Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Cette thèse traite de la synchronisation et de la désynchronisation des systèmes dynamiques. Dans une première partie nous abordons, sous l’angle de la biologie systémique, le problème de la désynchronisation qui consiste à induire un comportement chaotique dans un système ayant une dynamique stable. Nous étudions ce problème sur un réseau génétique appelé V-système, inventé afin de coupler le plus simplement possible une bifurcation de Hopf et une hystérèse. Après avoir démontré qu’un champ de vecteurs de R^n présentant un tel couplage peut, sous certaines conditions, avoir un comportement chaotique, nous donnons un ensemble de paramètres pour lequel le V-système associé satisfait ces conditions et vérifions numériquement que le mécanisme responsable du chaos prend place dans ce système. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la synchronisation de systèmes organisés hiérarchiquement. Nous commençons par définir une structure hiérarchique pour un ensemble de 2^n systèmes par une matrice représentant les étapes d’un processus de regroupement deux par deux. Cela nous amène naturellement au cas d’un ensemble de Cantor de systèmes, pour lequel nous obtenons un résultat de synchronisation globale généralisant le cas fini. Enfin nous traitons de la situation où certains défauts apparaissent dans la hiérarchie, i.e que certains liens entre les systèmes sont brisés. Nous montrons que l’on peut accepter un nombre infini de liens brisés, tout en gardant une synchronisation locale, à condition que ces liens soient uniquement présents aux N premiers étages de la hiérarchie (pour un N fixé) et qu’ils soient suffisamment espacés dans ces étages. / This thesis deals with the synchronization and desynchronization of dynamical systems. In a first part we tackle (under a biological viewpoint) the desynchronization problem, which consists in the induce- ment of a chaotic behavior in a stable dynamical system. We study this problem on a gene regulatory network called V-system, invented in order to couple in a very simple way, a Hopf bifurcation and a hysteresis-type dynamics. After having proved that a vector field on Rn admitting such a coupling may, under some condi- tions, show a chaotic dynamics, we give a set of parameters for which the associated V-system satisfies these conditions and verify numerically that the mechanism responsible of the chaotic motion occurs in this system. In a second part, we take interest in the synchronization of hierarchically organized dynamical systems. We first define a hierarchical structure for a set of 2^n systems by a matrix representing the steps of a matching process in groups of size two. This leads us naturally to the case of a Cantor set of systems, for which we obtain a global synchronization result generalizing the finite case. Finally, we deal with the situation where some defects appear in the hierarchy, that is to say when some links between certain systems are broken. We prove we can afford an infinite number of such broken links while keeping a local synchronization, providing they are only present at the first N stages of the hierarchy (for a fixed integer N) and they are enough spaced out in these stages.

Lors d'une infection par le virus Lambda, une bactérie peut suivre l'une ou l'autre de deux voies très différentes : la lyse, où le virus se multiplie, tue l'hôte et est relâché dans l'environnement, ou la lysogénie, où l'ADN viral est intégré dans le chromosome de l'hôte et celui-ci devient immunisé à une surinfection. La "décision" entre la lyse et la lysogénie est prise aléatoirement, mais les probabilités de suivre chacune des deux voies dépend du nombre de virus infectant la cellule en même temps et de son état physiologique : un faible nombre de virus par bactérie, un milieu riche ou des cellules en phase de croissance exponentielle favorisent la lyse, alors que les conditions opposées favorisent la lysogénie. Cela est rendu possible par un ensemble de cinq gènes, sous quatre promoteurs, interagissant les uns avec les autres et avec des protéines de l'hôte. Des paires de gènes codant pour des protéines fluorescentes ont été insérés dans le génome de Lambda. En mesurant les niveaux de fluorescence de bactéries individuelles, nous pouvons déterminer, au cours de la décision, les taux d'expression de gènes de ce réseau et leurs corrélations deux à deux. En variant systématiquement les conditions de croissance, nous pouvons ainsi obtenir une description riche de la dynamique, notamment du rôle du bruit stochastique et de son contrôle, de ce réseau de régulation naturel. Enfin, nous avons complété un programme informatique développé au laboratoire de façon à pouvoir comparer le réseau de Lambda à des réseaux générés sur ordinateur et ayant le même comportement. Cela aidera à mieux comprendre la structure particulière de ce réseau.

