Photorhabdus luminescens est une entérobactérie retrouvée en symbiose avec les nématodes du genre Heterorhabditis. Dans les sols, ce complexe némato-bactérien est pathogène d’insectes ravageurs et est utilisé en contrôle biologique. Le nématode pénètre dans l’insecte et libère la bactérie dans l’hémolymphe. Photorhabdus va ensuite se multiplier et secréter divers facteurs de virulence comme des toxines. L’insecte meurt de septicémie puis le nématode et la bactérie vont se nourrir du cadavre. Une fois les ressources épuisées, le complexe némato-bactérien va se reformer et sortir du cadavre à la recherche d’une nouvelle cible. Plusieurs exemples d’hétérogénéité phénotypique ont été décrits chez cette bactérie amenant chacun à la présence de sous-populations dans une culture bactérienne. Cette hétérogénéité phénotypique peut-être causée par des mécanismes épigénétiques et plus précisément par la méthylation de l’ADN. Chez les entérobactéries, la méthyltransférase Dam est très conservée. Elle méthyle les adénines des sites GATC et est impliquée dans la réparation des erreurs lors de la réplication de l’ADN, la régulation du cycle cellulaire mais aussi la régulation de divers gènes. Cette méthyltransférase est en compétition avec certain régulateurs transcriptionnel. Selon qui de la méthyltransférase ou du régulateur se fixera en premier, le gène sera ou non exprimé donnant naissance à deux sous-populations. Cette thèse a pour objectif de mettre en évidence les rôles de la méthyltransférase Dam chez Photorhabdus luminescens. Dans un premier temps, j’ai montré que la surexpression de Dam (Dam+) amène une diminution de la mobilité et du pouvoir pathogène de la bactérie mais à l’inverse augmente sa capacité à former des biofilms. Une analyse transcriptomique (RNAseq) a montré des différentiels d’expression de certains gènes impliqués dans les phénotypes observés. En recombinant la souche de Photorhabdus Dam+ avec les nématodes hôtes, l’effet sur la pathogénicité a été augmenté en comparaison des résultats après injection de la bactérie seule. L’établissement de la symbiose némato-bactérienne avec cette souche Dam+ n’est pas significativement impacté par rapport à la souche sauvage. Enfin l’analyse du méthylome (détection de tous les sites méthylés sur le génome grâce à la technique SMRT) de Photorhabdus dans diverses phases de croissance nous a permis de déterminer que la méthylation par Dam semble être stable aux différents temps de la croissance bactérienne testés chez Photorhabdus. Le méthylome de la souche Dam+ a confirmé l’hypothèse que cette surexpression augmentait le taux de méthylation des sites GATC sur le génome. La comparaison combinée entre le RNAseq et les sites GATC différentiellement méthylés entre la souche contrôle et Dam+ a mis en évidence certains gènes candidats ressortant de ces deux analyses. En effet, certains gènes sont différentiellement exprimés dans les deux souches et ont un différentiel de méthylation au niveau de sites GATC dans leur région promotrice, l’étude détaillée de leur régulation par la méthylation fait maintenant partie des perspectives et permettront peut-être d’expliquer une partie des phénotypes observés chez Photorhabdus luminescens. / Photorhabdus luminescens is an Enterobacteriaceae found in soils in symbiosis with a nematode from the genus Heterorhabditis. This nemato-bacterial complex is highly pathogenic against insect pest crops and so used in biocontrol. The nematode enters into the insect and releases Photorhabdus in the hemolymph of the insect. Photorhabdus multiplies and produces diverse virulence factors as toxins. Insect die from septicemia and both nematodes and bacteria feed on the nutrients in the cadaver. Once nutrients are lacking, the nematodes and the bacteria reassociate and exit from the cadaver to find new insects to infect. Photorhabdus is switching between pathogenic and symbiotic state. This bacterium displays phenotypic heterogeneity as we observe subpopulations coexisting in a same bacterial culture. Phenotypic heterogeneity can be explained by epigenetic mechanisms such as DNA methylation. In Enterobacteriaceae, Dam methyltransferase is broadly distributed. It methylates the adenine of GATC sites. Dam is involved in post-replicative mismatch repair, cell-cycle regulation and also gene transcription regulation. This methyltransferase can be in competition with some transcriptional regulators. Depending on which will bind first on the promoter region, gene will be expressed or not, leading to the rise of two subpopulations. This thesis aims to understand roles of Dam in Photorhabdus luminescens. Overexpression of the methyltransferase leads to a decrease in motility and pathogenicity of Photorhabdus Dam+ strain whereas it increases biofilms formation. A transcriptomic analysis (RNAseq) revealed differential expression of genes involved in the observed phenotypes. Symbiosis establishment does not seem to be strongly impacted in Dam+ strain as the only difference observed when compared to the nematode associated with the control strain is the same as with bacteria alone (a delayed virulence). A methylome analysis was also done (screening of all methylated sites in the genome using SMRT sequencing) in several growth conditions which revealed that DNA methylation is stable over growth kinetics. Dam+ strain methylome analysis confirmed the hypothesis that Dam overexpression increases GATC methylation over the genome. Comparative analysis of methylome and RNAseq experiments between control and Dam+ strains highlighted several common genes. In fact, some genes are differentially expressed between both strains and also have GATC sites differentially methylated in their promoter region. Their transcription regulation by methylation is a future aim and may give some explanation for a part of the phenotypes observed in Photorhabdus luminescens.

