Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 54-68. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Les infections respiratoires virales sont la cause de consultation médicale la plus fréquente mondialement. Les traitements antiviraux disponibles sont efficaces lorsqu'ils sont prescrits rapidement après le début des symptômes. Cependant les méthodes de diagnostic actuel sont trop lentes pour être utile lors des consultations. D est donc nécessaire de développer des tests diagnostiques rapides, sensibles, spécifiques et ubiquitaires. Ce mémoire présente mes travaux sur le développement d'un essai de diagnostic moléculaire qui combine la technologie du PCR multiplex avec une détection rapide par hybridation sur puces à ADN sur une plate-forme microfluidique (CD d'hybridation). Les virus ciblés sont les adenovirus, l'influenza B et les parainfluenza de type 4. Ces derniers sont des virus en émergence et seront traités plus en détails dans le premier chapitre du présent mémoire. Cet essai sera combiné avec d'autres essais en développement dans notre laboratoire pour détecter les quinze virus respiratoires les plus importants cliniquement.

L'exploration complète de la diversité bactérienne reste incomplète, due à des limitations techniques (extraction d'ADN incomplète, limites des techniques de caractérisation...), à la complexité et l'hétérogénéité de la matrice sol (présence de microenvironnements...) et à l'existence de populations numériquement faibles. Bien que ces populations minoritaires jouent probablement un rôle important dans le fonctionnement de la communauté, elles sont rarement détectées par les techniques conventionnelles. Nos objectifs dans le cadre de ce travail de thèse ont été de développer des approches tant conceptuelles que techniques qui permettent d‟accéder à un niveau plus important de la diversité bactérienne présente dans les environnements complexes comme les sols. La première approche a pour but de favoriser le développement de bactéries minoritaires grâce à l'inoculation de communautés bactériennes dans des sols stérilisés avec des propriétés physico-chimiques différentes, afin de confirmer ou d‟infirmer le concept de Baas Becking « tout est partout et l‟environnement sélectionne ». Les changements de structures des communautés bactériennes inoculées, sont analysés à l'aide de puces à ADN taxonomique nouvellement développées. Les résultats confirment clairement l'impact de l'environnement sur la structure des populations bactériennes. De plus l'analyse des puces à ADN révèle des bactéries précédemment non détectées, confirmant la présence de populations minoritaires et la possibilité d‟augmenter leur abondance relative sous différentes conditions. La deuxième approche consiste au développement d'une souche bactérienne capable de capturer in situ des fragments d‟ADN. Elle a pour but d'éviter l'étape d'extraction d‟ADN. Cet outil est basé sur la construction d'un système de contre sélection positive permettant de sélectionner les clones ayant intégré des gènes d'intérêt. Nos travaux montrent clairement qu'il est possible d'améliorer l'accès à cette « rare biosphere » sans toutefois pouvoir répondre entièrement à la question : est-ce que tout est partout?

