo survival rate (70,3%). The vitrification method also gives good results, with a 41,7% in vitro embryo survival rate.The first successful transfer of fresh embryos into a synchronized recipient female has been achieved in this study. The transfers of frozen-thawed embryos did not yet lead to gestation.

Chez les cellules eucaryotes, la transcription est réalisée par les ARN polymérases I, II et III. L’ARN polymérase III (Pol III) transcrit des petits ARNs non codants tels que les ARNt, l’ARN U6, l’ARNr 5S et certains microARN. Il a été montré précédemment que l’augmentation de l’activité transcriptionnelle de la Pol III était associée à la transformation tumorale. Au sein du laboratoire, nous avons décrit une nouvelle sous–unité de la Pol III, RPC32α, qui met en évidence l’existence de deux isoformes de la Pol III humaine : la Pol IIIα et la Pol IIIβ. La sous-unité RPC32β, présente dans la Pol III, est exprimée de façon ubiquitaire et parait comme essentielle pour la croissance cellulaire. La sous-unité RPC32α n’est pas essentielle pour la survie cellulaire et son expression est limitée aux cellules souches non différenciées et aux cellules tumorales. De plus, l’expression ectopique de RPC32α induit la transformation tumorale des cellules fibroblastes IMR90 et change totalement l’expression de nombreux transcrits Pol III mais aussi d’autres ARNm impliqués dans la tumorogenèse (Haurie et al., 2010). Les travaux décrits dans ce manuscrit ont eu pour but de mieux caractériser et comprendre les deux isoformes de la Pol III humaine. Nous avons purifié les Pol IIIα et Pol IIIβ afin d’identifier tous les composants protéiques des deux isoformes du complexe. Au cours de cette étude nous avons observé que des modifications post-traductionnelles de RPC32α semblaient jouer un rôle déterminant dans la capacité oncogénique de la Pol IIIα. Pour comprendre par quel mécanisme moléculaire les Pol IIIα et Pol III pouvaient influencer l’expression de transcrits Pol II, notamment lors de la transformation cellulaire induite par l’expression de RPC32α, nous avons étudié cette régulation lors de la surexpression des deux sous unités paralogues. Ainsi, nous avons mené des analyses ciblées révélant la régulation de certains gènes impliqués dans le développement, la différenciation et la tumorogenèse. Nous avons également essayé de décrire les changements d'expression des gènes au niveau globale en utilisant la technologie des puces à ADN. Cette approche innovante et puissante nous a permis d’obtenir une vision d’ensemble des transcrits Pol II différentiellement régulés lors de la surexpression de RPC32α et RPC32β Nous avons pu apprécier l’impact de la Pol III pour le développement embryonnaire, la différenciation cellulaire, la survie de la cellule, la prolifération tumorale ou encore à la réponse immunitaire innée. Les résultats de cette étude qui demandent à être confirmés ouvrent des voies de recherches particulièrement intéressantes qui mériteront d’être approfondies dans le futur / Transcription in eukaryotic nuclei is carried out by DNA-dependent RNA polymerases I, II, and III. Human RNA polymerase III (Pol III) transcribes small untranslated RNAs that include tRNAs, 5S RNA, U6 RNA, and some microRNAs. Increased Pol III transcription has been reported to accompany or cause cell transformation. In the laboratory, we described a Pol III subunit (RPC32β) that led to the demonstration of two human Pol III isoforms (Pol IIIα and Pol IIIβ). RPC32β-containing Pol IIIβ is ubiquitously expressed and essential for growth of human cells. RPC32α-containing Pol IIIα is dispensable for cell survival, with expression being restricted to undifferentiated ES cells and to tumor cells. In this regard, and most importantly, ectopic expression of RPC32α in fibroblast IMR90 enhances cell transformation and dramatically changes the expression of several tumor-related mRNAs and that of a subset of Pol III RNAs. These results identify a human Pol III isoform and isoform-specific functions in the regulation of cell growth, the differentiation and transformation. (Haurie et al., 2010).The work described in this manuscript enables identification and understanding the function of the two human Pol III isoforms. Pol IIIα and Pol IIIβ are purified in order to describe all the protein components of the two Pol III complex. During this study, we observed that post-translated modifications of RPC32α seem to have a crucial function in oncogenic capacity of Pol IIIα. To understand how Pol IIIα and Pol IIIβ can affect Pol II RNA expression, in particular during cell transformation induced by RPC32α, we studied this regulation during the overexpression of the two paralogue subunits. We performed focused analysis, this study revealed the regulation of certain genes involved in the development, the differentiation and the tumorigenesis. We also tried to describe global gene expression modification using microarray technology. This new and powerful approach enables to obtain a global view on mRNA regulation by overexpression of RPC32α and RPC32β. We observed the effect of Pol III on embryo development, cell differentiation, cell survival, tumor proliferation and on innate immune response. The results of this study need further confirmation pave the way for interesting projects which are worth going into detail for the future.