Anticiper l’impact de fluctuations environnementales de nature climatique ou alimentaire est un enjeu crucial dans les systèmes de productions animales, et plus particulièrement sur la volaille. Cette influence de l’environnement sur les phénotypes passe en partie par des phénomènes épigénétiques, notamment la méthylation de l’ADN, et qui peuvent intervenir dans la régulation de l'expression des gènes. Ce sont des mécanismes qui n'affectent pas la séquence d'ADN mais qui peuvent être transmis par la mitose ou la méiose. Ces interactions entre épigénomes et expression des gènes sont de plus en plus étudiées dans les modèles animaux et chez les plantes. Cependant, les mécanismes de régulation de l'expression du génome par la méthylation de l’ADN sont assez peu connus chez les oiseaux. Ce travail de thèse repose sur deux dispositifs expérimentaux réalisés chez la poule, le but étant de caractériser le méthylome par séquençage haut-débit. Les profils de méthylation le long du génome, et le lien avec l’expression, sont établis d’abord par un séquençage tout-génome (WGBS) au sein d’embryons entiers, puis par un séquençage d'une sous-représentation du génome (RRBS) au sein d’hypothalamus d’individus adultes. À ce jour, aucune étude d'analyses de méthylome par RRBS chez la poule n'a été publiée. Ces deux analyses sont réalisées grâce au développement d'un pipeline bioinformatique, optimisé, disponible à la communauté scientifique. Globalement, le profil de méthylation chez la poule est similaire à ce qui est connu chez les mammifères : les îlots CpG - régions riches en dinucléotides CG, souvent peu méthylées, qui ponctuent le génome principalement dans les régions promotrices des gènes - sont globalement peu méthylés dans les promoteurs sur les données WGBS et RRBS. Les analyses du méthylome des embryons ont confirmé l'absence d'un phénomène de compensation de dose sur les chromosomes sexuels, ou la présence sur le chromosome Z d'une région hyperméthylée. Les analyses des données RRBS révèlent une hyperméthylation globale des CG sur le génome, suggérant une réponse de la méthylation à un stress environnemental. Sur les données WGBS, le niveau de méthylation dans le promoteur est négativement corrélé à l'expression du gène associé. Une méthylation allèle spécifique est également détectée entre les lignées, phénomène mis en évidence pour la première fois chez la poule et dont la fréquence est comparable à ce qui a été observé chez l'Homme. Sur les données RRBS, des résultats préliminaires de la réponse du méthylome aux stress environnementaux montrent le caractère complexe de cette relation. L’utilisation d’aliments moins énergétiques entraînerait une plus grande mobilisation des réserves lipidiques, tandis que les individus soumis à un stress à la chaleur ont un poids corporel plus léger. Une intégration de ces données à des mesures phénotypiques permettrait de faire le lien entre méthylation et environnement. Au-delà de l'aspect fondamental de cette thèse, l'application plus concrète de ces connaissances peut s'appliquer aux systèmes d'élevage pour obtenir des animaux mieux adaptés à l’environnement, en améliorant les caractères de production

L’huître du pacifique Crassostrea gigas est l'espèce marine la plus cultivée avec une production supérieure à 4 millions de tonnes pour l'année 2010. En France, C. gigas est cultivée depuis la fin des années 1970. Cependant, cette espèce souffre d’un syndrome de mortalité estivale depuis les années 1980, avec une amplification depuis 2008 qui touche jusqu'à 100 % des naissains. Ce syndrome de mortalité est un phénomène multifactoriel, basé sur l’interaction de nombreux facteurs: stress environnementaux, caractéristiques physiologiques et génétiques de l’huître, présence et virulence de pathogènes. L’huître du pacifique C. gigas est une espèce estuarienne qui est soumise aux pressions anthropiques comme la pollution du milieu côtier. Ces événements représentent des sources potentielles de stress en zones ostréicoles. Cependant, les connaissances sur les effets des polluants comme les pesticides sur C. gigas restent fragmentaires. Les périodes d’épandage d’herbicides coïncident parfois avec la période de reproduction des huîtres, raison pour laquelle nous considérons que ces produits chimiques pourraient affecter la génération suivante d'huîtres. Parmi les pesticides, le diuron est le plus fréquemment détecté sur les côtes françaises, avec une concentration maximale rapportée de 0,78 µgL-1. L'exposition directe aux herbicides affecte le transcriptome des huîtres qui est le premier niveau de réponse face à l'exposition du polluant. Il a été démontré que l'exposition parentale au diuron a des effets génotoxiques chez C. gigas au stade de naissain. Une variabilité phénotypique de trait d’ histoire de vie a été observée aussi pour ces naissains. Un autre effet possible des pesticides serait la modification de marques épigénétiques. Il est connu que les facteurs environnementaux telle que la pollution par des composés chimiques peuvent modifier l'épigénome et par conséquent le phénotype des individus et de leurs descendance en agissant au niveau trans-générationnel. Ces dernières observations nous permettent d’émettre l’hypothèse de l’implication de mécanismes épigénétiques suite à l’interaction avec des produits phytosanitaires. Ces mécanismes modifieraient le phénotype des huîtres au stade de naissains par l'exposition parental. Pour tester cette hypothèse nous avons étudié la méthylation globale de l'ADN (méthylome), qui est un de principal marques épigénétiques, et le transcriptome des naissains issus de géniteurs exposé au Diuron. Nous avons identifié des modifications du méthylome et du transcriptome qui ont un lien avec le phénotype de trait d'histoire de vie de ces naissains. Ces résultats démontreraient qu’une exposition