La Ferrédoxine:NADP oxydoréductase (FNR), codée par le gène petH, est une enzyme qui catalyse la production du NADPH dans les cellules photoautotrophes, ainsi que sa consommation dans les cellules hétérotrophes. Alors que le gène petH est unique chez la cyanobactérie Synechocystis sp. PCC6803, deux isoformes de FNR sont synthétisées FNRL et FNRS. Il a été montré que FNRS était le produit d'une initiation de traduction interne dans le même cadre de lecture que FNRL. Durant ma thèse, j'ai découvert un mécanisme grâce auquel un gène peut coder deux isoformes. Tout d'abord, j'ai montré que chaque isoforme pouvait être codée par un transcrit spécifique. En effet, en conditions standards (où FNRL s'accumule) deux ARNm avec des séquences "leader" similaires (32 et 53 bases) sont transcrits alors qu'en conditions de carence en azote (où FNRS s'accumule) un ARNm portant une séquence "leader" plus longue (126 bases) est transcrit. Des fusions transcriptionnelles du promoteur lac de Escherichia coli avec les différentes régions transcrites de petH, nous ont montré que cette régulation pourrait être accomplie par des structures secondaires adoptées par la région leader des ARNm. De telles structures pouvant activer l'initiation de traduction de FNRS et inhiber celle de FNRL. La cartographie des complexes d'initiation de traduction montre que dans l'ARNm le plus long le complexe se trouve dans la région initiatrice de FNRL, alors que dans les ARNm plus courts celui-ci est localisé dans la région initiatrice de FNRS. Ainsi, nous avons mis en évidence un nouveau mécanisme de régulation génétique chez Synechocystis permettant la synthèse de deux isoformes à partir d'un seul gène.

Cette thèse est une étude systémique de la régulation de la transcription des gènes de la bactérie Buchnera aphidicola vivant en symbiose intracellulaire obligatoire avec le puceron du pois, Acyrthosiphon pisum. Plusieurs études expérimentales antérieures sur ce modèle de symbiose attestent d'une part que la bactérie fournit à son hôte le complément nutritionnel qu'il ne trouve pas dans son alimentation, et d'autre part, que la bactérie adapte cette fourniture aux variations de la demande de son hôte, les mécanismes impliqués dans cette régulation demeurant relativement obscurs. Nous avons structuré notre analyse de la régulation de la transcription chez Buchnera en quatre parties. La première dresse l'inventaire de la machinerie transcriptionnelle de Buchnera. La deuxième partie analyse l'architecture génomique de Buchnera, i.e. l'organisation et l'évolution de sa carte opéronique. Pour cette étude, nous avons été amenés à développer une méthode bayésienne de prédiction d'opérons adaptée à Buchnera, ce qui nous a permis de proposer une nouvelle carte opéronique de la bactérie. La troisième partie porte sur les propriétés structurelles séquence-dépendantes du chromosome de Buchnera. Les résultats obtenus à l'Issue de cette approche ascendante, nous ont amené à construire un premier modèle de réseau de la régulation transcriptionnelle chez Buchnera. Enfin, la quatrième partie est un travail de modélisation suivant une approche descendante. Il s'agit du développement d'une méthode d'inférence de réseau de régulation à partir de données d'expression que nous avons appelée IGOIM. Cette méthode a été validée sur des jeux de données simulées et de la littérature.

La formation du tube neural et l'induction de la crête neurale sont des processus importants qui se passent au cours de la neurulation. Le système nerveux central se forme à partir du tube neural, alors que le système nerveux périphérique, le squelette cranio-facial et les mélanocytes se forment à partir de la crête neurale. Cependant, plusieurs maladies génétiques liées au développement anormal du tube neural et de la crête neurale existent chez l'homme. Donc, notre équipe s'est intéressée à faire une recherche au niveau moléculaire dans ce domaine. Le développement du tube neural et des cellules de la crête neurale est influencé par la présence de plusieurs voies de signalisation y compris la voie Wnt. Nous avons focalisé notre étude sur la transcription du gène Pax3 qui code pour un facteur de transcription qui s'exprime dans le tube neural et les cellules pré-migratoires de la crête neurale. L'induction de Pax3, des cellules de la crête neurale ainsi que l'expression des gènes Cdx (Cdx1, Cdx2 et Cdx4) se font par la voie de signalisation Wnt. Le chevauchement de l'expression des gènes Pax3 et Cdx se passe lors de l'induction de la crête neurale à la plaque neurale postérieure aussi bien que pendant la formation du tube neural et des cellules de la crête