Chez l’Homme, les succès de la fécondation et d’un développement embryonnaire aboutissant à la naissance d’un enfant en bonne santé résident principalement dans la qualité des cellules reproductrices. Les dommages oxydants de l’ADN spermatique sont une cause majeure d’infertilité masculine. Afin de permettre une prise en charge thérapeutique optimale et adaptée, j’ai tout d’abord mis au point et validé un test diagnostique de l’oxydation de l’ADN spermatique par immunodétection du 8-hydroxy-2'-desoxyguanosine (8-OHdG), adduit majeur de l'oxydation nucléaire. Ce travail de thèse a déterminé, pour la première fois, un seuil d’oxydation de l’ADN spermatique en relation avec les paramètres conventionnels spermatiques. Dans un second temps, je me suis focalisée sur les atteintes de la chromatine et de l’ADN spermatique les plus fréquentes en cas d’infertilité masculine, à savoir les anomalies de condensation de la chromatine, la fragmentation et l’oxydation de l’ADN spermatique. Une corrélation entre l’oxydation de l’ADN, tout particulièrement la moyenne d’intensité de fluorescence, et le pourcentage de spermatozoïde fragmenté a été mise en évidence. Pour objectiver l’impact de ces dommages nucléaires spermatiques en pratique clinique, j’ai étudié, après cryopréservation, les effets bénéfiques d’une supplémentation en hypotaurine des milieux de sélection et de congélation/décongélation des échantillons. Une baisse de la cryocapacitation et du pourcentage de spermatozoïde fragmenté et décondensé ont été retrouvées ainsi qu’une amélioration de la vitalité et de la mobilité progressive spermatique. Enfin, comme le spermatozoïde a pour but ultime de participer à la genèse d’un nouvel individu, j’ai mis en évidence que la fragmentation et l’oxydation de l’ADN spermatique avaient un impact à des moments clés de la cinétique du développement embryonnaire précoce suite à une ICSI sans pour autant modifier l’obtention de blastocystes de bonne qualité. Ce travail de thèse a permis de mieux comprendre la physiopathologie de l’infertilité masculine et de mettre en évidence de nouveaux biomarqueurs spermatiques en lien avec un développement embryonnaire normal. / In humans, the success of fertilization and embryonic development leading to the birth of ahealthy child lies mainly in the quality of reproductive cells. Oxidative damage to sperm DNAis a major cause of male infertility. In order to provide optimal and appropriate therapeuticmanagement, I first developed and validated a diagnostic test for sperm DNA oxidation byimmunodetection of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine (8-OHdG), a major adduct of nuclearoxidation. This thesis work determined, for the first time, a threshold for the oxidation ofsperm DNA in relation to conventional sperm parameters. In a second step, I focused on themost common chromatin and sperm DNA disorders in male infertility, namely chromatincondensation anomalies, sperm DNA fragmentation and oxidation. A correlation betweenDNA oxidation, particularly the mean fluorescence intensity, and the percentage offragmented sperm was found. To objectify the impact of this nuclear sperm damage inclinical practice, I studied, after cryopreservation, the beneficial effects of hypotaurinesupplementation to the selection and freeze/thaw media of seed samples. A decrease incryocapacitation and the percentage of fragmented and decondensed sperm has beenfound, as well as an improvement in sperm vitality and progressive mobility. Finally, sincethe ultimate goal of the sperm cells is to participate in the genesis of a new individual, I haveshown that the fragmentation and oxidation of sperm DNA has an impact at key moments inthe kinetics of early embryonic development following ICSI without modifying the obtainingof good quality blastocysts. This thesis work has led to a better understanding of thepathophysiology of male infertility and the identification of new sperm biomarkers related tonormal embryonic development.