indirecte ou parentale du diuron modifie la méthylation et l'expression de fonctions de gènes spécifiques, expliquant en partie la variabilité phénotypique observée. / The Pacific Oyster Crassostrea gigas is the most cultivated marine species in the world with a production superior to 4 millions of tons in 2010. In France, C. gigas is cultivated since the end of 1970s. However, this specie suffers from a syndrome of summer mortalities since the 1980s, with an amplification since 2008 affecting up to 100% of spats. This syndrome of mortality is a multifactorial phenomenon, based on the interaction of many factors: Environmental factors, genetic and physiologic features of the oysters, and the presence and virulence of pathogens. The Pacific Oyster C. gigas is an estuarine specie which is subjected to anthropogenic pressures such as pollution of the coastal environment. These events represent a potencial source of stress in oyster farm areas. However, the knowledge about the effects of pollutants such as pesticides on C. gigas remain fragmented. The herbicide application periods may coincide with the oyster breeding period, reason for which we consider that these chemicals could affect the next generation of oysters. Among pesticides, diuron is the most frequently detected on the French coast, with a maximum reported concentration of 0.78 µgL-1.The direct exposure to herbicides affects the transcriptome of oysters which is the first level of response to the exposure of pollutants. It was shown that parental exposure to diuron has genotoxic effects on C. gigas at the spat stage. A phenotypic variability of life history traits has also been observed for these spats. Another possible effect of pesticides would be the modification of epigenetic marks. It is known that environmental factors such as pollution by chemical compounds can alter the epigenome and consequently the phenotype of individuals and of their offspring acting at a transgenerational level. These last observations allow us to hypothesize the involvement of epigenetic mechanisms in response to interactions with herbicide products. These mechanisms could modify the phenotype of oysters spat state by parental exposure. To test this hypothesis we studied the genome-wide DNA methylation (methylome), which is a main epigenetic mark, and the transcriptome of the spat from diuron-exposed genitors. We identified methylome and transcriptome changes that are related to the phenotype of life history trait of these spats. These results show that an indirect or parental exposure to the diuron is able to modify the methylation and the expression of specific gene functions, partially explaining the phenotypic variability observed.

La méthylation de l'ADN permet, via des remodelages de la chromatine et le recrutement de diverses protéines partenaires, de réguler l'expression des gènes. Des défaillances dans ces mécanismes de régulation peuvent modifier la susceptibilité individuelle face à certaines pathologies, notamment cardiovasculaires. Bien que les différents types cellulaires puissent avoir différents profils de méthylation, l'utilisation de l'ADN provenant de cellules sanguines permet de découvrir de nouveaux mécanismes physiopathologiques. Ce projet de thèse porte sur l'intérêt des analyses d'association méthylome entier comme stratégie alternative aux études d'association génome entier ("GWAS " en anglais) pour identifier de nouveaux déterminants moléculaires de biomarqueurs du risque cardiovasculaire. Pour cela, j'avais à ma disposition deux études épidémiologiques rassemblant 573 sujets pour lesquels les niveaux de méthylation de l'ADN issus du sang périphérique ont été mesurés par une puce à ADN de haute densité couvrant plus de 300 000 sites CpG.Le premier travail que j'ai réalisé a consisté en une étude du méthylome sanguin pour identifier des profils de méthylation associés à l'indice de masse corporelle. Cette étude a permis d'identifier des marques de méthylation de l'ADN au sein du gène HIF3A dont les augmentations sont associées à une augmentation de l'indice de masse corporelle (Lancet, 2014. 383(9933):1990-8). Ces résultats suggèrent en outre que des perturbations de la voie métabolique du gène HIF3A pourraient avoir un rôle important dans la réponse biologique à l'augmentation du poids. Dans un second travail (J Lipid Res, 2014. 55(7):1189-1191), j'ai montré que la variabilité inter individuelle des niveaux de méthylation sanguin du gène CPT1A était associée à la variabilité des taux lipidiques plasmatiques. Ce travail démontre qu'il est possible de détecter à partir d'échantillons sanguins des marques de méthylation de l'ADN qui pourraient être le reflet de mécanismes épigénétiques plus spécifiques de certains types cellulaires ou de certains tissus. Le gène CPT1A est par exemple principalement exprimé dans le foie.Au cours de mon travail de thèse, j'ai également étudié l'influence de la variabilité génétique sur les niveaux de méthylation de l'ADN sanguin (Am J Hum Genet, 2015. 96(4):532-42, Nat Commun, 2015. 6:6326). Cette étude a permis d'identifier près de 3 milles gènes dont les niveaux de méthylation sont associés à la présence de polymorphismes génétiques, localisés soit au sein de ces mêmes gènes (c.-à-d. effet cis) soit à une très grande distance (plus d'une mégabase voire sur un autre chromosome) (c.-à-d. effet trans). Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour mieux appréhender la régulation transcriptionnelle de diverses voies métaboliques. / DNA methylation regulates gene expression by chromatin reshaping and the recruitment of various partner proteins. Dysregulation in these regulatory mechanisms can influence the individual susceptibility to some pathologies, including cardiovascular disorders. Although different cell types can have different methylation patterns, the use of DNA from blood cells has recently been proposed as an interesting tool to discover new epigenetic related pathophysiological mechanisms. This PhD project focuses on the interests of the methylome-wide association analyses as an alternative strategy to the fashion genome-wide association studies ("GWAS ") approach to identify new molecular determinants of cardiovascular risk biomarkers. For my project, I had access to two epidemiological studies collecting together 573 subjects in which DNA methylation levels from peripheral blood cells were measured by a high density DNA microarray that covers more than 300 000 CpG sites.The first work I conducted consisted in a study of blood methylome to identify methylation profiles associated with body mass index. This study led to the identification of DNA methylation marks at the HIF3A gene whose increases are associated with an increase in body mass index (Lancet, 2014. 383(9933):1990-8). These results suggest that a disruption of the metabolic pathway HIF3A gene could have an important role in the biological response to the increase of the weight. In a second work (J Lipid Res, 2014. 55(7):1189-1191), I showed that the inter-individual variability in CPT1A methylation levels in blood were associated with variability of plasma lipid levels. This work demonstrates that it is possible to detect DNA methylation marks from blood samples that could reflect epigenetic mechanisms that occur primarily in specific cells or tissues. The CPT1A gene is for example mainly expressed in the liver.During my PhD, I also studied the influence of the genetic variability on the methylation levels from blood DNA (Am J Hum Genet, 2015. 96(4):532-42, Nat Commun, 2015. 6:6326). This work has identified nearly 3000 genes whose methylation levels are associated with the presence of genetic polymorphisms, located either within these same genes (ie cis effect) or at a very large distance (more than one megabase or to another chromosome) (ie trans effect). These results open new perspectives to better understand the transcriptional regulation of various metabolic pathways.

Le rétinoblastome est un cancer pédiatrique rare de la rétine en cours de développement. Si dans les pays développés, le taux de survie avoisine 100%, une énucléation de l’oeil atteint est cependant nécessaire dans plus de 70% des cas.En 1971, Knudson émit l’hypothèse des deux “hits”, qui permit de comprendre que le rétinoblastome s’initie généralement après une perte bi-allélique du gène RB1. Cependant, les autres mécanismes moléculaires qui régissent ce cancer restent depuis peu connus. Par exemple, peu d’études génomiques ont été conduites. Ainsi, la nature de la cellule d’origine, ainsi que la présence ou non d’une hétérogénéité intertumorale, font encore débat. Dans cette étude, nous avons dressé un portrait génomique et clinique complet du rétinoblastome; plusieurs observations ont montré qu’il s’agit bien d’une maladie hétérogène, avec deux sous-types distincts. Nous avons d’abord identifié les deux sous-types avec à une approche couplant une analyse en composantes indépendantes (ACI) de transcriptomes tumoraux avec des marquages immunohistochimiques. Les rétinoblastomes du premier sous-type, dits “cone-like” expriment uniformément des marqueurs de cônes, tandis que ceux du second sous-type, dits “bivalent-type”, ont une forte hétérogénéité intratumorale, avec un enchevêtrement de zones de différenciation ganglionnaire ou cône. Grâce à une étude plus approfondie des transcriptomes et de données d’altérations génomiques, nous avons ensuite montré que les sous-types dépendent de voies de signalisation et d’oncogènes différents. Les bivalent-type ont notamment une présence quasi-systématique de gains de MDM4 ou d’amplifications de MYCN. Nous nous sommes ensuite tournés vers les méthylomes des rétinoblastomes, et constaté une forte hétérogénéité entre les sous-types. Nous avons décomposé cette hétérogénéité grâce à une ACI, et constaté qu’elle n’était pas liée uniquement à la différenciation cône ou ganglion. Nous avons ensuite étudié les données cliniques de la cohorte, et constaté que les sous-types avaient des âges au diagnostic et des formes de croissance différents, les tumeurs cone-like se developpant généralement chez des patients jeunes avec des tumeurs exophytiques, et les bivalent-type chez des patients plus âgés avec des tumeurs endophytiques. De plus, les patients avec des inactivations constitutionnelles du gène RB1 développent majoritairement des tumeurs cone-like; les cone-like s’initieraient donc plus tôt durant le développement de la rétine. Nous avons finalement séquencé les exomes de 74 paires tumeur-normal. Les rétinoblastomes avaient un taux de mutations extrêmement faible (0.1 mutations par mégabase), comme beaucoup de cancers pédiatriques. Nous avons identifié des mutations somatiques récurrentes dans RB1, BCOR et ARID1A. Ces gènes se trouvaient de plus dans des régions minimales de pertes chromosomiques. Surtout, les inactivations des deux gènes avaient souvent de fortes fréquences alléliques. Ceci indique que ces inactivations ont lieu précocément dans la tumorigénèse. En conclusion, notre étude a permis de dresser un premier portrait génomique complet du rétinoblastome, a révélé l’existence de deux sous-types distincts, ainsi que fourni des indices quant à la cellule d’origine de chaque sous-type, et les mécanismes moléculaires les régissant. / Retinoblastoma is a rare pediatric cancer of the developing retina. In high-income countries, survival rates near 100%; however, enucleation of the affected eye has to be performed in over 70% of patients. Knudson’s 1971 two-hit hypothesis led to the discovery that this cancer usually initiates after a bi-allelic loss of the RB1 gene. Despite this early finding, little is known