Le syndrome d'Aicardi (AiC) est caractérisé par ia triade agénésie du corps calleux, spasmes infantiles et lacunes chorlorétiniennes. Cette triade s'accompagne d'un retard mental souvent sévère. Le syndrome survient chez les filles de façon sporadique, selon un mode d'hérédité dominant lié au chromosome X. Une approche de clonage positionnel n'est donc pas possible puisque aucun cas de transmission familiale n'a été répertorié à ce jour. Une puce génomique spécifique de l'X (résolution théorique de 82 kb) a été utilisée pour cribler le génome de 18 filles AIC à la recherche de variations quantitatives délétères. Aucun variant en nombre de copie (CNV) n'a été impliqué dans la pathologie et nous avons exclu chez les 18 patientes de notre étude les grands réarrangements touchant la totalité du gène FLNA, gène évoqué antérieurement comme candidat fonctionnel. Nous avons alors complété cette stratégie par deux études transcriptomiques. Cette approche vise à sélectionner les gènes dont l'expression diffère entre les filles AIC et des témoins. Initialement à partir d'ARN de 3 lignées cellulaires et d'une puce 22 000 clones (22K) nous avons exclu, a priori, par séquençage 5 gènes candidats: A5MT, M5T4, N5BP1, PLXNB3 et 5YN1. Une deuxième étape a été engagée sur des ARN de prélèvements sanguins de 10 couples fille-mère et une puce 44K afin d'enrichir les données et de pallier à l'influence des lignées cellulaires. Outre la sélection de gènes candidats impliqués dans le syndrome, cette approche est surtout vouée à l'identification des fonctions biologiques dérégulées chez les patientes Aicard!. Les groupements fonctionnels des gènes signatures chez les filles révèlent clairement les effets des facteurs âge, heure de prélèvement, variabilité inter-individuelle. Un groupe de gènes annotés par le terme GO " nucléosome " semble être influencé par le facteur " prise d'antiépileptique ". Un logiciel baptisé ACGR (Approach for Candidate Gene Retrieval) a été conçu et prototypé. Le but est de cribler les bases de données biologiques en incluant des données privées (données des puces transcriptomiques) à la recherche des gènes qui, lorsqu'ils sont mutés donnent un phénotype de syndrome d'Aicardi. Par cette approche, les gènes PLXNB3, MADEGl et 5UV39H3 sont trois gènes candidats pour le Syndrome d'Aicardi. Le séquençage de ces trois gènes s'inscrit dans les perspectives à court terme. Ces approches intégratives reflètent l'évolution de nos concepts de recherche passant de la génétique du retard mental à la génomique du retard mental en tenant compte de la multiplicité des réseaux d'interactions et de régulations. / Aicardi syndrome (AIC) is a severe X-linked dominant neurodevelopmental disorder a!fecting almost exclusively females. Chief features include infantile spasms, corpus caliosal agenesis, and chorioretinal abnormalities. Aicardi syndrome is a sporadic disorder and hypothesized to he caused by heterozygous mutations in an X Iinked-gene but up to now no defined candidate region on the X chromosome has been identified. Positional candidate gene approach is not possible because no familial case were reported. Eighteen Ale patients were analyzed with a full-coverage X chromosomal BAC arrays. No disease-associated Copy Number Variant was identified and we excluded total deletion and duplication of FLNA gene wich had been previously pointed out as a functional candidate. To complete this approach, 2 microarrays studies were performed to compare gene expression between Ale patients and a pool of healthy patients. The first study, on RNA extracted Irom Iymphoblastoid cell lines isolated between 3 AIC patients used 22k oligonucleotide microarray. For the screened patients, no deleterious mutations were found in the 6 selected candidate genes (ASMT, PLXNB3, MST4, SYN1, SSR4, and NSBP1). The second study was performed with 44k microarray, on RNA directly extracted from 10 AIC patients blood samples. Functional clustering analyses revealed the effects of the factors: age, time of blood sampie extraction, and inter-individual gene expression variance. A group of gene annotated by "nucleosome" GO term seemed inlluenced by the factor "use of antiepileptic drugs". In a last strategy, we proposed a knowledge-guided approach for retrieving disease-specific candidate genes named ACGR (Approach for Candidate Gene Retrieval). Knowledge embedded in expert's definitions of candidate gene was expressed as relations between genes and the disease. These definitions were used for guiding-data modelling and are converted into views on the data which ultimately led to retrieval of sets of candidate genes. Thus PLXNB3, MADEGl and SUV39H3 were selected as candidate genes. The perspectives of our work will include sequencing analysis of these genes. These integrative approaches reflect the evolution of our concepts and allow, with the use of biological pathways, the transition between the genetics of mental retardation to the genomics of mental retardation.