<p>The objective of this study was to develop and validate a six Non-CODIS miniSTR genotyping system and to determine its suitability for forensic casework in South Africa. In Non-CODIS miniSTR genotyping systems, smaller PCR products are amplified and the primers are positioned as close as possible to the repeat region. For this reason, these systems can be valuable in a variety of scenarios including complex paternity cases, missing persons work, and mass fatality disasters.</p>

<p>The objective of this study was to develop and validate a six Non-CODIS miniSTR genotyping system and to determine its suitability for forensic casework in South Africa. In Non-CODIS miniSTR genotyping systems, smaller PCR products are amplified and the primers are positioned as close as possible to the repeat region. For this reason, these systems can be valuable in a variety of scenarios including complex paternity cases, missing persons work, and mass fatality disasters.</p>

The objective of this study was to develop and validate a six Non-CODIS miniSTR genotyping system and to determine its suitability for forensic casework in South Africa.In Non-CODIS miniSTR genotyping systems, smaller PCR products are amplified and the primers are positioned as close as possible to the repeat region. For this reason, these systems can be valuable in a variety of scenarios including complex paternity cases,missing persons work, and mass fatality disasters. After the successful implementation of the genotyping system in the laboratory, allele size range was determined for each of the loci and allelic ladders were constructed. The entire repeat regions of the six loci under investigation were successfully sequenced.Consequently, allele repeat number, structure and observed size were determined for each locus.An internal validation study of the six Non-CODIS miniSTR genotyping system was conducted following the SWGDAM guidelines. A comprehensive population study,covering five population groups from South Africa was also carried out.The genotyping system produced consistent, accurate and precise genetic profiles for low concentrations of template DNA. When analyzing mixed DNA samples, successful differentiation of minor and major DNA components was identifiable. Amplification products were observed in non-human DNA studies but in all instances complete genotype profiles were not obtained. Allele frequencies and forensic parameters were determined for the system in five South African population groups (i.e. Afrikaner, Asian-Indian, Mixed Ancestry, Xhosa and Cape Muslim). No deviation from Hardy-Weinberg equilibrium was observed in any of the populations. Furthermore, all populations displayed a high power of discrimination and a high power of exclusion.The six Non-CODIS miniSTR genotyping system has shown a good potential to aid in the analysis of degraded DNA samples. This system can be further improved by including additional loci. Even in its current form, it can certainly provide additional discrimination in complex paternity and/or missing person cases. / >Magister Scientiae - MSc

Magister Scientiae - MSc / The objective of this study was to develop and validate a six Non-CODIS miniSTR genotyping system and to determine its suitability for forensic casework in South Africa. In Non-CODIS miniSTR genotyping systems, smaller PCR products are amplified and the primers are positioned as close as possible to the repeat region. For this reason, these systems can be valuable in a variety of scenarios including complex paternity cases, missing persons work, and mass fatality disasters. / South Africa

