Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Multi-omique“

Les lymphomes B diffus à grandes cellules (LDGCB) sont des proliférations cancéreuses agressives prenant leur origine dans le système lymphatique, et qui représentent 4000 nouveaux cas par an en France. Si des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières années concernant leur prise en charge, un peu plus d’un tiers des patients ne répondent pas aux immuno-chimiothérapies actuelles. Les travaux présentés dans ce mémoire visaient à caractériser ces tumeurs par plusieurs techniques à haut débit, afin de mettre en évidence des altérations somatiques susceptibles d’expliquer ou de faire suspecter dès le diagnostic ce phénotype réfractaire. Sur le plan transcriptomique, la sous-classification en lymphomes « Germinal Center B-cell like » et « Activated B-Cell like » grâce à un nouveau test simple et fiable permet désormais d’identifier les patients atteints de ce second sous-type de moins bon pronostic. Sur le plan génomique, le développement d’outils d’analyse bio-informatique pour les puces CGH a conduit à la confirmation de nombreux gains et pertes de copies dans les génomes de ces tumeurs, et à la caractérisation plus fine de la perte du gène CDKN2A. Sur le plan mutationnel enfin, le séquençage exomique de 14 LDGCB réfractaires a permis de mettre en évidence de nouveaux gènes dont la mutation pourrait expliquer la résistance au traitement. Chacun de ces trois volets a fait l’objet d’un état des lieux bibliographique, et de développements d’outils bio-informatiques qui pourront à l’avenir être également appliqués à d’autres types de cancers
Diffuse large B-cell lymphomas (DLBCLs) are tumors originating in the lymphatic system, accounting for 4 000 new cases per year in France. While much progress has been made regarding their treatment, one of three patients still does not respond to current immuno-chemotherapies. The present work consisted in characterizing these cancers using various high-throughput technologies, in order to identify somatic alterations that could explain this refractoriness or allow it to be suspected at diagnosis. Gene expression profiling had previously identified two subtypes with distinct outcomes, termed « Activated B-Cell like » and « Germinal Center B-cell like », which we were able to identify using a new simple diagnostic test. The development of bioinformatics software to handle CGH array data confirmed several copy number gains and losses in DLBCLs, and led to a more precise characterization of CDKN2A loss. Finally the sequencing of 14 exomes of relapsed or refractory DLBCLs produced an interesting picture of somatic mutations associated with this phenotype, and highlighted several new leads. An extensive review of the bibliography is proposed on each of these three aspects of tumoral genome alteration, as well as several new bioinformatics methods that may be applied to distinct cancer types in a near future

L’aspect novateur de ce projet réside dans l’étude des acylations au niveau de la lysine K27 de l’histone H3, classiquement étudiée sous forme méthylée ou acétylée. Nous avons réalisé ce travail sur des cellules germinales méiotiques et post-méiotiques de souris. La spermiogénèse, qui implique un programme d’expression spécifique ainsi qu’une régulation fine de la transcription, est un processus particulièrement adapté à la compréhension du rôle des nouvelles modifications d’histones. Ces travaux regroupent l’utilisation de quatre approches omiques différentes, à savoir la protéomique, la métabolomique, la transcriptomique et le séquençage ChIP-seq afin de décrypter la régulation des acylations sur H3K27.Dans la première partie de ce projet, nous avons exploré la dynamique d’acétylation et de crotonylation sur les lysines d’histones au cours des processus de sporulation de la levure et de spermatogénèse de la souris, ce qui nous a permis de mettre en évidence un site d’intérêt H3K27 crotonylé. Son accumulation sur le variant d’histone H3.3 et sa stoechiométrie importante par rapport à la forme acétylée H3K27ac dans les cellules germinales post-méiotiques de souris nous ont conduits à étudier la distribution génomique de cette marque, par des analyses de ChIP-seq. L’analyse comparative de H3K27ac et H3K27cr a révélé une synergie entre la présence de ces deux marques à la fois au niveau des promoteurs et des enhancers distants, ce qui suggére une possible alternance des deux marques afin de réguler la transcription. Au niveau des promoteurs, nous avons observé une augmentation de ces modifications entre les stades méiotiques et post-méiotiques en amont des gènes caractéristiques de la spermiogénèse. D’autre part, la présence simultanée des deux marques coïncide avec la co-localisation de plusieurs régulateurs de la transcription spécifiques de ce processus (SLY, SOX30) et de protéines de liaison à la chromatine (BRD4, BORIS et CTCF), tandis qu’une sélectivité de fixation est observée lorsque H3K27ac et H3K27cr sont identifiées seules aux promoteurs. De façon intéressante, nous observons des résultats similaires au niveau des enhancers ainsi que des super-enhancers, confirmant que la régulation de la transcription est modulée par la présence alternative de ces deux acylations.La deuxième partie de ma thèse a porté sur l’étude de la propionylation et de la butyrylation de H3K27 au cours de la sporulation de la levure et de la spermatogénèse de la souris. Cependant, cette partie s’est avérée pleine de surprises car les analyses MS/MS en cellules HCD et la comparaison avec les peptides synthétiques correspondants n’ont pas permis de valider une propionylation et une butyrylation sur H3K27. Il s’est avéré qu’il s’agissait de structures strictement isobares avec ces modifications connues, mais de nature différente, puisque plus hydrophile que ces acylations. Plusieurs hypothèses ont été testées afin de déterminer la composition de ces modifications, mais au moment de la finalisation de ce manuscrit, nous n’avons pas encore trouvé le fin mot de l’histoire.Mes travaux de thèse rappellent les obervations de Goudarzi et al., à savoir une dynamique entre acétylation et acylation sur les résidus lysines à l’origine de la fixation différentielle de facteurs de régulation ou de protéines se liant à la chromatine et responsables de la régulation de la transcription. Ils ont également mis en lumière un rôle importante de H3K27cr, au niveau des enhancers en combinaison avec H3K27ac, lesquels ne sont classiquement pas étudiés dans les études fonctionnelles portant sur la compréhension du rôle de nouvelles acylations