about the other molecular underpinnings of retinoblastoma. For instance, few genome-wide studies have described the genetic and epigenetic characteristics of these tumors. Furthermore, there is still no clear consensus regarding this cancer’s cell of origin, or whether or not it is homogenous disease. In this study, we built a comprehensive molecular and clinical portrait of retinoblastoma. Several lines of evidence led us to conclude that retinoblastoma is in fact a heterogeneous disease, with two distinct subtypes. We first uncovered the subtypes through a strategy that coupled an independent component analysis (ICA) of tumor transcriptomes to tumor immunohistochemical stainings. Retinoblastomas of the first subtype, called “cone-like”, homogeneously display cone-like differentiation, while those of the second subtype, called “bivalent-type”, exhibit strong intratumoral heterogeneity, with areas of cone-like differentiation intertwined with areas of ganglion-like differentiation. Further analysis of the transcriptomic data, as well as of copy number alteration data revealed that both subtypes may rely on different pathways and oncogenes. We notably observed a quasi-systematic presence of MDM4 gains or MYCN amplifications in bivalent-type tumors. We next turned to retinoblastomas’ methylomes; these considerably varied between the subtypes. ICA allowed us to decompose this inter-subtype methylomic heterogeneity, which was found to go beyond methylation due to cone-like or ganglion-like differentiation. We next studied the tumors’ clinical data, and found that cone-like tumors are most often diagnosed in very young patients with exophytic tumor growth, while bivalent-type tumors are found in older patients with endophytic tumor growth. Furthermore, patients with germline inactivations of RB1 mostly developed cone-like retinoblastomas, indicating that these tumors may initiate earlier during retinal development. In the final part of our study, we performed whole exome sequencing of 74 tumor-normal pairs. Like many pediatric cancers, the tumors had very low background mutation rates (0.1 mutations per megabase). Recurrent somatic mutations were found in RB1, BCOR and ARID1A, and these genes were also found to be in minimal regions of chromosomal losses. Importantly, both inactivations often had very high allelic frequencies, indicating that these events occur very early on in retinoblastoma tumorigenesis.Taken together, our study outlines a first comprehensive genomic portrait of retinoblastomas, points to the existence of two distinct subtypes, and provides insights into the cells-or-origin and the molecular mechanisms underlying these subtypes.

Les interactions mito-nucléaire sont au centre des fonctions de la mitochondrie, telles que la production d’énergie. Or, peu d’informations sont connues sur comment le génome mitochondrial peut influencer la réponse nucléaire. Les cybrides (hybrides cytoplasmiques) peuvent présenter des modifications phénotypiques (adaptatives ou non) dûe à ces interactions. Dans cette étude, les différents mitotypes (haplotype mitochondriale) de l'espèce Chrosomus eos furent utilisés comme modèle afin d’étudier plus en profondeur les interactions entre les différents génomes d’une cellule. Ce complexe présente en plus du type sauvage, deux types de cybrides, dont les mitochondries proviennent de deux refuges glaciaires différents : Mississippien et Atlantique. Cette étude fut effectuée sur des individus en sympatrie afin de prendre en compte l’influence environnementale. Des populations en allopatrie furent également mesurés séparément afin de complémenter les études précédentes. Afin de répondre à ces objectifs, plusieurs approches furent employées, adressant ainsi divers niveaux d’intégration : la méthylation, la transcription, la protéomique et l’activité enzymatique. Des différences entre les divers mitotypes furent observées, mais de magnitude inférieure à l’influence environnementale. Ce résultat suggère donc que les différences associées au mitotype en sympatrie affecte leur répartition et leur habileté à coloniser différents types d’environnements, créant ainsi la similarité intra-mitotype inter-lac observé dans les études précédentes. Pour adresser l’analyse transcriptomique, une référence a été produite. Cette référence offre beaucoup d’informations pour des applications futures. / The mito-nuclear interactions are at the center of the mitochondrial functions, such as energy production. Despite their importance, little is known about how the influence of the mitochondrial genome on the nuclear genes expressions. The cybrids (cytoplasmic hybrids) can present phenotype modification (adaptive or not) caused by the mito-nuclear interactions. In this study, different mitotype of Cybrids of the Chrosomus eos species were used as model to further study the interaction between a cell’s genomes. This complex of species has two types of cybrids, the mitochondria of which originates from two different glacial refugia : Atlantic and Mississippian. This set up of this study was a sympatric lake, to minimise the environmental factor. Allopatric population were also separately analysed to supplement past studies. To accomplish these goals, multiple methods were used, assessing also multiple levels of gene expression: Methylation, transcription, protein and enzymatic activity. Differences between mitotypes were observed, but of lesser magnitude then the environmental factor. Thus, this result suggest that the differences associated to the sympatric mitotypes drive a deference in environment colonization, which would create the inter-lake intra-mitotype similarity observed in past studies. To assess the transcription of mitotype, a transcriptomic reference was produced. This reference offers a lot of information and future applications.