neurale. Les résultats préliminaires par ChIP ont montré la présence physique de Flag-Cdx1 et Flag-EnRCdx1 sur le promoteur proximal de Pax3. Notre étude par RT-PCR sur la régulation de l'expression de Pax3 par les facteurs de transcription Cdx a démontré la régulation endogène de Pax3 par ces protéines dans les cellules Neuro2a. L'essai Luciférase montre l'induction de l'expression de Pax3 par la surexpression des protéines Cdx et la diminution de son expression par la surexpression du dominant négatif EnRCdx1 dans les cellules Neuro2a. Après avoir identifié les sites potentiels de liaison pour les protéines Cdx sur le promoteur proximal de Pax3, nous avons procédé à une délétion des différentes régions de ce promoteur. On a remarqué la forte induction du promoteur au niveau de NCE (Neural Crest Enhancer). Pourtant, la mutation en combinaison de ces sites n'a pas montré la diminution de l'activité de ce promoteur. Étant donné la présence d'un site potentiel de liaison pour Brn1 sur le promoteur proximal de Pax3, notre étude par l'essai Luciférase a mis en évidence une synergie entre les co-facteurs Cdx2 et Brn1 dans les cellules Neuro2a. Le même phénomène a été observé dans les cellules P19. Pourtant, la mutation du site de Brn1 n'a pas diminué l'activité du promoteur proximal de Pax3. En conclusion, nos résultats mettent en évidence la non fonctionnalité des sites de liaison pour les facteurs de transcription Cdx sur le promoteur proximal de Pax3 ainsi que la synergie entre la protéine Cdx2 et son co-facteur Brn1 dans les cellules Neuro2a ce qui suggère que la régulation directe de Pax3 par les protéines Cdx n'implique pas de liaison des Cdx à l'ADN. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Neurulation, tube neural, crête neurale, neuroectoderme, système nerveux, voie de signalisation Wnt, transcription, facteur de transcription

Le virus de l'immunodéficience bovine (VIB) est un rétrovirus qui partage des propriétés similaires avec les autres lentivirus, dont le virus de l'immunodéficience humaine (VIH). L'expression des gènes lentiviraux dépend des protéines régulatrices virales Tat et Rev qui interviennent, dans le cycle de réplication virale, aux niveaux transcriptionnel et post-transcriptionnel, respectivement. Les longues répétitions terminales (LTR) du génome viral fournissent, quant à elles, les signaux d'initiation, d'amplification et de terminaison de la transcription. La protéine Tat, pour exercer son activité transactivatrice, interagit avec une séquence d'ARN appelée TAR ("transactivaton response element") présente sur tous les transcrits viraux. Tat recrute le facteur positif de l'élongation de la transcription b (pTEFb) au niveau du promoteur viral des LTR pour augmenter l'efficacité de transcription de l'ARN polymérase II. La protéine nucléaire Rev est impliquée dans le transport nucléo-cytoplasmique des ARN viraux mono- et non épissés. Récemment, une protéine hybride Tat/Rev constituée de 236 acides aminés (Tat 236) a été découverte à partir de virions isolés de la rate de lapins qui avaient été infectés trois ans auparavant, suggérant une évolution temporelle du virus in vivo. L'objectif de ce travail était de déterminer si des variations génétiques et/ou fonctionnelles pouvaient se retrouver dans d'autres parties du génome du variant du VIB impliquées dans la régulation de l'expression génique virale, notamment au niveau du LTR et du gène accessoire rev du VIB. Ainsi, en utilisant la technique d'amplification en chaîne des gènes (PCR), une séquence LTR mutante (LTRm) fut mise en évidence, démontrant la présence de trois mutations aux positions 191, 250 et 271 lorsque comparée à celle du LTR pré-infection obtenue du génome des virus ayant servi à l'infection des lapins. La séquence du LTR pré-infection était 100% identique à celle du LTR sauvage (LTRs) retrouvée dans la littérature. En utilisant un test de transactivation CAT in vitro avec la protéine Tat103 comme agent transactivateur, le LTRm démontra une activité promotrice d'au moins deux fois supérieure à celle obtenue avec le LTRs. Pour tenter d'associer ces mutations au nouveau caractère phénotypique de LTRm, des mutants de restauration furent développés par PCR-mutagenèse pour revenir au phénotype LTRs. L'ensemble des résultats obtenus suggère que les mutations en positions 250 et 271 seraient impliquées dans l'activité promotrice augmentée de LTRm. Finalement, l'analyse de séquences du gène rev pré- et post- infection a montré deux mutations aux positions 48 (Val → Ile) et 76 (Pro → Leu), la dernière étant localisée dans un domaine riche en arginine. Fait intéressant, la mutation à la position 76 avait aussi été rapportée auparavant dans la portion Rev de Tat236. Les résultats obtenus suggèrent une évolution temporelle du VIB dans le cours d'infections in vivo au niveau du LTR et du gène rev, similaire à celle antérieurement décrite pour le gène tat. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : lentivirus, région du LTR, gène rev, diversité génétique