Le séquençage du génome humain, il y a maintenant 12 ans, a mis en lumière la complexité des mécanismes des processus nucléaires tels que la transcription, la réplication ou l'organisation de la chromatine. Depuis, afin de mieux comprendre ces processus, un ensemble sans cesse croissant de données sur le noyau cellulaire a été produit et mis en ligne par un nombre important de laboratoires de par le monde. Ces données sont à la fois d'une richesse extraordinaire et d'une complexité embarrassante. Dans cette thèse, nous mettons à profit l'ensemble de ces données afin de mieux comprendre les déterminants nucléaires du programme spatio-temporel de réplication. Pour cela nous utilisons pas moins d'une centaine de profils épigénétiques ChiP-seq le long des chromosomes humains et dans diverses lignées cellulaires pour caractériser la structure primaire de la chromatine. Nous démontrons, à l'aide d'outils issus des statistiques multivariées, que l'immense complexité potentielle de ces jeux de données peut être réduite à quatre états chromatiniens principaux et ce dans toutes les lignées cellulaires somatiques étudiées. Cette classification simple, robuste et néanmoins complète est un excellent point d'appui pour l'étude de la réplication. Les quatre états principaux de chromatine sont répliqués à des moments distinct de la phase S (leur « timing » de réplication est différent) et ont un contenu en gènes drastiquement différents. Leur répartition spatiale le long du génome est structurée et est particulièrement visible dans les domaines où le « timing » de réplication dessine un U comme signature de l'existence d'un gradient de polarité des fourches de réplication. Ces U-domaines de la taille du Mpb recouvrent 50% du génome humain et les quatre états chromatiniens principaux se succèdent du bord au centre de ces U-domaines. Les mêmes techniques statistiques appliquées au cas d'une lignée embryonnaire révèlent aussi l'existence de quatre états principaux de chromatine mais de nature différente. La classification en quatre états s'avèrent alors très utile pour comparer l'épigénétique d'une lignée somatique à celle d'une lignée embryonnaire. Aussi, les spécificités du programme de réplication embryonnaire sont mises en rapport avec les spécificités de l'organisation de la chromatine dans cette lignée cellulaire. En particulier, notre étude révèle le rôle majeur de l'histone variant H2AZ dans la pluripotence. / The sequencing of the human genome, twelve years ago, revealed the complexity of the mechanisms underlying nuclear process such as transcription, replication and chromatin organization. In the past few years, to delineate better these processes, datasets on the cell nucleus were gathered and made available online by numerous laboratories around the world. These datasets are, at once, extraordinarily rich and daunting to handle. In this thesis, we take advantage of these datasets to understand better the nuclear determinants of the replication program. We analyze not less than a hundred ChiP-seq profiles along human chromosomes in several cell lines to characterize the primary structure of chromatin. We demonstrate, when using tools from multivariate statistics, that the immense potential complexity of these datasets can be reduced to four prevalent chromatin states in all studied somatic cell lines. This simple and comprehensive classification is an excellent starting point for the study of replication. The four prevalent chromatin states are replicated at different moments of the S-phase (they have a different replication “timing”) and have drasticaly different gene contents. Their spatial repartition along the genome is structured, especially in domains where the timing replication is U-shaped. These megabase sized U-domains cover 50% of the human genome and the four prevalent chromatin states succeed each other from their borders to their center. The same statistical techniques applied on an embryonic stem cell (ESC) also reduced the epigenetic complexity to four prevalent chromatin states which are qualitatively different from the ones in somatic cells. We further show that the specificities of embryonic replication program are link to the specificities of embryonic chromatin. Importantly, our study reveals that the histone variant H2AZ plays a major role in pluripotency.

L’implantation embryonnaire repose sur une synchronisation spatio-temporelle entre un placenta fonctionnel et un endomètre réceptif. La réceptivité endométriale requiert la différenciation des cellules stromales en cellules déciduales sous l’effet des hormones ovariennes (œstrogènes et progestérone). Le placenta est un organe transitoire constitué de deux types cellulaires. Le cytotrophoblaste villeux est responsable des échanges fœtaux maternels et de la fonction endocrine du placenta. Le cytotrophoblaste extravilleux présente des propriétés invasives et assure ainsi l’ancrage du placenta dans l’endomètre maternel. Un dialogue paracrine complexe entre les cellules placentaires et endométriales s’établit au cours des premières étapes de l’implantation.L’adiponectine est une adipokine produite majoritairement par le tissu adipeux. Elle contrôle le métabolisme glucido-lipidique et joue le rôle d’hormone insulino-sensibilisatrice. Dans de nombreux tissus, l’adiponectine exerce des effets anti-prolifératifs, pro-invasifs et pro-différenciants. L’adiponectine et ses récepteurs ADIPOR1 et ADIPOR2 sont présents à l’interface fœto-maternelle. Le placenta et l’endomètre sont donc des tissus cibles de l’adiponectine.Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés aux effets directs de l’adiponectine à l’interface foeto-maternelle au cours du premier trimestre de grossesse.Dans une première partie, nous avons observé que l’adiponectine exerce des effets anti-différenciants et anti-invasifs dans les cellules stromales endométriales.Dans un second temps, nous avons démontré que l’adiponectine favorise la production de glycogène dans les cellules déciduales. Inversement, l’adiponectine semble limiter l’entrée du glycogène dans les cellules placentaires. Ces résultats démontrent que l’adiponectine pourrait contrôler la nutrition histiotrophe du foetus.Dans une dernière partie, nous avons observé que l’adiponectine diminue l’expression des transporteurs de nutriments et exerce une action pro-apoptotique dans le trophoblaste villeux. Ces derniers résultats pourraient permettre de mieux comprendre le rôle de l’adiponectine dans les pathologies placentaires telles que le retard de croissance intra-utérin qui se caractérise par une diminution du poids foetal et une augmentation de l’apoptose des cellules trophoblastiques.L’ensemble de ces résultats montre que l’adiponectine est un acteur clé du dialogue foeto-maternel au cours de la grossesse précoce en contrôlant la maturation d’un endomètre fonctionnel et en régulant les échanges nutritifs transplacentaires. / Embryo implantation requires a spatiotemporal synchronization between a functional placenta and a receptive endometrium. Endometrium receptivity based on the differentiation of stromal cells into decidual cells, under the influence of ovarian hormones (estrogens and progesterone). The placenta is a transient organ composed of two cell types. Villous trophoblast ensures fetal-maternal exchanges and the endocrine functions. Extravillous trophoblast acquire an invasive phenotype resulting in the placenta anchoring in the endometrium. Then, a complexe paracrine dialog between placental cells and endometrial cells is established during the first stages of the embryo implantation.Adiponectin is an adipokine predominantly produced by the adipose tissue. This cytokine has an important role in the control of energy metabolism and displays an insulin-sensitizing action. In some cell types, adiponectin limits proliferation, but promotes invasion and differentiation. Adiponectin and its receptors ADIPOR1 and ADIPOR2, are expressed at the fetal-maternal interface. Thus, endometrium and placenta are adiponectin targets.In this work, we aimed to determine adiponectin direct effects at the human fetal maternal interface during the first trimester of pregnancy.In a first part, we observed that adiponectin limits differentiation and invasion in endometrial stromal cells.In a second part, we showed that adiponectin promotes glycogen production by decidual cells. Conversely, adiponectin seems to limit glycogen uptake by placental cells. These results demonstrate that adiponectin could regulate histiotrophic nutrition to the fetus.In a last part, we demonstrated that adiponectin down-regulates the expression of nutrient transporters and promotes apoptosis in villous trophoblast. These last results could help to better understand the adiponectin roles in some placental pathologies, as intrauterine growth restriction, characterized by a decreased fetal weight and a enhanced trophoblastic apoptosis. Altogether, these results demonstrate that adiponectin is a key regulator of the fetal-maternal dialog by controlling the differentiation of a functional endometrium and by regulating transplacental nutrient exchanges.

La présence de taureaux sub-fertiles sur le marché de l’Insémination Animale (IA) influence négativement l’efficacité des élevages. L’évaluation de la fertilité des taureaux, basée sur l’analyse combinée de marqueurs génétiques, morphologiques, cinétiques et métaboliques de la semence, n’est pas suffisante pour identifier les taureaux sub-fertiles avant leur entrée en production. Cela suggère l’implication d’autres facteurs, notamment d’origines épigénétiques. Parmi les marques épigénétiques, la méthylation de l’ADN tient une place essentielle : son remaniement est en effet indispensable aux processus fondamentaux que sont la différenciation des cellules germinales, la spermatogénèse et le développement embryonnaire précoce. Alors que chez l’Homme, de nombreuses études ont montré que des altérations des profils de méthylation spermatiques sont associées à la sub-fertilité, très peu de données existent chez le bovin. L’objectif de ce travail de thèse est la caractérisation du méthylome de la semence bovine et l’identification de nouveaux marqueurs fiables de la fertilité mâle à un stade précoce. Cette étude s’inscrit dans un large projet intitulé SeQuaMol (pour « Qualité Moléculaire de la Semence »), mis en