Anticiper l’impact de fluctuations environnementales de nature climatique ou alimentaire est un enjeu crucial dans les systèmes de productions animales, et plus particulièrement sur la volaille. Cette influence de l’environnement sur les phénotypes passe en partie par des phénomènes épigénétiques, notamment la méthylation de l’ADN, et qui peuvent intervenir dans la régulation de l'expression des gènes. Ce sont des mécanismes qui n'affectent pas la séquence d'ADN mais qui peuvent être transmis par la mitose ou la méiose. Ces interactions entre épigénomes et expression des gènes sont de plus en plus étudiées dans les modèles animaux et chez les plantes. Cependant, les mécanismes de régulation de l'expression du génome par la méthylation de l’ADN sont assez peu connus chez les oiseaux. Ce travail de thèse repose sur deux dispositifs expérimentaux réalisés chez la poule, le but étant de caractériser le méthylome par séquençage haut-débit. Les profils de méthylation le long du génome, et le lien avec l’expression, sont établis d’abord par un séquençage tout-génome (WGBS) au sein d’embryons entiers, puis par un séquençage d'une sous-représentation du génome (RRBS) au sein d’hypothalamus d’individus adultes. À ce jour, aucune étude d'analyses de méthylome par RRBS chez la poule n'a été publiée. Ces deux analyses sont réalisées grâce au développement d'un pipeline bioinformatique, optimisé, disponible à la communauté scientifique. Globalement, le profil de méthylation chez la poule est similaire à ce qui est connu chez les mammifères : les îlots CpG - régions riches en dinucléotides CG, souvent peu méthylées, qui ponctuent le génome principalement dans les régions promotrices des gènes - sont globalement peu méthylés dans les promoteurs sur les données WGBS et RRBS. Les analyses du méthylome des embryons ont confirmé l'absence d'un phénomène de compensation de dose sur les chromosomes sexuels, ou la présence sur le chromosome Z d'une région hyperméthylée. Les analyses des données RRBS révèlent une hyperméthylation globale des CG sur le génome, suggérant une réponse de la méthylation à un stress environnemental. Sur les données WGBS, le niveau de méthylation dans le promoteur est négativement corrélé à l'expression du gène associé. Une méthylation allèle spécifique est également détectée entre les lignées, phénomène mis en évidence pour la première fois chez la poule et dont la fréquence est comparable à ce qui a été observé chez l'Homme. Sur les données RRBS, des résultats préliminaires de la réponse du méthylome aux stress environnementaux montrent le caractère complexe de cette relation. L’utilisation d’aliments moins énergétiques entraînerait une plus grande mobilisation des réserves lipidiques, tandis que les individus soumis à un stress à la chaleur ont un poids corporel plus léger. Une intégration de ces données à des mesures phénotypiques permettrait de faire le lien entre méthylation et environnement. Au-delà de l'aspect fondamental de cette thèse, l'application plus concrète de ces connaissances peut s'appliquer aux systèmes d'élevage pour obtenir des animaux mieux adaptés à l’environnement, en améliorant les caractères de production / Anticipating the impact of environmental changes (on climate and feed) is a crucial issue for livestock production systems, including poultry. The influence of the environment on phenotypes is partly mediated by epigenetic phenomena, including DNA methylation, which may be involved in the regulation of gene expression. These mechanisms do not affect the DNA sequence but can be inherited by mitosis or meiosis. The interactions between epigenomes and gene expression are increasingly being studied in animal models and in plants. However, the mechanisms of regulation of genome expression through DNA methylation are relatively unknown in birds. This thesis work is based on two experimental devices realized in chicken aiming to characterize the methylome by high-throughput sequencing. The methylation patterns across the genome, and their link with expression, were first established by whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) in whole embryos, following a reduced representation bisulfite sequencing (RRBS) from hypothalamus of adults. To date, no specific chicken RRBS study has been published. These two analyses were carried out by developing an optimized bioinformatics pipeline, available for scientific community. Overall, the pattern of methylation in chicken is like those in mammals: CpG islands - dinucleotides CG-rich regions which are often poorly methylated, and which are found mainly in the promoter regions of the genome - are generally poorly methylated in promoters on WGBS and RRBS data. Embryo methylome analyses confirmed the absence of a dose-compensation phenomenon on sex chromosomes, or the presence of a hypermethylated region on the Z chromosome. The analyses of RRBS data revealed an overall hypermethylation of CGs across the genome, suggesting a methylation response to environmental stress. From the analysis of WGBS data, we found that the level of methylation in promoters was negatively correlated with the expression of the associated gene. For the first time, a specific allele methylation was also detected between chicken lines whose frequency is comparable to that observed in humans. On the RRBS data, preliminary results of the methylome response to environmental stresses showed the complex nature of this relationship. The use of a low-energy diet would led to greater mobilization of body fat, while individuals with heat stress had a lighter body weight. Integrating these data with phenotypic measurements would allow to link methylation and environment. Beyond the fundamental aspect of this thesis, the method developed in this work could be applied to livestock systems to breed animals better adapted to a changing environment, by improving production traits.