La maladie de Crohn (MC) est une affection inflammatoire chronique du tube digestif dont l'étiologie reste mal connue. Les lésions iléales de patients atteints de MC sont anormalement colonisées par des souches pathogènes de Escherichia coli appartenant au pathovar AIEC pour Adherent-Invasive E. coli. Ces souches adhérent et envahissent fortement les cellules épithéliales intestinales. Elles sont également capables de se multiplier fortement en macrophages et d'induire une sécrétion élevée de TNF-α. L'objectif de ce travail est d'analyser les systèmes de régulation de la souche AIEC de référence LF82 impliqués dans l'expression maximale de virulence au sein la lumière intestinale et/ou en conditions intracellulaires. Nous avons étudié la co-régulation de l'expression des pili de type 1 et des flagelles en partant de l'observation qu'un mutant n'exprimant plus de flagelles perd de façon concomitante sa capacité à synthétiser des pili de type 1. Nous avons pu montrer que cette co-régulation complexe met en jeu la concentration intracellulaire en di-GMP cyclique et en protéine de type-histone Fis. Ces systèmes de régulation transcriptionnelle permettent une expression maximale des pili de type 1 qui, en conditions intestinales, confèrent aux AIEC un avantage par rapport à la flore commensale. L'annotation et l'analyse du génome de la souche AIEC LF82 a permis de mettre en évidence l'existence d'îlots de pathogénicité, des gènes spécifiques codants de potentiels facteurs de virulence mais également des mutations ponctuelles, de type pathoadaptatives, dans des gènes de virulence connus permettant vraisemblablement aux souches AIEC de coloniser la muqueuse intestinale de patients génétiquement prédisposés à développer une MC.

Les plantes sont des organismes sessiles, ce qui implique qu'elles doivent passer à travers tous les stades de leur développement au même endroit peu importe les conditions environnementales. La transition de la phase végétative (production de tiges et feuilles) à la phase reproductive (production de fleurs) est une étape cruciale de ce développement. Les facteurs environnementaux tels que la durée de l'ensoleillement, la température, les nutriments et la disponibilité en eau sont des déterminants importants de cette transition, et donc de la floraison. En zones tempérées, la majorité des espèces végétales ont développé des mécanismes d'adaptation leur permettant d'optimiser leur développement en fonction des conditions de température et d'ensoleillement. Des pertes agricoles importantes peuvent être encourues si ces conditions ne sont pas optimales. Le blé est une des espèces céréalières essentielles à cause de son utilisation quotidienne directe et indirecte dans la nourriture de la population humaine mondiale et des animaux. Cette céréale est composée essentiellement de cultivars d'hiver et de cultivars de printemps. Les cultivars d'hiver sont semés en automne et récoltés en début d'été, donc traversant tout l'automne et l'hiver avec le risque de pertes dues au gel. Les cultivars de printemps sont semés au printemps et récoltés en fin d'été avec le risque de pertes dues au gel d'automne et aux attaques d'insectes ravageurs plus abondants à ce moment. La floraison du blé d'hiver requiert une exposition prolongée aux températures basses, un processus appelé vernalisation. Chez le blé hexaploïde (Triticum aestivum L.), le processus de vernalisation est régi par une des voies génétiques qui impliquent trois gènes principaux qui codent pour des facteurs de transcription, Triticum aestivum VERNALIZATION1 (TaVRN1), Triticum aestivum VERNALIZATION2 (TaVRN2) et Triticum aestivum FLOWERING LOCUS T like 1 (TaFT1), également appelé TaVRN3. TaVRN1 et TaVRN3 sont des activateurs de la floraison tandis que TaVRN2 est un répresseur de la floraison. Afin de comprendre la fonction et la régulation de chacun de ces trois gènes dans la floraison du blé hexaploïde, j'ai utilisé une approche génomique (biopuce) combinée à des outils bioinformatiques (analyse de données et de séquences) et une approche de génétique moléculaire (régulation de l'expression génique, épigénétique, et mutagène). Dans une première étude, j'ai testé si VRN2 peut agir comme un répresseur de la floraison chez une espèce de plante différente