place au sein d’un laboratoire commun entre l’INRA et la fédération ALLICE. La caractérisation du méthylome spermatique bovin a été réalisée en utilisant une approche multi-échelle (globale, pangénomique et séquence-spécifique). Les analyses ont permis de révéler l’hypométhylation très marquée du spermatozoïde bovin. L’hypométhylation affecte des gènes importants pour la différenciation de la lignée germinale, les fonctions spermatiques, ainsi que des séquences satellites. L’identification de biomarqueurs de la fertilité a été réalisée en utilisant une approche pangénomique (Reduced Representation Bisulfite Sequencing, RRBS). L’analyse a été effectuée sur une cohorte de 94 taureaux, dont les individus de races Holstein et Montbéliard ont été catégorisés en fonction de l’adéquation entre un indicateur génétique de la fertilité et leur fertilité réelle. Le dispositif inclus également des taureaux de 4 autres races pour obtenir une estimation de la variabilité épigénétique liée à la race. Cette analyse a nécessité l’optimisation et l’automatisation du protocole pour la préparation des banques RRBS à haut-débit, ainsi que la mise au point de l’ensemble de la procédure de traitement bio-informatique et statistique des données. Plusieurs milliers de biomarqueurs de la fertilité ont été identifiés et permettent de prédire de façon robuste le statut de fertilité. De plus, une démarche d’intégration des données de génotype et d’épigénotype a été amorcée, soulignant les interactions potentielles en ces strates d’informations. Enfin, nous avons mis en évidence l’influence de l’âge à la production de semence sur le méthylome. L’ensemble de ces données souligne que les modifications du méthylome spermatique peuvent affecter des gènes impliqués dans les processus précoces et plus tardifs du développement, ainsi que quelques voies du fonctionnement du spermatozoïde. L’ensemble des biomarqueurs identifiés serviront de base à la poursuite du projet SeQuaMol, dont l’aboutissement sera le développement d’outils technologiques et statistiques pouvant être utilisés en routine pour améliorer la prédiction de la fertilité mâle. / The presence of subfertile bulls in the market of Animal Insemination negatively influences the efficacy of breeding farms. The evaluation of bull fertility, based on the combined analysis of genetic, morphological, kinetic and metabolic markers of the semen, is not sufficient to identify subfertile bulls before entering semen production. It suggests the implication of other factors, especially epigenetic ones. Within the epigenetic markers, DNA methylation holds a crucial position: indeed, its reprogramming is indispensable to the fundamental processes that are germinal cell differentiation, spermatogenesis and the embryonic development. Whereas several studies have showed that the alteration of spermatic methylation profiles are associated with subfertility in humans, only a little data exists concerning bovines. The aim of this thesis is the characterization of the methylome of bovine semen and the identification of new reliable markers of male fertility at an early stage. This study is part of a larger project called SeQuaMol (Molecular Quality of Semen) which rely on a common laboratory between INRA and the ALLICE federation. The characterization of the bovine sperm methylome was achieved by using a multiscale approach (global, pangenomic and sequencespecific). The analyses made it possible to observe the hypomethylation of the bovine semen. Hypomethylation affects genes that are crucial for the differentiation of the germline, spermatic functions, and also on satellite sequences.The identification fertility biomarkers was carried out by using a pangenomic approach (Reduced Representation Bisulfite Sequencing, RRBS). The analysis has been performed on a cohort of 94 bulls, including subjects of the Holstein race and Montbeliard race, categorized according to the adequacy between a genetic indicator of fertility and their actual fertility. The process also includes bulls from 4 other breeds in order to obtain an estimate of the genetic variability linked to the breed. This analysis has required the optimization and the automation of the protocol for the high throughput preparation of RRBS libraries, as well as the development of the whole bioinformatic pipeline and data statistics. Several thousands of biomarkers of fertility have been identified, which allow to predict in a robust way the fertility status. Furthermore, a process of integration of genotype and epigenotype data has been started, which underlines the potential interaction between these levels of information. Finally, we have highlighted the influence of the age of semen production on the methylome. Altogether, theses data suggest that modifications of the semen methylome can affect genes that are involved in the process of early and late embryo development, and parts of the functioning of the sperm cell. The biomarkers identified will form a basis for the pursuit of the SeQuaMol project, of which the completion will be the development of technological and statistical tools that may be used routinely to improve male’s fertility prediction.

