Salmonella enterica sv. typhimurium is a major food-borne pathogen, in part because of its ability to persist and multiply at low temperatures. Adaptation to refrigerated temperatures involves induction of a multigenic cold shock response (CSR); where gene expression is co-ordinately modified, to express cold shock proteins (CSPs). Characterisation of CspA, the major cold shock protein, instigated the identification of other CspA paralogues; which are highly conserved and widespread across species. Six CspA paralogues have previously been identified in S. typhimurium and a csp null strain, lacking all CspA paralogues made. This strain is unable to grow following cold shock, demonstrating that the CspA paralogues play an essential role during low temperature adaptation. The individual CspA paralogues exhibit distinct expression profiles; including expression of CspC and CspE at optimal temperature and CspA and CspB following cold shock. This work investigates the transcriptional changes of S. typhimurium during cold shock and the role of the CspA paralogues under both optimal and cold shock conditions. Using a bacteriophage Mu transposon library (Francis and Gallagher, 1993) this study identifies 7 novel cold induced targets and analyses their native expression levels in SL1344 and the csp null strain during cold shock. This revealed that the regulation of 5 discrete loci including tRNApro2, cpxP and 3 uncharacterised ORFS are mediated by CspA paralogues. In addition, the transcriptional profiles of a highly conserved and essential set of genes encoding known cold shock proteins, NusA, IF2, RbfA, PNPase and CsdA have been characterised. Comparative Northern analysis of SL1344 and the csp null strain has identified a role for CspA paralogues in mediating low temperature induction of three of these genes, through transcription anti-termination. Taken together these results demonstrate that during adaptation to low temperature CspA paralogues regulate expression of genes involved in the translational machinery and metabolic biosynthetic pathways: possibly through a number of transcriptional and post transcriptional processing events. Furthermore this study provides in vivo evidence of the RNA binding activity of the S. typhimurium CspA paralogues. Using fusion proteins, the RNA targets of CspE at 37°C and CspA at 10°C were isolated and analysed. This work identifies 17 direct binding targets for CspE and these indicate that CspE performs a role at optimal growth temperature in regulating components of metabolic (coaA and plsX), translational (EF-Tu, EF-G and IF3) and virulence associated (hha) pathways. Functional redundancy between CspE and CspA was suggested as both paralogues bound 16s rRNA. In light of these findings, the functions of CspA & CspE at optimal and low temperature are discussed. Overall this study has revealed novel information about low temperature adaptation of S. typhimurium, expanding our knowledge of the complexity and importance of the CSR in bacterial pathogens. In addition this work enhances our comprehension of the roles of the CspA paralogues at both optimal and low temperature.

Dans l’histoire évolutive, deux gènes paralogues sont issus d’un évènement de duplication de leur ancêtre commun. Les gènes paralogues sont caractérisés par des duplications globales de génome (WGD) ou à petite échelle (SSD) et par leur datation. Les WGDs ont lieu à deux reprises à la base de la lignée des vertébrés. Les évènements de SSD ont lieu à plusieurs moments pouvant être plus récents, plus anciens ou contemporain de la période des évènements de WGD. La rétention des paralogues dans le génome, associée à une divergence de l’expression spatiale est une contribution importante pour l’augmentation de la complexité de l’organisme au cours de l’évolution. Certaines études ont montré que les duplications anciennes seraient plus associées aux maladies. L’objectif de la première partie de la thèse est de créer une ressource sur les paralogues en collectant et en analysant différentes annotations. Nous avons construit une ressource robuste de paralogues humains à partir de listes publiées mais aussi à partir d’annotations externes. L’exploration de différentes annotations nous a permis d’identifier une identité de séquence élevée entre gènes paralogues pouvant biaiser la mesure d’expression des gènes et diminuer leur expression. L’objectif de la seconde partie, est d’explorer l’expression spatiale et la co- expression des paralogues au sein du cerveau humain, à partir des données RNA-seq du consortium GTEx. Les données d’expression GTEx de 13 tissus cérébraux, nous ont permis de montrer que la datation récente mais aussi que le type SSD contribuaient à une expression plus tissu-spécifique. Nous avons utilisé l’analyse de la co-expression (WGCNA) afin de regrouper les paralogues possédant une expression similaire au travers des tissus et nous avons pu suggérer une co-expression des SSD récents. Nos études sur les maladies ont montré que les SSD récents accumulaient des mutations associées à des maladies cérébrales. Finalement, nous avons trouvé que la co-expression des paralogues et leur tissu-spécificité au travers des régions cérébrales pouvaient enrichir nos connaissances sur les gènes associés à des maladies cérébrales. / In evolution history, two paralogous genes originate from the duplication event of a common ancestor gene. Paralogous genes are characterized by whole genome (WGD) or small-scale (SSD) duplications and their duplication date. The WGDs happened twice in the early vertebrate lineage. SSD events take place at any moment in evolutionary history and can be younger, older or dating to the same period than WGD events. Retention of paralogs in the genome associated with divergence of spatial expression is an important contributor to the increase of organism complexity through evolution. Different studies found that old duplications are more associated with diseases. The objective of the first part of the thesis is to create a resource on paralogs by collecting and analyzing annotations. We built a robust resource of human paralogs from published lists of paralogous genes and also from external annotations. Annotation exploration allowed us to identify a high sequence identity between paralogous genes impacting the gene expression measurement from RNA-seq data and decreasing the gene expression. The objective of the second part is to explore spatial expression and co-expression of paralogs in the human brain, from the GTEx consortium RNA-seq data. The GTEx expression data of 13 brain tissues allowed us to show that duplication youth and SSD type contributed to a more tissue-specific expression. We used co-expression analyses (WGCNA) to group paralogs with similar expression across tissues and we suggested the co-expression of younger SSDs. Our disease studies showed the younger SSD accumulation of mutations associated with brain diseases. We finally found that paralog co-expression and their tissue-specificity across brain regions could enrich information of known brain disease-associated genes.