The innovative aspect of this project lies in the study of acylations at lysine 27 from histone H3 (H3K27), conventionally studied in a methylated or an acetylated form. We performed this work on meiotic and post-meiotic mouse germ cells. Spermiogenesis, which involves a specific expression program as well as a fine regulation of transcription, is a process that is particularly well suited to understanding the roles of new histone modifications. This work combines the use of four different omics approaches, namely proteomics, metabolomics, transcriptomics and ChIP- sequencing to decipher the regulation of acylations on H3K27.In the first part of this project, we explored the dynamics of acetylation and crotonylation on histone lysines during the processes of yeast sporulation and mouse spermatogenesis, which allowed us to highlight in particular crotonylated H3K27. Its accumulation on the histone variant H3.3 and its important stoichiometry compared to the acetylated form H3K27ac in mouse post-meiotic germ cells led us to study the genomic distribution of this mark by ChIP-seq analysis. The comparative analysis of H3K27ac and H3K27cr revealed a synergy between the presence of these acylations at both promoters and distal enhancers, suggesting a possible alternation of the two marks to regulate transcription. At the promoter level, we observed an increase of these modifications between the meiotic and post-meiotic stages upstream of the genes characteristic of spermiogenesis. In addition, the simultaneous presence of the two marks coincides with the co-localization of several transcriptional regulators specific for this process (SLY, SOX30) and of chromatin-binding proteins (BRD4, BORIS and CTCF), whereas a binding selectivity is observed when H3K27ac and H3K27cr are identified alone at promoters. Interestingly, we observe similar results at enhancers as well as super-enhancers, confirming that the regulation of transcription is modulated by the alternative presence of these two acylations.The second part of my thesis focused on the study of the possible propionylation and butyrylation of H3K27 during yeast sporulation and mouse spermatogenesis. However, this part proved to be full of surprises because the MS/MS analyses and the comparison with the corresponding synthetic peptides did not make it possible to validate a propionylation and a butyrylation on H3K27. It turned out that the modifications observed on H3K27 from mouse histones were strictly isobaric with these known modifications, but of a different nature, since they are more hydrophilic. Several hypotheses were tested in order to determine the structure of these modifications, but at the time of finalizing this manuscript, we have not found out what it is all about.My PhD work contributes further to the idea of a dynamics between acetylation and acylations on lysine residues at the origin of the differential binding of chromatin-binding proteins responsible for regulating transcription. It also highlighted an important role of H3K27crat enhancers which are not classically considered in studies aiming at understanding the roles of new acylations

Les G-quadruplex (G4), structures secondaires pouvant être adoptées par les acides nucléiques, jouent des rôles biologiques dans de nombreux processus cellulaires : maintenance des télomères, réplication cellulaire et virale, réarrangements génomiques, réponse au dommages de l’ADN, régulation transcriptionnelle. Dans le génome humain, il existe une forte présence de séquences potentiellement capables de former des G4 et, en fonction des algorithmes de recherche utilisés pour les identifier in silico, le nombre de motifs est variable et peut atteindre plusieurs centaines de milliers. Récemment, le développement de ligands qui se lient spécifiquement aux G4 et sont capables de stabiliser ces structures, permettrait de moduler leur formation in vivo et donc d’étudier les processus biologiques associés et de développer des agents anti-cancéreux visant des proto-oncogènes.Des travaux menés dans notre unité, basés sur un modèle levure (insertion de la séquence du minisatellite humain CEB25 dans le génome de Saccharomyces cerevisiae), ont montré que les divers motifs G4 ne sont pas tous capables d’induire de l’instabilité génétique et qu’ils n’ont pas le même comportement vis-à-vis des ligands. En particulier, les G4 composés de boucles courtes - dits G4-L1, du type G3N1G3N1G3N1G3, sont beaucoup plus stables in vitro (Tm > 70°C) et corrélativement sont plus instables in vivo. Ces observations mènent à la question de comment ces motifs ‘à risque’ se forment in vivo, sont maintenus dans les génomes et comment ils évoluent. Pour aborder ces questions, nous avons mis au point et employé des approches expérimentales et bio-informatiques pour : (1) localiser, annoter et comparer les motifs G4-L1 dans le génome humain, en utilisant le génome de référence hg38 et les données du projet 1000 Génomes pour évaluer leur polymorphisme, ainsi qu’examiner leur maintien dans plus de 500 espèces ; (2) caractériser le potentiel mutagène des G-quadruplex par une approche de capture-NGS (séquençage à très haute profondeur), en utilisant diverses lignées cellulaires humaines traitées par des ligands de G4 (notamment, les ligands de la famille de PhenDC produits à l’Institut Curie) ; et (3) améliorer notre compréhension des rôles des G4 stables dans la transcription, en associant l'expression génique à la fréquence de motifs G4 canoniques présents autour des TSS, par des analyses combinées de génomique/traitements avec des ligands dans des cellules de fibrosarcome
Nucleic acid G-quadruplex (G4) secondary structures play important biological roles in multiple cellular processes (telomere maintenance, cellular and viral replication, genome rearrangements, DNA damage response, epigenetic, transcriptional regulation). G4 potential motifs are scattered throughout the genome and, depending on the algorithms used to identify them in silico, their number varies and may reach several hundreds of thousands. Recently, the development of small molecules able to stabilise these structures opened the possibility of probing and/or interfering with their formation, allowing to examine the associated biological processes and developing anti-cancer agents. Work in our research unit, using natural and site-directed mutated human minisatellite sequences in yeast treated with different G4 ligands, showed that not all G4 sequences display the same potential to induce G4-dependent genome instability during replication. Namely, G4 structures carrying very short interconnecting loops between the G-runs are more stable in vitro and correlatively, are more prone to trigger genome instability in vivo. At the extreme, the G4s with the consensus G3N1G3N1G3N1G3 motif (where N is any nucleotide) – herein called G4-L1 – carry the higher potential to fold and trigger instability. This raises the unresolved questions of how these ‘at risk’ sequences are formed in vivo, maintained in genomes and how they evolve. To address these issues, we have used up–to-date bioinformatics, analytical and biological approaches to: (1) map, annotate and compare G4-L1 motifs in the human genome, using the hg38 reference and the 1000 Genomes project variation information to assess common polymorphism, as well as examine their maintenance across over 500 species; (2) characterize, using various human cell lines and Next Generation Sequencing (NGS) approaches, the potential of these sequences to mutate or induce perturbations upon treatments with G4 ligands; and (3) to improve our understanding of the roles of stable G4s in transcription, we have associated gene expression with the frequency of canonical G4 motifs near gene by combined G4 ligand/genomic analyses in fibrosarcoma cells

Les sarcomes épithélioïdes (SE) sont un sous-type très rare de sarcome agressif, affectant tous les groupes d’âge et classiquement divisé en deux entités clinico-pathologiques – les sous-types distal et proximal – suggérant la présence d’une hétérogénéité inter-tumorale. Comme les tumeurs rhabdoïdes affectant les jeunes enfants, les SE sont caractérisés par la perte de SMARCB1, une sous- unité centrale du complexe de remodelage de la chromatine SWI/SNF. En utilisant des données de bulk multi-omique et transcriptomique sur cellule unique, nous avons mis en évidence l’existence de deux sous-types moléculaires transcriptomiques – « distal-like » et « proximal-like » – distincts de la classification clinico-pathologique traditionnelle. Les tumeurs du sous-type moléculaire distal-like qui comprenaient les sous-types morphologiques distaux et certains sous-types proximaux ou mixtes, exprimaient des marqueurs spécifiques de transition épithélio-mésenchymateuse dont DSG2 (desmogléine 2) qui pourrait être évalué en routine en immunohistochimie. Elles étaient caractérisées par une densité accrue en lymphocytes T CD8+ et cellules myéloïdes pro- tumorales localisées à la périphérie tumorale. A l’inverse, les tumeurs du sous-type moléculaire proximal-like qui étaient plus agressives, étaient caractérisées par une densité accrue en macrophages M2 pro-tumoraux localisés au sein des nodules tumoraux et une importante hétérogénéité inter-tumorale. Certaines de ces tumeurs ressemblaient, par leurs profils de méthylation de l'ADN, à d'autres tumeurs déficientes en SMARCB1. L’identification de ces deux sous-types moléculaires ouvre de nouvelles opportunités pour le traitement, la compréhension de la biologie et les futures recherches translationnelles sur les SE
Epithelioid sarcoma (EpS) is an ultra- rare, aggressive sarcoma, occurring in all age groups, with two traditionally recognized clinicopathological entities – the distal and proximal subtypes – suggesting the presence of inter-tumor heterogeneity. Like rhabdoid tumors in infants, EpS is characterized by the loss of SMARCB1, a core subunit of the SWI/SNF chromatin-remodeling complex. Using bulk multi-omics and single-cell transcriptomic data, we identified two molecular transcriptomic subtypes – “distal-like” and “proximal-like" – which only partly overlap with the traditional clinicopathological entities. The distal-like molecular subtype of tumors, which included all distal morphological subtypes and a subset of proximal and mixed subtypes, expressed specific epithelial to mesenchymal transition markers including DSG2 (desmoglein 2), which might be routinely assessed by immunohistochemistry. They also displayed higher density of peritumoral CD8+ T cells and pro-tumoral myeloid cells. By contrast, the proximal-like molecular subtype of tumors, which was associated with worse outcome, displayed a higher density of intratumoral pro-tumoral M2 macrophages and high inter-tumoral heterogeneity, with some cases resembling other SMARCB1-deficient tumors by DNA methylation profiling. The identification of these two molecular subtypes open new opportunities for treatment, understanding of biology and future translational research in EpS

Les programmes de sélection du maïs s'appuient sur des réseaux d'essais pour évaluer la performance phénotypique (P) des hybrides dans diverses conditions de culture. Dans ces essais, les interactions entre le génotype et l'environnement (IGE) ont un effet substantiel sur la variabilité phénotypique qui peut parfois dépasser l'effet génétique principal (G). Il est donc important de mieux modéliser ces IGE pour garantir l'amélioration génétique du maïs.Les modèles classiques de prédiction génomique, même ceux modélisant les IGE, ne tiennent pas compte de la complexité du génome et de la manière dont les régions génomiques réagissent aux stimuli environnementaux. En supposant un modèle infinitésimal, ils agissent comme des boîtes noires s'appuyant sur des relations statistiques plutôt que biologiques. Les chercheurs ont suggéré que les annotations fonctionnelles des gènes et les données multi-omiques pourraient permettre de mieux expliquer la relation entre génotype et phénotype. Des études ont montré que la hiérarchisation des marqueurs génomiques sur la base d'information biologique ou fonctionnelle peut contribuer à améliorer les capacités prédictives des modèles. Des résultats similaires ont été rapportés dans des études reposant sur des données multi-omiques, telles que les transcrits et les protéines. Toutefois, la plupart de ces études portent sur un seul essai ou sur des expériences réalisées en un seul lieu. Leur capacité à modéliser les IGE pour des caractères quantitatifs dans un réseau d'essais étendu doit être davantage étudiée. Par conséquent, cette thèse vise à (i) évaluer le potentiel des annotations fonctionnelles pour améliorer les prédictions en donnant la priorité à certaines régions génomiques, (ii) étudier le potentiel des données multi-omiques pour prendre en compte les IGE tout en améliorant la prédiction des caractères complexes, et (iii) identifier les gènes qui sont associés aux caractères de productivité et qui répondent aux conditions environnementales pour mieux comprendre la biologie derrière les IGE.Notre étude repose sur un panel de 244 hybrides de maïs évalués pour leur productivité dans des essais menés en Europe et au Chili sous des régimes hydriques contrastés. En outre, les annotations fonctionnelles des gènes ont été obtenues à partir de bases de données publiques. Les mêmes génotypes ont également été évalués pour leurs caractéristiques écophysiologiques, et les profils transcriptomiques et protéomiques ont été