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 81-90. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Les résultats d’expériences de microarray furent décriés par le manque de concordance inter-expériences. Les listes immenses de gènes résultant de filtrages statistiques sont difficiles à exploiter. La Food and Drug Administration a montré que le choix d’indicateurs de filtrage de gènes était la source d’une grande disparité entre expériences de microarray issus de laboratoires indépendants. Dans ce contexte, nous avons développé une méthode de sélection basée sur la modélisation de l’allure de la courbe d’expression avec le Log2 du « fold-change » entre les points de cinétique. En effet, des gènes co-régulés au cours d’une cinétique temporelle présentent des courbes d’expression d’allure similaire alors que leur niveau d’expression peut être différent. Nous avons validé la méthode grâce à 2 expériences indépendantes de microar-ray étudiant la différenciation des ovaires d’embryons de souris. Ainsi, nous avons obtenu une liste réduite et pertinente de gènes exprimés. Puis, une analyse de ces résultats dans le cas de la différenciation ovarienne nous a permis d’identifier 9 nouveaux gènes candidats validés in silico et restant à être testés biologiquement. / Microarray results were blamed because of their lack of concordance. Moreover, the huge candidate gene lists from statistical filterings are not useful for biologists. FDA proved that the lack of reliability between microarray experiments came from the choice of gene filtering indicators. In this context, a filtering method was developed based on expression curve shape modelling with the use of Log 2 of fold-change between kinetic points. Actually, the co-regulated genes display similar expression shape but with heterogeneous expression level.Our method was developed and validated thanks to two independent microarray experiments (Affymetric®) from mouse embryonic ovaries. Therefore, a short and relevant list of genes was obtained. Thus, a study of results linked to ovarian differentiation permitted to identify nine new candidate genes that were in silico validated. These genes might be biologically tested (i.e. RT PCR) by the scientific community.

On estime qu'environ 5 millions d'hommes américains souffrent de taux de testostérone réduits ou d'hypogonadisme. Chez les hommes, les cellules de Leydig sont les principales productrices de testostérone et d'insuline-like 3, deux hormones essentielles à la différenciation sexuelle masculine, aux fonctions reproductives et à la santé globale de l’homme. Les facteurs de transcription sont des protéines qui régulent la transcription des gènes en se liant à des séquences d'ADN spécifiques. Le facteur de transcription “chicken ovalbumin upstream promoter type 2” (COUP-TFII) est un facteur de transcription qui appartient à la superfamille des récepteurs nucléaires. Dans le testicule, COUP-TFII est exprimé dans les cellules se différenciant en cellules de Leydig adulte (ALCs) pleinement fonctionnelles et joue un rôle majeur dans leur différenciation et leur fonction. La synthèse des stéroïdes est réduite dans des cellules de Leydig appauvries en COUP-TFII, ce qui suggère que ce facteur joue un rôle important dans la stéroïdogenèse. Cependant, le mécanisme d'action de COUP-TFII dans les cellules de Leydig demeuraient largement méconnus. Dans cette thèse, une analyse des données de puces à ADN de cellules MA-10 Leydig appauvries en COUP-TFII a été effectuée afin d’identifier le rôle global de ce facteur dans les cellules de Leydig. Cette étude a permis d’identifier 262 gènes différentiellement exprimés, notamment Hsd3b1, Cyp11a1, Prlr, Pdgfra, Shp, Ear1, Amhr2, Fdx1, Inha et Gsta3. De plus, l’étude du promoteur proximal d’Amhr2 par des études de gène rapporteur a permis de démontrer que COUP-TFII