Le fer est à la fois indispensable et toxique pour les cellules. Un contrôle strict de son métabolisme est nécessaire pour pourvoir aux besoins des cellules tout en évitant ses effets délétères. Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, ce contrôle est assuré par les activateurs transcriptionnels paralogues Aft1p et Aft2p. En condition de carence en fer, Aft1p active la transcription des gènes du transport à haute affinité du fer extracellulaire en se fixant sur la séquence cis-régulatrice 5'-TGCACCC-3'. Le rôle d'Aft2p est moins bien caractérisé ; il reconnaît in vitro la même séquence consensus qu'Aft1p et active la transcription de plusieurs gènes régulés par Aft1p lorsqu'il est surexprimé ou sous une forme mutée constitutivement active. Nous avons cherché à mieux comprendre le rôle d'Aft2p en condition de carence en fer en identifiant ses gènes cibles et en caractérisant son mode d'action, par une combinaison d'expériences d'analyses globales de transcriptome, de Northern blot et d'immunoprécipitation de la chromatine réalisées avec les souches sauvage et délétées d'AFT1 et/ou d'AFT2. Nous avons montré qu'Aft2p, mais pas Aft1p, active directement la transcription des gènes de l'utilisation et du stockage du fer intracellulaire. Nous avons mis en évidence que la séquence cis-régulatrice des gènes régulés par Aft2p n'est pas 5'-TGCACCC-3', mais une séquence plus courte, 5'-(G/A)CACCC-3'. Aft2p joue également un rôle direct dans la régulation transcriptionnelle de plusieurs gènes du métabolisme du zinc, et il pourrait intervenir dans la régulation des gènes du métabolisme de l'ergostérol et des acides gras. Par ailleurs, nous avons montré l'existence d'une régulation par le fer de la quantité des protéines Aft1p et Aft2p. La variation de quantité d'Aft1p semble résulter de son autorégulation transcriptionnelle, alors que la variation de quantité d'Aft2p implique une régulation post-transcriptionnelle.

Paralogs are present during ribosome biogenesis as well as in mature ribosomes in form of ribosomal proteins, and are commonly believed to play redundant functions within the cell. Two previously identified paralogs are the protein pair Ssf1 and Ssf2 (94% homologous). Ssf2 is believed to replace Ssf1 in case of its absence from cells, and depletion of both proteins leads to severely impaired cell growth. Results reveal that, under normal conditions, the Ssf paralogs associate with similar sets of proteins but with varying stabilities. Moreover, disruption of their pre-rRNP particles using high stringency buffers revealed that at least three proteins, possibly Dbp9, Drs1 and Nog1, are strongly associated with each Ssf protein under these conditions, and most likely represent a distinct subcomplex. In this study, depletion phenotypes obtained upon altering Nop7, Ssf1 and/or Ssf2 protein levels revealed that the Ssf paralogs cannot fully compensate for the depletion of one another because they are both, independently, required along parallel pathways that are dependent on the levels of availability of specific ribosome biogenesis proteins. Finally, this work provides evidence that, in yeast, Nop7 is genetically linked with both Ssf proteins. / Les paralogues sont présents lors de la biogenèse des ribosomes ainsi que dans les ribosomes matures sous forme de protéines ribosomiques, et sont généralement censées jouer des fonctions redondantes dans la cellule. Deux paralogues précédemment identifiées sont la paire de protéines Ssf1 et Ssf2 (94 % d'homologie). Ssf2 remplacerait Ssf1 en cas d’absence du dernier dans la cellule, et l’absence des deux protéines diminue la croissance cellulaire. Nos résultats révèlent que, dans des conditions normales, les paralogues Ssf s’associent à des ensembles de protéines similaires, mais avec différentes stabilités. De plus, la perturbation de leurs particules pré-rRNP à l’aide de tampons de haute stringence a révélé qu'au moins trois protéines, probablement Dbp9, Drs1 et Nog1, sont fortement associées à chaque protéine Ssf dans ces conditions, et très probablement représentent des sous-complexes distincts. Dans cette étude, les phénotypes cellulaires observés lors de la déplétion des protéines Nop7, Ssf1 et/ou Ssf2 ont révélé que les paralogues Ssf ne peuvent pas compenser entièrement pour la diminution de l'autre, car ils sont, indépendamment l’un de l’autre, nécessaires le long de voies de biogénèse ribosomale parallèles qui dépendent des niveaux de protéines impliqués dans la biogénèse des ribosomes disponibles. Enfin, ce travail fournit des preuves que, dans la levure, Nop7 est génétiquement lié aux deux protéines Ssf.