mesurés dans des conditions hydriques contrastées sur une plateforme.Dans le chapitre 1, nous avons montré que les marqueurs situés à proximité des gènes de certaines catégories fonctionnelles peuvent améliorer les prédictions de caractères de plein champ ou de plateforme.Dans le chapitre 2, nous avons pu montrer que les données omiques pouvaient accroître la capacité de prédiction par rapport à la sélection génomique, en particulier pour les caractères phénotypés dans les mêmes conditions que celles dans lesquelles les données omiques ont été acquises. Nous avons également intégré des covariables environnementales et les informations multi-omiques dans un même modèle, ce qui, à notre connaissance, n'a encore jamais été testé dans la littérature.Dans le chapitre 3, l'étude d'association transcriptomique (TWAS) a montré que les données omiques mesurées dans des conditions de plateforme contrôlées peuvent aider à disséquer l'architecture génétique du rendement mesuré dans des conditions de plein champ. Nous avons également constaté que certains des transcrits significativement associés ont déjà été identifiés dans la littérature comme étant associés à la réponse au stress. En outre, nous avons observé que la TWAS est complémentaire de la génétique d'association car elle peut améliorer la résolution et la puissance de détection.Pour conclure, cette thèse indique que les annotations fonctionnelles et les données multi-omiques sont utiles pour comprendre et prédire les IGE
Maize breeding programs heavily rely on multi-environmental trials (MET) to evaluate the phenotypic (P) performance of hybrids under diverse field conditions. Within these trials, genotype by environment (GxE) interactions has substantial effect on phenotypic variability, and can sometimes exceed the main genetic effect (G). Therefore, predicting and understanding GxE interactions is of utmost importance to ensure genetic improvement of maize.Classical genomic prediction models, even the ones accounting for GxE component separately from G, do not consider the complexity of maize genome and how genomic regions respond differently to environmental stimuli. By assuming an infinitisemal model, they act as black boxes relying on statistical rather than biological relationships. Researchers have suggested that genome functional annotations and multi-omics information have potential to better explain the genotype phenotype relationship. Studies have shown that prioritizing genomic markers, i.e., SNPs, based on a prior biological or functional information can help improve predictive abilities of models. Similar results have also been reported in the studies accounting for multi-omics information, such as transcripts, proteins, and metabolites, in genomic prediction. However, most of these studies are either performed for a single experiment or a set of experiments within a single location. Their potential in capturing GxE interactions for complex quantitative traits in a large MET setting needs further validation.Therefore, this thesis aims to (i) evaluate the potential of genomic functional annotations to improve maize predictions by prioritizing those genomic regions that respond to environmental stimuli for a given trait, (ii) investigate the potential of multi-omics data to account for GxE while improving prediction of complex traits, and (iii) identify genes that are found to be associated with productivity traits and respond to environmental conditions to offer insights into the biology beyond GxE interactions.Our study uses a set of 244 maize hybrids evaluated for productivity traits in field trials carried out across Europe and Chile under contrasted watering regimes. Environmental covariates related to key developmental stages of plants in field were also obtained. In addition, gene ontology (GO) functional annotations for maize genome was obtained from publicly available databases. The same genotypes were also evaluated for ecophysiological traits, and transcriptomic and proteomic profiles were measured for contrasting watering regimes in controlled conditions on a platform.In Chapter 1, we illustrated that when the right GO terms are considered, biologically relevant SNPs can account for variance separately from the rest of the SNPs, ultimately improving predictions of both field productivity and platform ecophysiological traits.In Chapter 2, we were able to show that the omics data could increase predictive ability in comparison to genomic selection, in particular for the traits phenotyped in the controlled experiment in which the omics were measured. We also integrated ECs and multi-omics information within the same model, that according to our knowledge this was the first example in literature.In Chapter 3, transcriptome wide association study (TWAS) showed that omics measured in controlled platform conditions can help dissect the genetic architecture of grain yield measured in field MET. We also found that some of the significantly associated transcripts have already been reported in the literature to be associated with response to stress. Importantly, we observed that TWAS complements GWAS as it can improve resolution and detection power of association analysis.Overall, this thesis indicates that functional annotations and multi-omics are useful in understanding and predicting GxE interactions

Les plantes sont soumises durant leur vie à de nombreux stress environnementaux. Face à ces contraintes, les végétaux ont développé au cours de l'évolution différentes stratégies. La plus emblématique est la mise en place du métabolisme spécialisé, représenté par une grande diversité chimique et fonctionnelle. Bien que ce métabolisme soit de plus en plus étudié ces dernières années, de nombreuses lacunes persistes à son propos, liées notamment (i) à la complexité des modifications métabolomiques engendrées par la perception de stress, (ii) aux coûts et avantages que ces métabolites imputent à la plante les accumulant, et (iii) aux voies métaboliques menant à cette diversité de composés. Pour appréhender ces différentes problématiques, nous avons adopté une stratégie combinant des approches de phytochimie, de biologie moléculaire et de génétique. Dans un premier temps, nous avons étudié les changements métaboliques globaux engendrés par l’application de deux stress environnementaux, l’ozone et la blessure mécanique, sur une plante modèle au laboratoire, le panais, en fonction du temps. Les résultats de ces travaux nous ont permis d’identifier 40 métabolites différentiellement accumulés dans ces conditions, dont certaines furocoumarines. Par la suite, nous avons focalisé notre étude sur ces molécules en évaluant leurs profils d’accumulation, en condition