est recruté au promoteur proximal d’Amhr2 et coopère avec SP1 et GATA4 afin de réguler son expression. Les résultats présentés dans cette thèse fournissent une meilleure compréhension du mécanisme d'action de COUP-TFII dans les cellules de Leydig, et des preuves supplémentaires renforçant l'importance du récepteur nucléaire COUP-TFII dans la stéroïdogenèse, l'homéostasie androgénique, la défense cellulaire et la différenciation des cellules de Leydig. / It is estimated that about 5 million American men have low testosterone levels, hypogonadism, and infertility problems. Leydig cells are the primary producers of testosterone and insulin-like 3 hormones in males, both essential for male sex differentiation, reproductive roles, and overall health. Transcription factors are proteins that bind to various DNA sequences to control DNA transcription. Chicken ovalbumin upstream promotertranscription factors II (COUP-TFII) belongs to the steroid/thyroid hormone nuclear receptor superfamily of transcription factors. COUP-TFII is expressed in the cells that give rise to fully functional steroidogenic Adult Leydig cells in the testis and plays an important role in their function and differentiation. Steroid synthesis is reduced in COUP-TFII-depleted Leydig cells, suggesting that this protein plays a vital role in steroidogenesis. However, the mechanisms of action of COUP-TFII in Leydig cells were largely unknown. The analysis of microarray data from COUP-TFII-depleted MA-10 Leydig cells identified 262 differentially expressed genes, including Hsd3b1, Cyp11a1, Prlr, Pdgfra, Shp, Ear1, Amhr2, Fdx1, Inha, and Gsta3. Anti-Müllerian hormone (AMH), which is expressed in Sertoli cells, is essential for the regression of the Müllerian ducts during male embryonic development. In Leydig cells, AMH signals through the anti-Müllerian hormone type II receptor (AMHR2). In male mammals, mutations affecting AMH or AMHR2 expression cause Persistent Müllerian Duct Syndrome (PMDS), characterized by infertility, inguinal hernias, cryptorchidism, and reduced serum testosterone levels. COUP-TFII was found to cooperate with specificity protein 1 (SP1) and GATA-binding factor 4 (GATA4) in the regulation of the Amhr2 promoter using reporter promoter assays. COUP-TFII and GATA4 were found to be recruited to the same region of the Amhr2 gene via chromatin immunoprecipitation assay (ChIP), further strengthening their cooperative roles in the regulation of this gene. Furthermore, COUP-TFII and GATA4 were found to associate in the Leydig cells molecularly. The results presented in this thesis provide a better understanding of the mechanism of COUP-TFII action in Leydig cells, and additional evidence strengthening the importance of COUP-TFII in steroidogenesis, androgen homeostasis, cellular defense, and differentiation.

Les infections causées par les staphylocoques, streptocoques et entérocoques sont en constante augmentation, en particulier dans les infections nosocomiales. Ainsi, une identification rapide et précise des bactéries responsables de ces infections est primordiale pour l'administration d'un traitement antimicrobien adapté. Cependant, dans les laboratoires de microbiologie clinique, les méthodes d'identification bactérienne actuelles requièrent plusieurs jours. Dans ce contexte, mon projet de doctorat a eu pour but de développer des outils de diagnostic moléculaire rapides pour identifier ces différentes espèces. Pour cela, nous avons mis au point, pour la première fois, un essai PCR en temps réel pour identifier spécifiquement l'espèce Streptococcus pseudopneumoniae. Nous avons, par la suite, élaboré une puce à ADN pour identifier, en moins d'lh30, 59 espèces bactériennes impliquées dans les septicémies, directement à partir d'hémocultures positives. Au cours de ce projet, nous avons en outre isolé et caractérisé deux nouvelles espèces d'entérocoques provenant d'échantillons d'eau. Les analyses phylogénétiques ont montré que ces bactéries font partie du groupe E. faecalis. La première espèce a été nommée Enterococcus quebecensis sp. nov. tandis que la deuxième a été désignée Enterococcus ureasum sp. nov.. Nos travaux ont ainsi permis de développer de nouveaux outils de diagnostic rapides pour identifier les espèces appartenant aux genres Staphylococcus, Streptococcus et Enterococcus et ont permis de décrire deux nouvelles espèces d'entérocoques retrouvées dans l'eau potable.