A fundamental goal in neurobiology is to understand the development and organization of neural circuits that drive behavior. In the embryonic spinal cord, the first motor activity is a slow coiling of the trunk that is sensory-independent and therefore appears to be centrally driven. Embryos later become responsive to sensory stimuli and eventually locomote, behaviors that are shaped by the integration of central patterns and sensory feedback. In this thesis I used a simple vertebrate model, the zebrafish, to investigate in three manners how developing spinal networks control these earliest locomotor behaviors. For the first part of this thesis, I characterized the rapid transition of the spinal cord from a purely electrical circuit to a hybrid network that relies on both chemical and electrical synapses. Using genetics, lesions and pharmacology we identified a transient embryonic behavior preceding swimming, termed double coiling. I used electrophysiology to reveal that spinal motoneurons had glutamate-dependent activity patterns that correlated with double coiling as did a population of descending ipsilateral glutamatergic interneurons that also innervated motoneurons at this time. This work (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggests that double coiling is a discrete step in the transition of the motor network from an electrically coupled circuit that can only produce simple coils to a spinal network driven by descending chemical neurotransmission that can generate more complex behaviors. In the second part of my thesis, I studied how spinal networks filter sensory information during self-generated movement. In the zebrafish embryo, mechanosensitive sensory neurons fire in response to light touch and excite downstream commissural glutamatergic interneurons to produce a flexion response, but spontaneous coiling does not trigger this reflex. I performed electrophysiological recordings to show that these interneurons received glycinergic inputs during spontaneous fictive coiling that prevented them from firing action potentials. Glycinergic inhibition specifically of these interneurons and not other spinal neurons was due to the expression of a unique glycine receptor subtype that enhanced the inhibitory current. This work (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggests that glycinergic signaling onto sensory interneurons acts as a corollary discharge signal for reflex inhibition during movement. v In the final part of my thesis I describe work begun during my masters and completed during my doctoral degree studying how homeostatic plasticity is expressed in vivo at central synapses following chronic changes in network activity. I performed whole-cell recordings from spinal motoneurons to show that excitatory synaptic strength scaled up in response to decreased network activity, in accordance with previous in vitro studies. At the network level, I showed that homeostatic plasticity mechanisms were not necessary to maintain the timing of spinal circuits driving behavior, which appeared to be hardwired in the developing zebrafish. This study (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) provided for the first time important in vivo results showing that synaptic patterning is less plastic than synaptic strength during development in the intact animal. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute widely to our understanding of the neural circuits underlying simple motor behaviors in the vertebrate spinal cord. / Un objectif important en neurobiologie est de comprendre le développement et l'organisation des circuits neuronaux qui entrainent les comportements. Chez l'embryon, la première activité motrice est une lente contraction spontanée qui est entrainée par l'activité intrinsèque des circuits spinaux. Ensuite, les embryons deviennent sensibles aux stimulations sensorielles et ils peuvent éventuellement nager, comportements qui sont façonnées par l'intégration de l'activité intrinsèque et le rétrocontrôle sensoriel. Pour cette thèse, j'ai utilisé un modèle vertébré simple, le poisson zèbre, afin d'étudier en trois temps comment les réseaux spinaux se développent et contrôlent les comportements locomoteurs embryonnaires. Pour la première partie de cette thèse j'ai caractérisé la transition rapide de la moelle épinière d'un circuit entièrement électrique à un réseau hybride qui utilise à la fois des synapses chimiques et électriques. Nos expériences ont révélé un comportement embryonnaire transitoire qui précède la natation et qu'on appelle « double coiling ». J'ai démontré que les motoneurones spinaux présentaient une activité dépendante du glutamate corrélée avec le « double coiling » comme l'a fait une population d'interneurones glutamatergiques ipsilatéraux qui innervent les motoneurones à cet âge. Ce travail (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggère que le « double coiling » est une étape distincte dans la transition du réseau moteur à partir d'un circuit électrique très simple à un réseau spinal entrainé par la neurotransmission chimique pour générer des comportements plus complexes. Pour la seconde partie de ma thèse, j'ai étudié comment les réseaux spinaux filtrent l'information sensorielle de mouvements auto-générés. Chez l'embryon, les neurones sensoriels mécanosensibles sont activés par un léger toucher et ils excitent en aval des interneurones sensoriels pour produire une réponse de flexion. Par contre, les contractions spontanées ne déclenchent pas ce réflexe même si les neurones sensoriels sont toujours activés. J'ai démontré que les interneurones sensoriels reçoivent des entrées glycinergiques pendant les contractions spontanées fictives qui les empêchaient de générer des potentiels d'action. L'inhibition glycinergique de ces interneurones, mais pas des autres neurones spinaux, est due à l'expression d'un sous-type de récepteur glycinergique unique qui augmente iii le courant inhibiteur. Ce travail (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggère que la signalisation glycinergique chez les interneurones sensoriels agit comme un signal de décharge corolaire pour l'inhibition des réflexes pendant les mouvements auto- générés. Dans la dernière partie de ma thèse, je décris le travail commencé à la maîtrise et terminé au doctorat qui montre comment la plasticité homéostatique est exprimée in vivo aux synapses centrales à la suite des changements chroniques de l'activité du réseau. J'ai démontré que l'efficacité synaptique excitatrice de neurones moteurs spinaux est augmentée à la suite d’une diminution de l'activité du réseau, en accord avec des études in vitro précédentes. Par contre, au niveau du réseau j'ai démontré que la plasticité homéostatique n'était pas nécessaire pour maintenir la rythmicité des circuits spinaux qui entrainent les comportements embryonnaires. Cette étude (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) a révélé pour la première fois que l'organisation du circuit est moins plastique que l'efficacité synaptique au cours du développement chez l'embryon. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à notre compréhension des circuits neuronaux de la moelle épinière qui sous-tendent les comportements moteurs simples de l'embryon.