de stress par blessures mécaniques, par la biais d’analyses différentielles. A partir de ces données, nous avons initié la recherche et l'identification de gènes candidats potentiellement impliqués dans cette voie à partir de plusieurs banques transcriptomiques et génomiques de panais. La fonction des gènes sélectionnés a été évalué par des approches d'expression hétérologue dans la levure. En parallèle de ces travaux, nous avons développé une stratégie destinée à mieux comprendre le coût métabolique de la synthèse de métabolites spécialisés. Pour ce faire, nous avons adapté aux furocoumarines une technique de clonage multigénique permettant de transférer dans une plante, et en une seule opération, plusieurs gènes impliqués dans la même voie de biosynthèse. Cette méthode nous a permis d'initier la génération de lignées stables ayant intégré les deux premiers gènes de la voie. Ces plantes seront comparées à des plantes sauvages et permettront ainsi d’étudier les coûts métaboliques et physiologiques de l’introduction de cette nouvelle voie de biosynthèse ainsi que ses bénéfices en termes de défense de la plante
Plants are subjected to many environmental stresses during their life. Faced with these constraints, plants have developed different strategies during their evolution. The most emblematic is the establishment of a specialized metabolism, represented by a great chemical and functional diversity. Although this metabolism has been studied more and more in recent years, many gaps remain, related in particular (i) to the complexity of the metabolomic changes generated by the perception of stress, (ii) to the costs and benefits that these metabolites impute to the producing plant, and (iii) to the metabolic pathways leading to the diversity of compounds. To cope with these different issues, we adopted a strategy combining approaches of phytochemistry, molecular biology and genetics. First, we studied global metabolic changes caused by the application of two environmental stresses, ozone and mechanical wounding, on parsnip. The obtained results allowed us to identify 40 metabolites differentially accumulated under these conditions, including some furocoumarins. Subsequently, we focused our study on these molecules by evaluating their accumulation profiles under mechanical wounding stress condition, using differential analyzes. From this data, we initiated the search and identification of candidate genes potentially involved in this pathway based on transcriptomic and genomic parsnip libraries analyses. The function of the selected genes was evaluated by heterologous expression approach in yeast. In parallel to this work, we have developed a strategy to better understand the metabolic cost of specialized metabolites synthesis. To do this, we have adapted a multigene cloning method to furocoumarines, allowing to transfer several genes involved in the same pathway in a plant, in a single operation. This method allowed us to initiate the generation of stable lines having integrated the first two genes of the pathway. These plants will be compared to wild plants and will thus allow to study the metabolic and physiological costs of the introduction of this new biosynthetic pathway and its benefits in terms of plant defense

Les plantes sont soumises durant leur vie à de nombreux stress environnementaux. Face à ces contraintes, les végétaux ont développé au cours de l'évolution différentes stratégies. La plus emblématique est la mise en place du métabolisme spécialisé, représenté par une grande diversité chimique et fonctionnelle. Bien que ce métabolisme soit de plus en plus étudié ces dernières années, de nombreuses lacunes persistes à son propos, liées notamment (i) à la complexité des modifications métabolomiques engendrées par la perception de stress, (ii) aux coûts et avantages que ces métabolites imputent à la plante les accumulant, et (iii) aux voies métaboliques menant à cette diversité de composés. Pour appréhender ces différentes problématiques, nous avons adopté une stratégie combinant des approches de phytochimie, de biologie moléculaire et de génétique. Dans un premier temps, nous avons étudié les changements métaboliques globaux engendrés par l’application de deux stress environnementaux, l’ozone et la blessure mécanique, sur une plante modèle au laboratoire, le panais, en fonction du temps. Les résultats de ces travaux nous ont permis d’identifier 40 métabolites différentiellement accumulés dans ces conditions, dont certaines furocoumarines. Par la suite, nous avons focalisé notre étude sur ces molécules en évaluant leurs profils d’accumulation, en condition de stress par blessures mécaniques, par la biais d’analyses différentielles. A partir de ces données, nous avons initié la recherche et l'identification de gènes candidats potentiellement impliqués dans cette voie à partir de plusieurs banques transcriptomiques et génomiques de panais. La fonction des gènes sélectionnés a été évalué par des approches d'expression hétérologue dans la levure. En parallèle de ces travaux, nous avons développé une stratégie destinée à mieux comprendre le coût métabolique de la synthèse de métabolites spécialisés. Pour ce faire, nous avons adapté aux furocoumarines une technique de clonage multigénique permettant de transférer dans une plante, et en une seule opération, plusieurs gènes impliqués dans la même voie de biosynthèse. Cette méthode nous a permis d'initier la génération de lignées stables ayant intégré les deux premiers gènes de la voie. Ces plantes seront comparées à des plantes sauvages et permettront ainsi d’étudier les coûts métaboliques et physiologiques de l’introduction de cette nouvelle voie de biosynthèse ainsi que ses bénéfices en termes de défense de la plante