Un des supports théoriques de la biologie évolutive est la théorie de la radiation adaptative, qui stipule que la diversification des espèces est le fruit de l'action de la sélection naturelle divergente sur les populations, laquelle émerge des caractéristiques biotiques et abiotiques de l'environnement. Il existe plusieurs exemples de cas de radiation adaptative dans la littérature. Or, la majorité des études se penchent sur la variation phénotypique morphologique et sur l'histoire de vie. Ainsi y a-t-il relativement peu de données sur la variation physiologique, tant au niveau de l'organisme qu'au niveau moléculaire. De plus, la caractérisation des bases génétiques de traits phénotypiques complexes s'avère peu aisée et demeure élusive. Dans cette étude, nous avons tiré profit des nouvelles technologies de la génomique pour caractériser les bases génétiques de la variation phénotypique observée chez deux populations divergentes du grand corégone (Coregonus clupeqformis), l'écotype limnétique (nain) ainsi que l'écotype benthique (normal). À l'aide d'une biopuce à ADNc spécifique au Salmonidés, nous avons comparé les profils d'expression génétique des corégones nains et normaux issus de leur milieu naturel ainsi que d'un environnement contrôlé. Le parallélisme observé dans les patrons de transcription génétique entre deux lacs et le milieu contrôlé indique que la sélection naturelle a modulé la régulation de gènes candidats associés à des adaptations phénotypiques distinguant les deux écotypes du corégone. De plus, le compromis observé entre différents traits d'histoire de vie chez les corégones nains et normaux se reflète à travers le profil de transcription pour ces gènes candidats. Enfin, l'analyse de regroupements (cluster analysis) entre les patrons de transcription des gènes candidats suggère que les principales fonctions physiologiques impliquées dans la divergence adaptative des corégones nains et normaux sont sous le contrôle d'un seul ou de quelques gènes de régulation. / One important theoretical framework in evolutionary biology is the adaptive radiation theory, which states that species diversification is the outcome of diverging natural selection, a selective force stemming from biotic and abiotic characteristics of the environment and acting on populations. Many cases of adaptive radiation have been observed and documented in the literature, focusing mainly on morphological adaptations and on life-history traits. Thus relatively few data are available on the physiological processes of adaptation, both at the organismal and molecular levels. Moreover, characterizing the genetics of phenotypic variation for complex traits is not an easy task and remains elusive in most cases. In this study, we took advantage of technologies of the post-genomic era in order to characterize the genetic bases of adaptive phenotypic variation observed in two diverging populations of the lake whitefish (Coregonus clupeaformis), the limnetic (dwarf) and the benthic (normal) ecotypes. Using a salmonids-specific cDNA microarray, we compared the gene expression profiles of dwarf and normal whitefish individuals sampled from two natural populations and from a controlled environment. Parallelism in regulation patterns observed between two lakes and the control environment indicates that natural selection played a role in modulating the regulation for these candidate genes, in association with phenotypic adaptations distinguishing the two whitefish ecotypes. Also, the observed trade-off between life-history traits in dwarf and normal whitefish is reflected in the expression profiles for these candidate genes. Lastly, cluster analysis performed on transcription profiles for these genes suggests that the major physiological processes involved in the adaptive divergence of the dwarf and normal whitefish are under the control of one or few regulation genes

Cette thèse de doctorat présente quatre études portant sur la détection des agents bactériens aéroportés associés au bioterrorisme. Tout d’abord, un rappel historique des guerres biologiques et du bioterrorisme permettra de mieux comprendre cette menace. Pour cibler la problématique actuelle, les agents biologiques, les procédures d’intervention des organisations de sécurité et de santé publique ainsi que les méthodes de détection seront ensuite introduites. La capacité de détection rapide des agents biologiques est une des lacunes importantes des procédures d’intervention. La détection et l’identification de ces agents biologiques nécessitent plusieurs étapes critiques interreliées. Elles consistent en l’échantillonnage, la préparation des analytes contenues dans des matrices complexes et finalement l’identification du micro-organisme en décodant des macromolécules signatures, et ce, notamment par des méthodes génotypiques. Certaines particules peuvent potentiellement être employées pour la préparation d’armes biologiques aéroportées. De plus, des poudres inoffensives (p. ex., farine) peuvent être utilisées pour terroriser certains individus, des organisations ou la population. Ces composés peuvent toutefois interférer avec les méthodes de détection moléculaire. C’est pourquoi