Physique de l'organisation du nucléoïde bactérien et de l'expression de gènes à grande échelle

The genomic DNA of bacteria exists in a complex and dynamic protein-rich state, which is highly organized at various lengthscales. This thesis describes a work of physical modeling and data analysis focused on the E. coli genome organization, in the form of the "nucleoid'', and on how nucleoid organization affects gene expression.The first part of the work is a review of the recent experimental andt heoretical advances quantifying the physical organization (compactionand geometry) of the bacterial chromosome with its complement of proteins (the nucleoid). In particular, we highlight the role that statistical and soft condensed matter physics play in describing this system of fundamental biological importance.A second part of the work discusses a simple polymer physics model inspired by two main features of the nucleoid: osmotic self-adhesion and protein bridging. Results are summarized by a qualitative characterization of the phase diagram of this model which shows the general feature that distinct domains may form without the need forintra-specific interactions.The thesis also covers several data analysis approaches to test possible connections between the physical organization of the nucleoid with gene expression (RNA-Seq) and protein binding (ChIP-Seq) datasets. This latter part contains a description of the NuST webtool, which consists of a database which collect datasets from past experiments and an implementation of simple multi scale statistical analysis tools. Additionally, we introduce a correlation study of a large number (about 300) of genome-wide expression data-sets, also compared to the outcome to the published genome interaction map (Hi-C)data.L'ADN génomique des bactéries existe dans un complexe dynamique riche en protéines, le "nucléoïde'', très bien organisé à différentes échelles de longueur. Cette thèse décrit notre modélisation et analyse des données en mettant l'accent sur l'organisation du nucléoïde de \textit{E. coli}, et sur comment cette organisation affecte l'expression des gènes. La première partie du travail est une revue des progrès récents expérimentaux et théoriques quantifiant l'organisation physique (la géométrie et le compactage) du chromosome bactérien. En particulier, nous soulignons le rôle que la physique de la matière molle et la physique statistique jouent dans la description de ce système. Une deuxième partie de l'ouvrage traite d'un modèle de la physique des polymères inspiré par deux caractéristiques du nucléoïde: auto-adhérence osmotique et effet des protéines de pontage. Les résultats sont une caractérisation qualitative du diagramme de phase, qui montre que les nucléoïdes forment des domaines distincts sans interactions intra-spécifiques. La thèse couvre également plusieurs approches d'analyse de données pour tester les connexions entre l'organisation du nucléoïde avec l'expression des gènes (RNA-Seq) et des protéines (ChIP-Seq). Cette dernière partie contient une description de l'outil web NuST, qui permet d'effectuer de simples analyses statistiques sur de multiples échelles. En outre, nous présentons une étude de corrélation d'un grand nombre de mesures d'expression génomique dans différentes conditions de croissance, et nous le comparons avec les cartes d'interaction (Hi-C) spatiale entre le chromosome