Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020. / L’hybridation a souvent été considérée comme impossible ou encore comme un faux pas de la part des espèces, donnant naissance à de soi-disant culs-de-sac évolutifs. Les observations de lignées hybrides et l’accumulation de données génomique nous ont permis de comprendre que plusieurs organismes participent à des événements d’hybridation. On reconnaît aujourd’hui l’hybridation comme un mécanisme puissant de génération de nouvelles lignées. Cependant, la contribution de l’hybridation au processus de spéciation est une des questions qui reste en suspens. Quelques exemples de spéciation par hybridation ont été décrits chez les plantes et les animaux, mais peu de données à ce sujet ont été récoltées chez les microorganismes sexués. Les exemples chez les microorganismes se limitent à des organismes ayant un lien intime avec les activités humaines (pathogènes ou ferments). Le manque de données sur les populations naturelles de microorganismes pourrait laisser croire que leurs hybrides sont peu compétitifs ou encore infertiles, menant à leur extinction dans l’environnement. Au cours des travaux effectué dans le cadre cette thèse, nous avons utilisé une approche de génomique des populations sur une collection de souches naturelles de la levure Saccharomyces paradoxus. La biogéographie de cette espèce suggère que les deux lignées indigènes de l’Amérique du Nord sont en cours de spéciation. Nos analyses ont révélé une lignée auparavant cryptique qui est le résultat d’un évènement de spéciation par hybridation entre ces deux espèces naissantes. À l’aide de ce système d’étude, nous avons exploré en laboratoire deux aspects de l’hybridation. Premièrement, nous avons comparé la croissance d'hybrides à celle de leurs lignées parentales dans plusieurs environnements à la recherche d’une performance diminuée des hybrides qui pourrait expliquer leur rareté dans leur environnement naturel. Cette approche nous a permis de montrer que les hybrides de souches naturelles ont souvent des phénotypes supérieurs à ceux des parents. En second lieu, nous avons utilisé une méthode d’évolution expérimentale pour suivre la dynamique de la fertilité après l’hybridation. Les résultats obtenus suggèrent qu’après l’hybridation, les hybrides infertiles peuvent redevenir fertiles rapidement à la suite d’évènements spontanés de duplication du génome. Les résultats présentés dans cette thèse contribuent à l’amélioration des connaissances à propos de la contribution de l'hybridation à la formation de nouvelles espèces, particulièrement chez les organismes unicellulaires. De plus, les souches génétiquement modifiées et évoluées disponibles pourront être utilisées dans le cadre de futures recherches à propos d’autres aspects de l’écologie et de l’évolution des hybrides. / Hybridization was often considered as impossible or as a blunder for species, as it gave birth to so-called evolutionary dead ends. The observations of hybrid lineages and the accumulation of genomic data lead to the realization that hybridization is rather common in multiple organisms. Hybridization is now recognized as a powerful mechanism for the generation of new lineages. One of the questions still pending is about the contribution of hybridization to the speciation process. The few examples of hybrid speciation remain limited to plants and animals. Little data is available for sexual microorganisms which could lead to the belief that their hybrids are poor competitors or suffer from infertility, leading to their extinction in the environment. In the course of this thesis, we used a population genomics approach on a collection of natural isolates of the yeast Saccharomyces paradoxus. The biogeography of this species suggests that the two indigenous lineages found in North America are nascent species. Our analyses revealed a precedently cryptic lineage which rose from the hybridization of the two incipient species. Using this study system in the laboratory, we explored two aspects of hybridization. We first compared the growth of hybrids to their parents’ in multiple environments in search of decreased hybrid performance which could explain their rarity in the natural environment. This approach allowed us to show that hybrids between natural strains often show superior phenotypes when compared to their parents. We then used experimental evolution to follow the dynamics of fertility following hybridization. Our results suggest that initially infertile hybrids can rapidly become fertile again following spontaneaous genome duplication events. The results presented in this thesis contribute to a better understanding of how hybridization can shape the formation of new species, particularly in microorganisms. Also, the genetically modified and evolved strains available can be used in future studies about the ecology and evolution of hybrids.