la première étude traite de l’interférence sur la détection par la PCR de 23 échantillons poudreux ou environnementaux autres. Cet article présente une méthode séparant des spores de Bacillus de matrices poudreuses afin d’enlever ces particules nuisibles à la détection. La procédure conceptualisée est simple d’exécution (10 étapes), rapide (≤ 10 minutes), peu coûteuse (~ 10 $) et permet de traiter une plus grande variété d’échantillons par rapport à l’art antérieur. En second lieu, une lyse de spores bactériennes basée sur la sonication rapide (45 secondes) a permis d’extraire l’ADN génomique avec des rendements comparables à une autre méthode de lyse commercialisée performante nécessitant cinq minutes. Le Module fluidique de lyse ultrasonique a été confectionné pour être décontaminé et transféré d’une zone contaminée à une zone sécurisée, ce qui est un avantage important dans le contexte du bioterrorisme. Le troisième projet concerne le développement d’un essai de détection basé sur l’amplification PCR de type large spectre du gène tuf et l’identification sur biopuce de séquences d’ADN signatures grâce à une hybridation en microfluidique. Cet essai a permis de détecter rapidement (75 minutes) 12 des 13 agents bactériens aéroportés associés au bioterrorisme listés par les CDC. Finalement, les analyses de séquences du gène cible, tuf, chez le genre Yersinia, ont montré un haut niveau de divergence entre les gènes dupliqués intragénomiques, tufA et tufB (8,3 à 16,2 %). Ce résultat inattendu pourrait montrer les circonstances particulières permettant à des gènes dupliqués d’acquérir de nouvelles fonctions. De plus, cette étude a permis de faire une analyse phylogénétique de 14 des 17 espèces décrites du genre Yersinia et d’apporter des informations sur leur classification taxonomique. Prochainement, il serait intéressant de juxtaposer les différentes étapes de détection des agents biologiques présentées ici dans un système intégré d’analyse totale. Par conséquent, l’automatisation pourrait faciliter leur utilisation sur le terrain pour détecter et identifier rapidement (~1 h) des agents biologiques associés au bioterrorisme permettant de prendre en charge les victimes plus efficacement et de contribuer à enrayer la propagation. / This doctoral thesis presents four studies regarding the detection of airborne bacterial biothreat agents. First of all, a historical review of biological warfare and bioterrorism will allow for better understanding of this threat. To focus on the current problematic, biological agents, intervention procedures of public security and health organisations, as well as detection methods will then be introduced. The lack of systems for the reliable and rapid detection of biological agents is an important limitation of intervention procedures. Many interrelated steps are required to detect and identify biological agents. They consist of sampling, sample matrix processing, and finally, microbial identification by decoding macromolecule signatures, notably using genotyping methods. Some particles potentially employed to produce airborne biological weapons could interfere with molecular detection methods. Moreover, inoffensive powders (e.g. flour) can be used as hoaxes to terrorise individuals, organisations, or the population. Therefore, the first article studied the interference on PCR detection of 23 powdery or other environmental samples. This study presents a method to separate Bacillus spores from powdery matrices to alleviate the impact of these interfering compounds. The developed procedure is fast (≤10 minutes), inexpensive (~ 10$), allows easy handling (10 steps) and treatment of a wider sample variety compared to prior art. Secondly, a bacterial spore lysis based on rapid sonication (45 seconds) allowed extraction of genomic DNA in yields comparable to a robust commercialised lysis procedure requiring 5 minutes. The Fluidic Ultrasonic Lysis Module can be decontaminated and transferred from a contaminated to a secured area, which is advantageous in the context of bioterrorism. The third project shows the development of a detection assay based on a bacterial broad-spectrum PCR amplification of the target gene tuf and the identification of signature DNA sequences using a microfluidic microarray system. This assay allowed the rapid (75 minutes) detection of 12 of the 13 airborne bacterial biothreat agents listed by the CDC. Finally, analyses of tuf gene sequences from the Yersinia genus showed a high level of divergence between intra-genomic tufA and tufB sequences (8.3 to 16.2 %). This unexpected result could reveal particular circumstances allowing duplicated genes to acquire new functions. Moreover, this study allowed a phylogenetic analysis of 14 of the 17 described Yersinia species and added information about their taxonomical classification. In the near future, it would be interesting to combine the different biothreat detection steps presented here into a total analysis system. Hence, automation could facilitate its utilisation in the field to detect and identify (~1 h) biothreat agents resulting in more efficient medical management of victims and contribute to stop propagation.