Plants are subjected to many environmental stresses during their life. Faced with these constraints, plants have developed different strategies during their evolution. The most emblematic is the establishment of a specialized metabolism, represented by a great chemical and functional diversity. Although this metabolism has been studied more and more in recent years, many gaps remain, related in particular (i) to the complexity of the metabolomic changes generated by the perception of stress, (ii) to the costs and benefits that these metabolites impute to the producing plant, and (iii) to the metabolic pathways leading to the diversity of compounds. To cope with these different issues, we adopted a strategy combining approaches of phytochemistry, molecular biology and genetics. First, we studied global metabolic changes caused by the application of two environmental stresses, ozone and mechanical wounding, on parsnip. The obtained results allowed us to identify 40 metabolites differentially accumulated under these conditions, including some furocoumarins. Subsequently, we focused our study on these molecules by evaluating their accumulation profiles under mechanical wounding stress condition, using differential analyzes. From this data, we initiated the search and identification of candidate genes potentially involved in this pathway based on transcriptomic and genomic parsnip libraries analyses. The function of the selected genes was evaluated by heterologous expression approach in yeast. In parallel to this work, we have developed a strategy to better understand the metabolic cost of specialized metabolites synthesis. To do this, we have adapted a multigene cloning method to furocoumarines, allowing to transfer several genes involved in the same pathway in a plant, in a single operation. This method allowed us to initiate the generation of stable lines having integrated the first two genes of the pathway. These plants will be compared to wild plants and will thus allow to study the metabolic and physiological costs of the introduction of this new biosynthetic pathway and its benefits in terms of plant defense

Anaplasma phagocytophilum est une alpha-protéobactérie à multiplication intracellulaire stricte transmise par les tiques du genre Ixodes sp. Responsable notamment des anaplasmoses granulocytaires bovine et humaine, elle peut également infecter de nombreux mammifères, tels les ruminants sauvages ou les rongeurs. En Europe, plusieurs cycles, encore mal connus, semblent coexister et impliquer des hôtes (réservoirs et victimes) différents. Cela semble être en particulier le cas pour les souches bovines et humaines, conduisant à supposer que les souches bovines ne seraient pas zoonotiques. Du fait de sa localisation intracellulaire in vivo, et plus particulièrement au sein des polynucléaires neutrophiles des hôtes vertébrés, la culture d’A. phagocytophilum au laboratoire expose à d’importantes difficultés méthodologiques. De ce fait, la compréhension des relations entre la bactérie et ses hôtes (mammifères et tiques vectrices) n’a conduit à ce jour qu’à un nombre restreint de publications. Cette thèse s’intéresse à ces interactions, que j’ai abordées sciemment à différents niveaux. Dans un premier temps, l’étude épidémiologique menée en troupeau bovin nous a permis de mettre en évidence une diversité génétique importante parmi les souches y circulant, et nous a amenés à formuler l’hypothèse que les bovins pourraient jouer un rôle en tant que réservoirs de l’infection. Différents mécanismes, notamment l’échappement à la réponse immunitaire de l’hôte, l’absence de protection croisée entre souches et peut-être la sanctuarisation de l’infection dans des cellules niches, permettraient d’expliquer ce rôle de réservoir. L’étude de l’infection des cellules endothéliales, effectuée afin d’explorer leur rôle en tant que cellules niches d’une part et leur implication dans la barrière d’espèce d’autre part, a conduit à envisager que ces cellules pourraient permettre le passage des bactéries vers le courant sanguin, mais a priori pas leur multiplication. Afin d’amorcer l’exploration de la réponse transcriptomique d’A. phagocytophilum lors du changement d’hôte (vertébré vs invertébré), nous avons soumis des cultures de cellules de tiques infectées à un choc thermique, ce qui nous a permis de suggérer qu’un nombre restreint de mécanismes transcriptomiques est mis en jeu en réponse au choc thermique induit par le changement d’hôte vertébré/invertébré. Néanmoins, la capacité d’A. phagocytophilum à répondre à un stress thermique plus important est bien maintenue. Les protéines que nous avons identifiées comme les plus différentiellement exprimées au cours de cette étude pourraient s’avérer jouer un rôle préférentiel dans l’infection du vecteur ou du mammifère. La technique du double-hybride en système de levure, expérimentée dans la dernière partie de ce travail, et qui nous a permis de mettre en évidence trois interacteurs pour APH_0032, protéine de la membrane vacuolaire, pourrait s’avérer intéressante pour étudier les interactions de ces protéines vis-à-vis des banques d’ADNc de vertébré et de tique, mais aussi pour explorer le tropisme tissulaire des souches, puisque notre équipe a précédemment mis en évidence le fait qu’un allèle particulier d’APH_0032 est associé aux avortements bovins. . Ces approches complémentaires posent la question des fondements d’une telle variabilité génétique et d’une telle diversité d’hôtes chez une bactérie intracellulaire obligatoire et ouvrent un grand champ de perspectives
Anaplasma phagocytophilum is an obligate intracellular alphaproteobacterium, mainly transmitted by Ixodes ticks. It is the causative agent of bovine and human granulocytic anaplasmosis and can infect various mammalian species, including rodents and wild ruminants. Several epidemiological cycles may coexist in Europe. In particular, human and bovine strains seem to belong to distinct cycles, which leads to the hypothesis that cattle strain are not zoonotic. Due to its intracellular location in vivo inside granulocyte neutrophils, A. phagocytophilum culture is challenging and leads to several methodological difficulties. This explains why few studies have so far been performed in order to explore the interactions between this bacterium and its host species (mammals and ticks). In order to investigate these interactions at different levels, I performed four complementary studies. First, our epidemiological study in cattle herd highlighted the genetic diversity of strains circulating in the herds and challenges the role of cattle as a reservoir for A. phagocytophilum. The infections of endothelial cells that we performed to study the role of these cells as niche cells and/or determinants of species barrier during A. phagocytophilum infection led us to consider that endothelial cells could host A. phagocytophilum during their transmission from dermis to blood, without allowing their multiplication. For studying A. phagocytophilum transcriptomic reactions during the transmission from tick to vertebrate host, we submitted infected tick cells to heat shocks. Our results suggest that few transcriptomic events are induced during this transmission. Nevertheless, A. phagocytophilum is able to respond to non-physiological heat stress. We identified differentially expressed proteins, which could play an important role during tick or mammal infection. The yeast two hybrid analysis allowed us to detect three host cell interactors to APH_0032, an A. phagocytophilum vacuolar membrane protein. This technique could be applied for studying the molecular interactions involving proteins that where differentially expressed during heat shock, for example. Finally, our four complementary studies raise the question of the basis for such genetic variability and host diversity within an obligate intracellular bacterium and open up a wide field of perspectives