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.

Ce travail porte sur différentes méthodes de détection de protéines par des anticorps (Acs) marqués par des boîtes quantiques (QD, « quantum dots »). La première partie de la thèse porte sur le développement et l'optimisation de méthodes de conjugaison d'Acs polyclonaux à des QDs. Une étude de 2007 avait démontré que les conjugués anticorps-quantum dots (Acs-QDs) commerciaux ne présentent que de très rares anticorps fonctionnels à leur surface [Pathak et al., 2007]. Nous avons donc : (i) développé des conditions de réduction ménagée des ponts disulfures des Acs en utilisant soit du dithiothreitol, soit du 2-mercapotethanolamine, (ii) purifié les fragments d'Acs fonctionnels grâce à une colonne d'affinité, (iii) conjugué ces fragments fonctionnels d'Acs aux QDs en utilisant l'agent de liaison amine-thiol SMCC et (iv) développé une méthode de purification des conjugués sur gel d'agarose afin d'éliminer les fragments d'Acs non conjugués et les QDs libres. Des tests en cytométrie en flux ont permis de déterminer l'efficacité des conjugués pour détecter l'expression de la molécule CD4 à la surface de lymphocytes T humains. Un marquage de CD4 réalisé avec des conjugués préparés selon notre méthode s'avère être cinq fois plus sensible qu'en utilisant des conjugués réalisés selon les recommandations commerciales. Une autre méthode de préparation des Acs pour la conjugaison aux QDs a été testée : l'ajout de groupements fonctionnels sulfhydriles sur des amines primaires grâce au N-succinimidyl S-acetylthioacetate (SATA). Cependant, cette méthode ne permet pas d'avoir un contrôle précis du nombre ni de l'emplacement des groupements fonctionnels sulfhydriles ainsi ajoutés. Les tests de conjugaison aux QDs qui ont été réalisés avec ces Acs-SH, en utilisant l'agent de liaison SMCC, a entraîné la formation d'agrégats de taille variable. Cette méthode a donc été abandonnée.La seconde partie de la thèse porte sur la démonstration de la faisabilité et l'optimisation d'un marquage de l'antigène carcino-embryonnaire (CEA, « carcinoembryonic antigen ») humain à la surface de lignées cellulaires murines avec un anticorps simple domaine (sdAb) anti-CEA biotinylé détecté grâce à des conjugués streptavidine-QDs commerciaux et analysé par cytométrie en flux. Ces sdAbs ont été biotinylés selon deux approches : (i) avec des agents de biotinylation chimique qui permettent d'ajouter une biotine sur les amines primaires (biotinylation in vitro) et (ii) par une enzyme lors de leur production par E. coli (biotinylation in vivo). La détection du CEA humain à la surface des 100 000 cellules (lignées cellulaires murine MC38 et MC38-CEA) par ces sdAbs biotinylés a été testée en cytométrie de flux puis comparée à celle obtenue par un anticorps monoclonal biotinylé in vitro. Les résultats ont démontré que les sdAbs biotinylés ont une sensibilité de détection similaire que la biotinylation soit réalisée in vitro ou in vivo. Par contre, la sensibilité de la détection du CEA est environ cinquante fois meilleure en utilisant des sdAbs biotinylés (0,6 fmol d'anticorps sont nécessaires pour détecter le CEA) qu'avec des anticorps monoclonaux biotinylés (33 fmol). / We have been working on different ways to detect proteins with antibodies (Abs) labeled by quantum dots (QDs). The first part of his work is to develop and optimize the conjugation of polyclonal antibodies to quantum dot. A study has reported that commercial antibody-quantum dots conjugates (Abs-QDs) present very few functional Ab fragments at the surface of the conjugate [Pathak et al., 2007]. We had: (i) developed an advanced procedure of antibody reduction using dithiothreitol (DTT) or 2-mercaptoethanolamine (2-MEA) (to prevent the loss of antibody functions), (ii) purified the active fragments by affinity purification on column, (iii) conjugated the active reduced antibody fragments to QDs using the amine-thiol crosslinker SMCC for SH coupling, and (iv) developed the purification of the conjugates on agarose gel to remove free QDs and unconjugated antibody fragments. Our conjugates present about a five times better ability to detect CD4 by flow cytometry on 500 000 isolated human lymphocyte T cells than those made after the commercial procedure. Another procedure for antibody preparation was addition of sulfhydryl groups on primary amines using N-succinimidyl S-acetylthioacetate (SATA). However this procedure presents some variable yield and the number and the localization of sulfhydryl groups added on antibody