Les organismes cybrides souffrent généralement d'une altération de la spécificité des interactions mito-nucléaires, résultant en une détérioration du phénotype. Toutefois, diverses études démontrent que le transfert de mitochondries peut occasionnellement être positif. À l'heure actuelle, de nombreuses questions demeurent quant au degré d'influence de ces transferts sur les différents niveaux d'organisation du phénotype. Afin de répondre à ces questions, les formes sauvages et cybrides du poisson Chrosomus eos sont étudiées. Ainsi, le premier volet de ce projet de recherche démontre un impact des mitochondries Chrosomus neogaeus à différents niveaux d'organisation du phénotype des poissons C. eos, lorsque les formes sauvages et cybrides sont retrouvées en allopatrie. Le deuxième volet de cette thèse révèle, quant à lui, que ces modifications phénotypiques ne sont pas suffisantes pour induire un évènement de spéciation entre les deux biotypes, lorsqu'en sympatrie. De plus, cette étude suggère que la coévolution mito-nucléaire peut ne pas être une condition sine qua non à la perpétuation des individus en milieu naturel. Finalement, l'approche holistique considérée dans le troisième volet de cette recherche atteste de l'influence des mitochondries C. neogaeus à différents niveaux d'organisation du phénotype de C. eos, lorsque les formes sauvages et cybrides sont sympatriques. Cette influence est moins prononcée que celle observée à partir de biotypes allopatriques. Combinés, ces chapitres contribuent à une meilleure compréhension des liens existant entre les mitochondries et le phénotype d'un individu. / Cybrid organisms generally suffer from a disruption of the mito-nuclear interactions specificity, resulting in a phenotype deterioration. However, several studies demonstrate that between-species transfers of mitochondria can occasionally be beneficial. Currently, many questions still remain about how much these transfers can impact the various biological organisation levels of the phenotype. To address these questions, Chrosomus eos wild type and cybrids fish are considered. Thus, the first part of this research project demonstrates that Chrosomus neogaeus mitochondria impact the C. eos phenotype, at various levels of biological organisation, when wild type and cybrids are found in allopatry. On the other hand, the second part of this thesis reveals that these phenotypic modifications cannot trigger a speciation event between the two sympatric biotypes. This study also suggests that mito-nuclear coevolution would not be a sine qua non condition to survive and perform in natural environments. Finally, the holistic approach considered in the third part of this research shows that C. neogaeus mitochondria influence various levels of C. eos phenotype, when wild type and cybrids are sympatric. The magnitude of this influence is less pronounced than the one observed from allopatric biotypes. Combined, all these parts contribute to a better understanding of the links existing between mitochondria and the phenotype of an individual.