Parmi les nombreux ravageurs auxquels les plantes sont confrontées, les pucerons sont certainement ceux qui causent le plus de dommages aux cultures en raison de leur multiplication rapide, des dégâts directs qu’ils occasionnent et des virus phytopathogènes qu’ils transmettent. Le puceron vert du pêcher (Myzus persicae, Sulzer) est un ravageur généraliste qui s’attaque à un large panel de plantes incluant le pêcher, son hôte primaire, mais également de nombreux hôtes secondaires de familles botaniques diverses dont différentes espèces cultivées. Des travaux antérieurs ont mis en évidence des accessions de pêcher présentant une résistance à M. persicae conférée par le locus Rm et caractérisée par un phénomène d’antixénose qui provoque rapidement le départ des pucerons. L’objectif de notre travail était d’identifier par une approche intégrée de transcriptomique et de métabolomique les facteurs impliqués dans l’expression de la résistance du pêcher à M. persicae afin d’aboutir à une description quasi exhaustive des fonctions biologiques activées ou réprimées par l’infestation. Notre démarche a consisté à comparer les réponses à l’infestation de deux génotypes de pêcher, GF305 sensible à M. persicae et Rubira porteur du gène de résistance Rm2. Nous avons concentré principalement notre étude sur le temps de 48 h après infestation qui correspond à la mise en place effective d’une résistance induite par Rm2.L’analyse transcriptomique et métabolomique comparative des deux variétés de pêcher a mis en évidence une réponse très limitée de GF305 à l’infestation alors que nous avons observé une reconfiguration profonde du transcriptome chez Rubira. Une tendance similaire a été observée dans les profils métaboliques. Cette reconfiguration transcriptionnelle s’est traduite par une répression de gènes intervenant dans des fonctions de croissance et développement et par une surexpression des gènes de défense ce qui témoigne d’une réorientation du fonctionnement cellulaire au profit de la défense. Cette observation a été confortée par la réduction importante de pools métaboliques de carbone, d'azote et de soufre et par l'accumulation de conjugués d'acide caféique ayant des propriétés anti-appétentes ou toxiques vis à vis des pucerons. Parmi les gènes de défense, la surexpression des récepteurs PRR et NLR suggère une activation conjointe des deux branches du système immunitaire des plantes, PTI et ETI. De plus, l’enrichissement des gènes liés au stress oxydatif, couplé à l'activation de voies métaboliques génératrices de H2O2 telles que la synthèse photorespiratoire de glyoxylate et l’activation du cycle futile P5C/proline, souligne l’implication probable de la synthèse des ROS dans la résistance de Rubira à M. persicae. Le déclenchement d'une réponse systémique acquise a également été suggéré par l'activation du métabolisme des acides salicylique et pipécolique. Enfin, l’implication de l’acide pipécolique dans la résistance des plantes aux pucerons étant très peu documentée, nous avons cherché à déterminer le rôle de ce composé dans la résistance du pêcher. Nous avons étudié l’effet d’un apport exogène en acide pipécolique d’une part sur le comportement de fuite de M. persicae et sur le développement des colonies aphidiennes et d’autre part sur le profil métabolique des apex. Bien que cette expérimentation n’ait pas montré la capacité de l’acide pipécolique à induire la résistance, elle a apporté de nouveaux éléments concernant les marqueurs métaboliques inductibles par cette molécule.En conclusion, ce travail illustre l’ampleur et la complexité de l’expression de la résistance à M. persicae conférée par Rm2 et souligne l’intérêt de l’intégration de données transcriptomiques et métabolomiques pour l’analyse de l’interaction plante/pucerons. Ces connaissances fonctionnelles seront cruciales pour exploiter les sources de résistance naturelles et contrôler durablement les populations aphidiennes
Of the many pests that plants face, aphids are certainly the most damaging to crops due to their rapid multiplication, the direct damage they cause and the plant pathogenic viruses they transmit. The green peach aphid (Myzus persicae, Sulzer) is a generalist pest that attacks a wide range of plants including peach, its primary host, but also numerous secondary hosts from various botanical families including different cultivated species. Previous work has highlighted peach accessions with resistance to M. persicae conferred by the Rm locus that was characterised by an antixenosis phenomenon that rapidly causing the aphids to leave. The objective of our study was to identify, using an integrated transcriptomics and metabolomics approach, the factors involved in the expression of resistance to M. persicae in peach trees in order to obtain a quasi-exhaustive description of the biological functions activated or repressed by the infestation. We compared the responses to infestation of two peach genotypes, GF305 susceptible to M. persicae and Rubira carrying the Rm2 resistance gene, 48 h post-infestation, a period corresponding to the effective establishment of Rm2-induced resistance.Comparative transcriptomic and metabolomic analysis of the two peach varieties revealed a very limited response of GF305 to infestation while profound reconfigurations in Rubira were observed. The transcriptional reconfiguration resulted in a repression of genes involved in growth and development functions and an overexpression of defence genes, indicating a reorientation of cell function towards defence. This observation was confirmed by the significant reduction in metabolic pools of carbon, nitrogen and sulphur and by the accumulation of caffeic acid conjugates with anti-appetent or toxic properties towards aphids. Among the defence genes, the overexpression of PRR and NLR receptors suggested a joint activation of both branches of the plant immune system, PTI and ETI. Furthermore, the enrichment of oxidative stress-related genes, coupled with the activation of H2O2-generating metabolic pathways such as photorespiratory glyoxylate synthesis and P5C/proline futile cycle activation, underlineed the probable involvement of ROS synthesis in Rubira resistance to M. persicae. The appearance of necrotic lesions indicative of a hypersensitive reaction could also be attributed to an oxidative burst in response to infestation. The triggering of an acquired systemic response was also suggested by the activation of salicylic and pipecolic acid metabolism. Finally, as the involvement of pipecolic acid in plant resistance to aphids is poorly documented and in order to determine the role of this compound in peach resistance, the effect of an exogenous supply of pipecolic acid on the escape behaviour of M. persicae and on the development of aphid colonies, as well as on the metabolic profile of the apices was investigated. Although this experiment did not show the capacity of pipecolic acid to induce resistance, it provided new informations concerning the metabolic markers inducible by this molecule. To conclude, this work illustrates the extent and complexity of the expression of resistance to M. persicae conferred by Rm2 and underlines the interest of integrating transcriptomic and metabolomic data for the analysis of the plant/aphid interaction. This functional knowledge will be crucial in order to exploit natural sources of resistance and sustainably control aphid populations