Les espèces bactériennes exhibent plusieurs états de structure de populations pouvant varier de clonale à panmictique selon l'importance des transferts horizontaux et la nature de leur écosystème. Dans mon travail de thèse, je me suis intéressé à trois espèces bactériennes, Staphylococcus aureus, Legionella pneumophila et Pseudomonas aeruginosa qui reflètent trois situations différentes. Afin de pouvoir décrire de façon rapide de grandes collections de souches, j'ai utilisé comme marqueurs de diversité le polymorphisme de séquences répétées en tandem appelées VNTRs, pour Variable Number Tandem Repeat. La méthode MLVA, ou Multiple Loci VNTR Analysis, est une méthode de typage moléculaire qui s’appuie sur l’étude concomitante du polymorphisme de plusieurs loci VNTRs. Dans un premier temps, j'ai conçu des protocoles de typage automatisés pour les trois espèces considérées, puis j'ai appliqué ces outils pour traiter de questions d'épidémiologie. S. aureus, espèce à structure clonale, est un pathogène majeur responsable notamment de toxi-infections alimentaires collectives (TIAC). Les travaux réalisés ont permis de démontrer la spécificité d’hôte de certains complexes clonaux et l’origine humaine des cas de TIAC. L. pneumophila est un pathogène de l’environnement dont la structure de population est atypique : présumée panmictique dans la nature, la bactérie semble connaitre une évolution clonale lorsque son écosystème est restreint, dans un milieu anthropique par exemple. L’étude épidémiologique menée sur la population de L. pneumophila dans la ville de Rennes a mis en évidence la présence d’un écotype, non impliqué dans les cas cliniques épidémiques, particulièrement adapté aux réseaux d’eau. P. aeruginosa, modèle de bactérie panmictique, colonise les bronches de patients atteints de mucoviscidose. Le suivi longitudinal de patients indique que les souches installées sont persistantes et quasi-exclusive de la niche qu’elles occupent. L’exploration de cette diversité du monde bactérien est un préalable à l’investigation épidémiologique des maladies infectieuses. Avec un même outil moléculaire de première intention, cette thèse retrace l’épidémiologie et la structure de trois espèces bactériennes très différentes. L’adaptation à un nouvel environnement (hôte animal, niche écologique, organe) est l'occasion d'expansions clonales. / Bacterial species exhibit diversity in their population structure varying from clonal to panmictic according to the abundance of horizontal transfer and the nature of their ecosystem. During my PhD, I focused on three bacterial species, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Legionella pneumophila, which reflect three different situations. To perform the characterisation of large strain collections, I studied the polymorphism of molecular markers called VNTRs for Variable Number Tandem Repeat. MLVA (Multiple Loci VNTR Analysis) is a PCR based typing method that relies on the concomitant analysis of several VNTRs loci. Initially, I designed automated typing protocols for the three species, then I applied these tools to address issues of epidemiology. S. aureus, a clonal species, is a major cause of food poisoning. The present work confirmed the existence of host-specific clonal complexes and demonstrated the predominantly human origin of foodborne disease cases. L. pneumophila is an environmental pathogen whose population structure is atypical: it is presumed panmictic in the environment but the bacterium expands clonally when the ecosystem is restricted, in an anthropogenic habitat for instance. A long-term epidemiological monitoring of L. pneumophila populations in the city of Rennes highlighted the presence of an ecotype, not involved in epidemic cases, particularly adapted to hot water supply systems. P. aeruginosa, a well-described panmictic bacterium, colonizes CF patients’ airways. The longitudinal monitoring of patients provided evidence that the settled strains were persistent and exhibited strong exclusivity for the occupied niche. Exploring the bacterial world diversity is a prerequisite for epidemiological investigation of infectious diseases. Using a first-line molecular tool, these works trace the epidemiology and the population structure of three bacterial species. The adaptation to a new environment (animal host, ecological niche, organ) generally results in clonal expansions.