cannot be fully controlled. Thereby, the conjugation of these Abs-SH to QDs using SMCC chemistry leads to the creation of aggregates. This Ab preparation in preparation for conjugation to QDs was abandoned.The second part of our work focusses on testing and comparing the ability to detect carcinoembryonic antigen (CEA) by flow cytometry with anti-CEA single domain antibodies (sdAbs) labeled by QDs. The sdAbs were biotinylated by using two methods: (i) in vitro chemical biotinylation reagent which adds biotins on primary amines, and (ii) enzymatic in vivo biotinylation during their production in E. coli. These anti-CEA sdAb biotinylation methods were compared to in vitro biotinylated monoclonal Abs against CEA for their respective ability to detect human CEA on 100 000 mice cells (MC38 and MC38-CEA cell lines) using flow cytometry. The results show that the limit detection for biotinylated sdAbs is similar between in vitro and in vivo biotinylation. Furthermore the limit detection with biotinylated sdAb (0.6 fmol are required to detect CEA) is about fifty times better than with biotinylated monoclonal Abs (33 fmol).

L’immunologie de la reproduction englobe les principes de l’immunologie générale et les aspects spécifiques de la reproduction et du développement. Les Colony Stimulating Factors (CSFs) sont une illustration de l'application médicale de ce domaine. Dans la famille des CSFs, le Granulocyte-Colony Stimulating Factor (G-CSF) apparaît aujourd'hui comme une thérapie innovante dans divers cas d'échec de la reproduction, bien que ses cibles et ses effets ne soient pas encore clairement établis. Dans ce travail, à travers une revue sur les CSFs dans la reproduction, une étude consacrée aux gènes cibles du G-CSF dans l'endomètre humain, et une étude consacrée aux effets de la supplémentation systémique en G-CSF sur l’implantation embryonnaire murine, nous avons essayé d'approcher certains mécanismes d'action possibles pour cette cytokine. Dans les modèles murins fertiles et pro-abortifs, la supplémentation systémique en G-CSF, ciblant spécifiquement l’endomètre préimplantatoire, modifie les taux d’implantation embryonnaire. Dans l’endomètre humain, certaines dérégulations préimplantatoires de gènes cibles du G-CSF ont également été observées chez les patients infertiles. L'influence du G-CSF sur ces gènes cibles a été également illustrée dans un modèle ex-vivo de culture endométriale. Ces cibles dont l’expression est influencée par le G-CSF sont décrites comme des molécules clés dans le processus implantatoire, intervenant sur l’adhésion embryonnaire, la migration cellulaire, le remodelage des tissus et l'angiogenèse locale. Ces données suggèrent des possibilités de diagnostic préventif et pré-conceptionnel de certains échecs de reproduction, considérés jusqu’à maintenant comme idiopathiques, et de thérapies innovantes orientées, afin d’optimiser la réceptivité du biosenseur endométrial afin de permettre une implantation embryonnaire harmonieuse et une grossesse évolutive. / Reproductive Immunology involves general immunology principles and special aspects of reproduction and development. Colony Stimulating Factors (CSFs) are an illustration of the medical application of this domain. In the CSF family, Granulocyte-Colony Stimulating Factor (G-CSF) appears today as a promising therapy in various cases of reproductive failure although its targets and effects are not clearly established. In this work, through a review on CSFs in reproduction, a study dedicated to human endometrial targets of G-CSF, and a study dedicated to systemic G-CSF supplementation effects on murine embryo implantation, we tried to approach some possible mechanisms of action of this cytokine. In the considered non-abortive and abortion-prone murine models, the timed systemic G-CSF supplementation, targeting specifically the pre implantation endometrium, influenced the embryo implantation process. Some pre conceptual human endometrial dysregulations of G-CSF target genes were also observed in infertile patients. The endometrial influence of G-CSF on these target genes was also illustrated in an ex-vivo model. These molecules under G-CSF influence are described as critically involved in embryo implantation process, by influencing embryo adhesion, cell migration, tissue remodelling and angiogenesis. These data suggest possible pre-conceptual preventive diagnosis of such reproductive failures and future orientated therapies to optimise the endometrial biosensor and the further embryo implantation and ongoing pregnancy.