Une des caractéristiques les plus connues de la programmation métabolique est qu’un événement commun physiopathologique à l'âge adulte obtenu indépendamment du stress nutritionnel au début de la vie. Cela a conduit à penser que les altérations métaboliques dûes au stress nutritionnel précoce pouvaient résulter de la programmation seulement d’un petit nombre de gènes qui agissent comme gardiens d'un réseau de gènes ou d'une voie de signalisation. Ici nous avons l’intention de tester cette hypothèse par l'analyse combinée du transcriptome et méthylome avec des échantillons de foie des rats nés de mères nourries avec une alimentation restreinte en protéines (MPR) ou carencée en donneur de méthyles (MDD) pendant la gestation et la lactation et comparer entre les 2 modèls. Au moment du sevrage, la progéniture MDD a été sacrifiée, tandis que la progéniture du groupe MPR a reçu une nourriture standard jusqu'à l'âge de 6 mois. Les rats à jours 21 nés de mères nourries avec un régime MDD ont 3.269 gènes surexprimé (P <0,0009) et 2.841 gènes sous-exprimés (P <0,0004) par rapport aux témoins. Les modifications de méthylation de l'ADN ont été trouvées dans les régions promotrices de 1.032 gènes. Les analyses fonctionnelles ont révélé que ces gènes sont principalement impliqués dans le métabolisme des lipides et du glucose, du système nerveux, la coagulation, le stress du réticulum endoplasmique et la fonction mitochondriale. Les master genes présentant des changements à la fois dans l'expression et la méthylation d'ADN sont limités à 266 gènes et ils sont principalement impliqués dans le système rénine-angiotensine, le métabolisme de la mitochondrie et de l'homéostasie phospholipide. La plupart de ces master genes participent à la Non Alcoholic Fatty Liver Disease (NAFLD). La restriction protéique maternelle (MPR) a entraîné une augmentation de la masse grasse abnominale, de l'hypertriglycéridémie, de l'hypercholestérolémie et un taux élevé d’acides gras par rapport aux témoins. 3.020 gènes sont surexprimés (P<0,0003) et 3.601 sous-exprimés (P<0,002) au niveau du transcriptome et 3.968 gènes modifiés au niveau du méthylome par rapport aux témoins. L'analyse fonctionnelle a indiqué que les gènes surexprimés sont principalement impliqués dans les voies métaboliques et les gènes sous-exprimés et différemment méthylés sont principalement impliqués dans des processus du développement. 998 master genes ont été trouvés, et léanalyse fonctionnelle de ces gènes a indiqué un effet significatif sur le développement des tissus, la régulation de la transcription et le métabolisme, et beaucoup d'entre eux sont associés à des maladies chroniques comme l'hypertension, l'obésité centrale et le diabète. L'expression des gènes et la méthylation de l'ADN du génome obtenus en utilisant ces modèles ont été comparés aux données de méthylome et de transcriptome précédemment obtenus à partir de foie des rats restreints en protéines et sacrifiés à la naissance. Cette analyse a révélé un ensemble commun de 46 gènes qui sont sur-exprimés et 42 gènes sous-exprimés dans les trois modèles de programmation métabolique par rapport aux animaux témoins. La plupart des gènes surexprimés sont impliqués dans la régulation de la fonction mitochondriale alors que les gènes sous-exprimés sont principalement impliquées dans la régulation de la prolifération cellulaire et l'expression des gènes. Nous avons identifié également un ensemble de 122 gènes dont les niveaux de méthylation ont été modifiés à la fois par une carence en donneurs de méthyle et une restriction protéique. Ces observations soutiennent l’hypothèse qu’un petit nombre de gènes essentiels sont à la base de la programmation de troubles métaboliques, indépendamment du stress nutritionnel / One of the most striking features of metabolic programming is that a common physiopathological output at adulthood is obtained irrespective to the nutritional insult during early life. This has suggested that the metabolic alterations due to early nutritional stress might result from the programming of only a small number of genes which act as gatekeepers of a fundamental gene network or signalling pathway. Here we aimed to test this hypothesis through the combined analysis of the transcriptome and methylome in rat liver samples derived from animals born to dams fed either a protein-restricted diet (MPR) or a methyl donor deficient (MDD) diet through gestation and lactation. At weaning, the offspring born to MDD dams were sacrificed whereas the pups from the MPR group were fed standard chow until the age of 6 months. 21-day-old rats born to mothers fed a MDD diet during gestation and lactation have 3,269 over-expressed (P<0.0009) and 2,841 under-expressed (P<0.0004) genes compared to controls. Modifications of DNA methylation were found in the promoter regions of 1,032 genes. Functional analyses revealed that these genes are mainly involved in glucose and lipid metabolism, nervous system, coagulation, endoplasmic reticulum stress and mitochondrial function. Master genes exhibiting changes in both gene expression and DNA methylation are limited to 266 genes and are mainly involved in the renin-angiotensin system, mitochondrion metabolism and phospholipid homeostasis. Most of these master genes participate in Non Alcoholic Fatty Liver Disease (NAFLD). Maternal protein restriction (MPR) resulted in increased fat mass, hypertriglyceridemia, hypercholesterolemia and high fatty acids compared to control. 3,020 genes were up-regulated (p < 0.0003) and 3,601 (p ? 0.002) down-regulated by MPR compared to controls. Modifications of DNA methylation was found in 3,968 genes. The functional analysis indicated that the overexpressed genes were mainly involved in metabolic pathways and the under-expressed and differentially methylated genes were mainly involved in physiological process. 998 master genes were found, functional analysis of these genes indicated a significant effect on tissue development, regulation of transcription and metabolism, and many of them are associated with chronic diseases such as hypertension, central obesity and diabetes. The genome-wide expression and DNA metylation results obtained using these models, were compared to previous methylome and transcriptome data obtained using liver from MPR pups sacrificed at birth. This analysis revealed a common set of 46 genes that were up regulated and 42 genes down regulated in the three models of metabolic programming compared to control animals. Most of the up regulated genes are involved in the regulation of mitochondrial function whereas the down-regulated genes are mainly involved in the regulation of cell proliferation and gene expression. We identified also a set of 122 genes whose methylation levels were changed both by methyl donor deficiency and protein-restriction. These observations sustain the hypothesis that a small set of core genes underlies the programming of metabolic disorders irrespective of the nutritional insult