Le vieillissement est un processus complexe déterminé par des facteurs génétiques et environnementaux qui varie d’un individu à l’autre. Bien que le vieillissement soit la cause principale de nombreuses maladies, nos connaissances sur le sujet sont relativement limitées. Tout au long de ce travail, j’ai utilisé la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae pour identifier les facteurs génétiques et environnementaux influant sur le vieillissement et pour comprendre les interactions qu’ils entretiennent entre eux. Jusqu’à présent, les approches classiques de génétique ont permis de découvrir un certain nombre de gènes impliqués dans la régulation du vieillissement chronologique de la levure (CLS), basé sur la longévité de celle-ci en conditions non-prolifératives. Or, ces approches se sont essentiellement centrées sur des souches de laboratoire et n’ont que très peu exploité les richesses de la biodiversité. Dans une première partie, j’ai utilisé une large cohorte de levures composée de plus de 1000 souches naturelles de S. cerevisiae afin d’estimer la variabilité de longévité existant au sein de l’espèce. Leur longévité a été étudiée dans différentes conditions connues pour freiner le vieillissement : sous restriction calorique ou en présence d’un agoniste de la restriction calorique, la molécule rapamycine, qui inhibe directement la voie de signalisation TOR. Les microorganismes passent la majeure partie de leur vie dans des environnements défavorables, pauvres en ressources nutritives. Leur capacité à survivre à ces périodes de restriction (CLS) est donc primordiale. J’ai observé que les souches sauvages ont tendance à spontanément initier le programme de méiose aboutissant à la formation de spores lorsque les conditions environnementales deviennent restreintes. En revanche, les souches domestiques préfèrent entrer en quiescence, ce qui leur confère une viabilité et une résistance accrues. De plus, en ayant recours à une approche basée sur des gènes présélectionnés et à une étude d’association pangénomique, j’ai observé que la variabilité de longévité entre les différentes souches est déterminée par un large spectre de polymorphismes génétiques, tels que des mutations non-synonymes ou non-sens, et par l’absence ou la présence de certains gènes. Toutes ces composantes génétiques interagissent pleinement avec l’environnement. Dans une deuxième partie, j’ai réalisé une analyse de liaison génétique grâce à 1056 souches descendantes de deux souches parentales. La longévité (CLS) de ces 1056 souches a été mesurée dans le but d’identifier des locus de caractères quantitatifs (QTLs). Le vieillissement chronologique a été déterminé à la fois à partir d’un milieu riche, d’un milieu restreint en calories, ou en présence de rapamycine. J’ai identifié 30 QTLs distincts, certains d’entre eux sont communs et récurrents dans plusieurs environnements, tandis que d’autres sont plus spécifiques et occasionnels. Les deux QTLs principaux, associés aux gènes HPF1 et FLO11, codent tous deux des protéines du mur cellulaire, et sont jusqu’à présent non reconnus comme régulateurs du vieillissement. Etonnement, ces deux gènes contiennent des répétitions d’ADN en tandem qui s’avèrent être massivement amplifiées dans une des deux souches parentales d’origine. Alors que les allèles courts de HPF1 et FLO11 n’ont pas d’effet sur le vieillissement, les allèles longs sont relativement délétères, hormis en présence de rapamycine. Après investigation, il semble que la forme allongée de HPF1 provoque la flottaison des cellules de levure au cours de la phase de croissance, les exposants à des taux plus élevés d’oxygène. / Aging is a classical complex trait varying quantitatively among individuals and affected by both the genetic background and the environment. While aging is the highest risk factor for a large number of diseases, little is known about the underlying molecular mechanisms. Identifying the causal genetic variants underlying natural variation in longevity and understanding their interaction with the genetic background and the environment remains a major challenge. In this work, I used the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae, to identify environmental and genetic factors contributing to aging. While extensive classical genetic studies discovered several genes involved in the regulation of chronological lifespan (CLS), which measures cell viability dynamic in non-dividing condition, using laboratory strains in standard conditions, there are only few studies exploiting variations in natural populations. In the first part, I used a large cohort of more than 1000 sequenced natural S. cerevisiae strains to provide a species-wide overview of CLS variability. Longevity was measured in different environments, including calorie restriction (CR), a natural intervention known to increase lifespan, and in the presence of rapamycin (RM), a drug that mimics CR by downregulating the TOR pathway. Unicellular microorganisms spend most of their lifetime in harsh restricted environments interrupted by short windows of growth, making CLS an important and likely adaptive trait. I found that wild strains subjected to CLS tend to trigger the meiotic developmental process leading to the formation of gametes wrapped into a very resistant cell wall. In contrast, domesticated strains tend to enter quiescence state when starved and display a tremendous variability in their survival capacity. Moreover, using both candidate gene approach and genome-wide association studies (GWAS), I demonstrated that variability in CLS is determined by a full spectrum of genetic variant that include gene presence/absence, copy number variation, non-synonymous SNPs and loss of function. All these genetic features were strongly regulated by the environment. In the second part, I performed linkage analysis using 1056 diploid segregants derived from a two parent advanced intercross. These 1056 diploid segregants were phenotyped for CLS to map quantitative trait loci (QTLs). The CLS was measured in complete media, CR and RM environments across multiple time points. I mapped 30 distinct QTLs, with some shared across different environments and time points, while others were unique to a specific condition. The two major effect size QTLs were linked with natural variation in the cell wall glycoproteins FLO11 and HPF1, previously unknown to regulate CLS. Interestingly, both genes presented massive intragenic tandem repeat expansions in one of the founder strain used in the crossing scheme. While the short versions of FLO11 and HPF1 alleles did not impact CLS, tandem repeat expansions within those genes were sufficient to confer a dominant detrimental effect that was partially buffered by rapamycin treatment. Further investigation revealed that the extended form of HPF1 makes cells floating during exponential phase, exposing them to higher oxygen rates, and leading to perturbation of redox homeostasis, activation of misfolded protein response, and alteration of multiple genes involved in methionine, ribosome and lipid biosynthesis, eventually contributing to CLS shortening. Taken together, my work provided an unprecedented overview of natural variation in CLS in a genetic model system and revealed multiple genetic and environmental factors that shape the species phenotypic variation.