des céréales tempérées. Pour atteindre cet objectif, nous avons exprimé de façon constitutive chez Arabidopsis thaliana le gène du blé TaVRN2. Les plantes transgéniques obtenues n'ont montré aucune altération de leur morphologie, mais leur date de floraison a été considérablement retardée par rapport aux plantes contrôles. Ces résultats indiquent que TaVRN2, bien que n'ayant pas d'orthologue connu chez les Brassicaceae, agit comme un répresseur de la floraison chez ces espèces. Des études sur la tolérance au gel ont révélé que les plantes transgéniques ont une tolérance au gel plus élevée que les plantes contrôles. Dans l'ensemble, ces données suggèrent que le gène TaVRN2 pourrait moduler des voies de régulation qui régissent le temps de floraison et l'induction de la tolérance au gel. Des études d'expression de la transcription indiquent que l'expression de TaVRN-A1 et TaFT-A1 chez le blé d'hiver est induite par la vernalisation. En utilisant la méthode d'immunoprécipitation sur la chromatine (IPCh ou ChIP) nous avons démontré que cette régulation à la hausse est associée à une augmentation du niveau de méthylation de l'histone-3-lysine-4-triméthylation (H3K4Me3) impliquée dans la régulation épigénétique alors qu'on ne note pas de changement du niveau de l'histone-3-lysine-27-triméthylation (H3K27Me3) à la région promotrice de TaVRN-A1 et TaFT1-A1. Cependant pour les deux marqueurs, leur niveau d'expression est maintenu comparable à la région promotrice TaVRN-B2. H3K4me3 est un marqueur d'activation de la transcription alors que H3K27Me3 est un marqueur de répression de la transcription. Des résultats d'analyses de séquences de promoteur de chaque gène obtenus avec l'utilisation d'outils bioinformatiques révèlent la présence d'éléments cis ciblés par des facteurs de transcription communs chez les espèces de plante qui exigent la vernalisation pour fleurir. Ces données suggèrent l'implication de ces éléments cis ciblés durant la vernalisation. Ces promoteurs possèdent également des éléments de réponse au Polycomb et au Trithorax qui lient les groupes de protéines Polycomb et Trithorax, pour maintenir les états de transcription réprimé ou actif des gènes de développement importants. L'ensemble de ces données indique que la transition de la floraison induite par la vernalisation chez le blé est régulée de façon épigénétique et est médiée par la méthylation des histones au niveau des promoteurs de TaVRN1, TaFT1 et TaVRN2. Ceci peut représenter une partie de la mémoire cellulaire de vernalisation chez le blé. Afin d'étudier l'impact de l'absence du gène VRN1 sur des gènes associés à la floraison, nous avons utilisé une approche génomique basée sur une analyse du transcriptome des plantes d'un mutant mvp-1 (maintained vegetative phase) contenant une délétion de gènes incluant VRN1. Les résultats de cette analyse indiquent que cette délétion conduit à la régulation de 368 gènes. Parmi les gènes hautement régulés, on compte ceux associés à la réponse aux pathogènes (PR) et aux jasmonates. Ces résultats suggèrent que cette délétion dans les plantes du mutant mvp-1 causant l'absence de floraison est associée à l'activation de la réponse moléculaire du mécanisme de défense modulée par la biosynthèse de l'hormone méthyl jasmonate (MeJA). Pour confirmer l'implication du MeJA dans la floraison, nous avons mesuré la teneur en MeJA dans les plantes homozygotes du mutant mvp-1 et des plantes de type sauvage. Le contenu en MeJA était six fois plus élevé dans les plantes du mutant mvp-1 en comparaison du contenu du MeJA dans les plantes de type sauvage. Un traitement avec 150 µM de MeJA sur du blé de printemps hexaploïde (cv Manitou) montre un retard de floraison de deux semaines et une croissance réduite des plantes traitées. Ce retard dans la floraison était associé à la répression significative du gène Triticum aestivum FLOWERING LOCUS T like 1 (TaFT1) supportant ainsi le rôle possible du MeJA dans le contrôle de la floraison. Les résultats obtenus dans le cadre de ces travaux de doctorat montrent l'importance du rôle des gènes VRN1, VRN2 et VRN3 ainsi que de l'hormone MeJA dans la mise en place des mécanismes d'adaptation pour mieux synchroniser la floraison et le développement du blé face aux changements environnementaux. En perspective, cette étude offre des avenues prometteuses afin d'améliorer des stratégies agricoles et la productivité céréalière. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Acclimatation au froid, Biopuce, Blé, Épigénétique, Facteurs de transcription, Floraison, Immunoprécipitation de chromatine, Mutant, Photopériode, Transgénique, Tolérance au gel, Vernalisation.