État de l’art : La dormance tumorale est une stratégie de résistance utilisée par les cellules cancéreuses. Elle constitue un obstacle majeur dans la thérapie du cancer, puisqu’elle mène à la maladie résiduelle minimale (MRD) et augmente le risque de rechute. Bien que cliniquement significatifs, les mécanismes derrière la dormance tumorale et la MRD ne sont pas bien compris. Nous avons utilisé deux modèles murins syngéniques de leucémie myéloïde et de mélanome élaborés par le laboratoire pour explorer les profils génétiques, épigénétiques, transcriptomiques et protéomiques liés à la dormance tumorale. Par cette approche multi-omique, nous avons cherché à découvrir les processus moléculaires conduisant à la MRD et à identifier des cibles thérapeutiques potentielles.Résultats :Nous avons réalisé une analyse multi-omique complexe incluant le séquençage de l'exome entier (WES), l'analyse des variations du nombre de copies (CNV), l'immunoprécipitation de la chromatine suivie du séquençage (ChIP-seq) et des investigations du transcriptome et du protéome. L'analyse WES a identifié un chevauchement subtil de mutations génétiques entre les modèles de dormance de mélanome et de leucémie, avec de nombreuses mutations trouvées exclusivement dans les cellules de dormance. Ces signatures génétiques spécifiques suggèrent que les pressions sélectives durant la MRD peuvent conférer une résistance au microenvironnement ou aux traitements. En combinant les données CNV, les marques d'histones et les signatures d'expression génique transcriptomique avec l'analyse d'enrichissement de Gene Ontology (GO), nous avons identifié des rôles fonctionnels potentiels de ces gènes mutés et obtenu des informations sur les voies impliquées dans la MRD. De plus, en comparant les "gènes MRD murins" avec les données correspondantes aux maladies humaines provenant de bases de données publiques,nos travaux soulignent des caractéristiques communes liées à la progression de la maladie. L'analyse protéomique, combinée aux investigations génétiques multiomiques,a révélé une signature protéique distincte dans les cellules de dormance avec une implication minimale des mécanismes génétiques. L'analyse 'enrichissement des voies a mis en évidence les processus métaboliques, de différenciation et de remodelage du cytosquelette impliqués dans la MRD. Enfin, nous avons identifié 11 protéines exprimées différemment dans les cellules de dormance de ces deux pathologies. Conclusions : Notre recherche met en évidence la nature complexe de la dormance tumorale,impliquant à la fois des éléments génétiques et non génétiques. En comparant les données génomiques, transcriptomiques, protéomiques et épigénomiques, nous fournissons un aperçu approfondi du paysage moléculaire associé à la MRD. Ces résultats posent une base solide pour de futures études et suggèrent des directions prometteuses pour le développement de thérapies ciblées pour la MRD chez les patients atteints de leucémie et de mélanome. Cela souligne la nécessité de prendre en compte à la fois des facteurs génétiques et non génétiques dans les stratégies de traitement
Background : Tumor dormancy, a resistance strategy used by cancer cells, is a major impediment in cancer therapy, leading to minimal residual disease (MRD) and increasing the risk of relapse. Although clinically significant, the mechanisms behind tumor dormancy and MRD are not well understood. In this research, we employed two syngeneic murine models of myeloid leukemia and melanoma to explore the genetic,epigenetic, transcriptomic, and proteomic profiles linked to tumor dormancy. By applying a multiomics approach, we aimed to uncover the molecular processes driving MRD and identify possible therapeutic targets. Results : We performed a comprehensive omics analysis that included whole-exome sequencing (WES), copy number variation (CNV) analysis, chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq), and investigations of the transcriptome and proteome. The WES analysis identified a limited overlap of gene mutations between the melanoma and leukemia dormancy models, with many mutations found exclusively in dormant cells. These unique genetic signatures suggest that selective pressures during MRD may provide resistance to the surrounding microenvironment or treatments. Combining CNV data, histone marks, and transcriptomic gene expression signatures with Gene Ontology enrichment analysis,we identified the potential functional roles of these mutated genes and gained insights into the pathways involved in MRD. Furthermore, by comparing "murine MRD genes"with corresponding human disease data from public databases, we identified common features related to disease progression. Proteomic analysis, integrated with multi-omics genetic investigations, revealed a distinct protein signature in dormant cells with minimal involvement of genetic mechanisms. Pathway enrichment analysis pointed to the metabolic, differentiation, and cytoskeletal remodeling processes involved in MRD. Ultimately, we identified 11 proteins that were differentially expressed in dormant cells across both types of pathology. Conclusions : Our research highlights the intricate nature of tumor dormancy, involving both genetic and non-genetic elements. Through the comparison of genomic,transcriptomic, proteomic, and epigenomic data, we deliver an extensive overview of the molecular landscape associated with minimal residual disease. These findings laya solid groundwork for future studies and suggest promising directions for developing targeted therapies for MRD in leukemia and melanoma patients. This underscores the necessity of incorporating both genetic and non-genetic factors into treatment strategies