Nos travaux ont cherché à mieux comprendre les mécanismes à l’origine de la virulence de Staphylococcus lugdunensis, espèce au pouvoir pathogène proche de celui de Staphylococcus aureus. Nous avons procédé à la première caractérisation fonctionnelle chez cette espèce d’un système à deux composants, LytSR. Ce système s’est révélé impliqué dans le contrôle de processus métaboliques majeurs et dans la virulence. Il est en effet impliqué dans la formation de biofilm, probablement en lien avec le contrôle exercé sur la mort cellulaire. LytSR est de plus impliqué dans la pathogenèse des infections à S. lugdunensis, comme démontré dans le modèle d’infection du nématode Caenorhabditis elegans. Pour mieux caractériser et suivre la diffusion de clones prédominants chez cette espèce, nous avons dans un deuxième volet développé trois nouvelles méthodes de typage (MLVA, TRST et fbl-typing), reposant sur le polymorphisme de séquences répétées en tandem. Ces méthodes se sont révélées très discriminantes, permettant la définition de nouveaux génotypes chez cette espèce clonale. Ces outils sont à ce titre très prometteurs pour des études micro- comme macro-épidémiologiques chez S. lugdunensis, le fbl-typing apparaissant à bien des égards comme l’outil utilisable en première ligne (http://fbl-typing.univ-rouen.fr/). Enfin, nous avons montré que la variabilité de la liaison de S. lugdunensis au fibrinogène in vitro peut être en partie expliquée par des variations génétiques de fbl. / Our work has sought to better understand mechanisms involved in Staphylococcus lugdunensis virulence, a species whose pathogenicity is close to that of Staphylococcus aureus. We performed the first functional characterization of a two-component regulatory system, LytSR, in this species. This system has been shown to be involved in the control of major metabolic processes and in virulence. It is indeed involved in biofilm formation, probably in connection with the control of cell death. LytSR is furthermore implicated in the pathogenesis of S. lugdunensis infections, as demonstrated in the infection model of the nematode Caenorhabditis elegans. To better characterize and monitor the diffusion of predominant clones in this species, we have in a second part developed three new typing methods (MLVA, TRST and fbl-typing), based on the polymorphism of variable number of tandem repeats. These methods were highly discriminant, allowing the definition of new genotypes in this clonal species. These tools are very promising for micro- and macro-epidemiological studies in S. lugdunensis, fbl-typing appearing in many ways as the frontline tool (http://fbl-typing.univ-rouen.fr/). Finally, we have shown that the variability of the binding of S. lugdunensis to fibrinogen in vitro can be partly explained by some fbl genetic variations.

Biological signal processing can help us gain knowledge about biological complexity, as well as using this knowledge to engineer better systems. Three areas are identified as critical to understanding biology: 1) understanding DNA, 2) examining the overall biological function and 3) evaluating these systems in environmental (ie: turbulent) conditions. DNA is investigated for coding structure and redundancy, and a new tandem repeat region, an indicator of a neurodegenerative disease, is discovered. The linear algebraic framework can be used for further analysis and techniques. The work illustrates how signal processing is a tool to reverse engineer biological systems, and how our better understanding of biology can improve engineering designs. Then, the way a single-cell mobilizes in response to a chemical gradient, known as chemotaxis, is examined. Inspiration from receptor clustering in chemotaxis combined with a Hebbian learning method is shown to improve a gradient-source (chemical/thermal) localization algorithm. The algorithm is implemented, and its performance is evaluated in diffusive and turbulent environments. We then show that sensor cross-correlation can be used in solving chemical localization in difficult turbulent scenarios. This leads into future techniques which can be designed for gradient source tracking. These techniques pave the way for use of biologically-inspired sensor networks in chemical localization.

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