Titre de l'écran-titre (visionné le 12 janvier 2024) / Les protéines sont des machines moléculaires essentielles au fonctionnement des organismes vivants. Malgré plus de 60 ans de recherche en ce sens, notre compréhension des mécanismes qui façonnent leur évolution reste loin d'être complète. Les nouvelles méthodes d'édition de génome offrent de nouvelles possibilités en termes de méthodologie pour l'étude à haut débit de l'effet des mutations sur la fonction des protéines. Les connaissances découlant de ces nouvelles approches ont un potentiel important pour améliorer la santé humaine, animale et végétale. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ont en premier lieu élaboré une nouvelle méthodologie basée sur l'édition de base pour l'étude à haut débit de l'effet des mutations sur la fonction des protéines. Cette approche a identifié plus de 700 sites ayant une importance fonctionnelle dans les gènes essentiels de levure. Les données générées par cette expérience ont aussi permis d'identifier des propriétés de sgRNA déterminantes pour l'efficacité de l'édition base. Dans le deuxième chapitre, nous avons utilisé une approche de mutagenèse systématique pour caractériser les mutations menant à la résistance à un antifongique, la 5-fluorocytosine, dans le gène FCY1. Nous avons en même temps pu mesurer les compromis résistance-fonction pour les mutants de ce gène, et pu valider la capacité de notre jeu de données à prédire le phénotype de résistance de mutants d'orthologues provenant d'espèces de levures pathogènes. Finalement, nous avons utilisé nos connaissances des propriétés de FCY1 acquises au chapitre précédent pour en faire un modèle d'évolution des protéines. Plus précisément, nous avons exploré le rôle potentiel de l'épistasie en trans entre des mutants de perte de fonction dans la transition d'un complexe homomérique vers hétéromérique suite à une duplication de gène. Nous avons découvert des centaines de paires d'allèles inactifs de FCY1 pouvant se complémenter, et avons pu explorer les propriétés de ces mutants et des complexes hétéromériques résultants. / Proteins are molecular machines essential to the functioning of living organisms. Despite more than 60 years of research in this direction, our understanding of the mechanisms that shape their evolution remains far from complete. Recently developed genome tools methods offer new possibilities in terms of methodology for the high-throughput study of the effect of mutations on protein function. The knowledge resulting from these new approaches has significant potential in human, animal, and plant health. In the first chapter of this thesis, we developed a new methodology based on base editing for the high-throughput study of the effect of mutations on protein function. This approach identified more than 700 sites of functional importance in essential yeast genes. The data generated by this experiment also made it possible to understand sgRNA properties that are decisive for the efficiency of base editing. In the second chapter, we used a systematic mutagenesis approach to characterize the mutations leading to resistance to an antifungal, 5-fluorocytosine, in the FCY1 gene. At the same time, we measured the resistance-function trade-offs for mutants of this gene and validated the ability of our dataset to predict the resistance phenotype of orthologous mutants from pathogenic species. Finally, we used our knowledge of the properties of FCY1 acquired in the previous chapter to use it as a model for protein evolution. Specifically, we explored the potential role of trans epistasis between loss-of-function mutants in the transition from a homomeric to a heteromeric complex following gene duplication. We have discovered hundreds of pairs of inactive FCY1 alleles that can complement each other, and have been able to explore the properties of these mutants and the resulting heteromeric complexes.

Au cours des 40 dernières années, il est devenu de plus en plus clair que la divergence d'expression génique est l'un des mécanismes impliqués dans l'émergence de nouvelles espèces. Chez le grand corégone (Coregonus clupeaformis), des expériences réalisées sur puce à ADN ont mené à l'identification de gènes candidats potentiellement impliqués dans l'évolution répétée du corégone nain limnétique, qui est extrêmement différent du corégone normal benthique en termes d'histoire de vie, de morphologie, de métabolisme et de comportement, malgré un temps de divergence de seulement 15 000 ans. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse était de tester l'hypothèse selon laquelle l'adaptation parallèle à la niche limnétique chez les corégoninés est associée à un parallélisme d'expression des gènes. Une divergence d'expression parallèle entre paires d'espèces de corégone pour trois gènes candidats a été observée, supportant ainsi l'hypothèse selon laquelle la sélection naturelle divergente joue un rôle important dans l'évolution de ces poissons. Le second objectif était d'évaluer la divergence transcriptomique entre nains et normaux telle que mesurée par séquençage à haut débit en plus de tester la corrélation entre la divergence d'expression et de séquence codante. Les résultats ont démontré qu'une telle corrélation était inexistante. Il y aurait donc découplage évolutif des séquences codantes et régulatrices dans la divergence adaptative du grand corégone. Pourtant, certains gènes, tels que la malate déshydrogénase (MDH), avaient une divergence significative d'expression et de séquence. La construction et le criblage d'une banque génomique BAC ont permis de sequencer en entier certains gènes candidats, dont MDH. Le dernier objectif était donc d'identifier des signatures de sélection naturelle dans les séquences codante et régulatrice de ce gène. Alors que sa région codante était clairement sous sélection purificatrice, un site polymorphe dans sa région régulatrice avait des fréquences d'alleles divergentes de façon parallèle parmi plusieurs paires sympatriques de corégones nord-américains et européens. De plus, le génotype pour ce site semblait associé au niveau d'expression de MDH. Ces résultats appuient le rôle de la sélection naturelle dans l'évolution de l'expression génique chez les paires d'espèces de corégone.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / Plusieurs philosophes estiment que le réalisme moral est incompatible avec la reconnaissance du rôle majeur joué par l'évolution dans le façonnement de la moralité. Sharon Street formule ce problème sous la forme d’un « dilemme darwinien ». Le problème pour les réalistes consiste à expliquer la relation entre les vérités morales indépendantes dont ils supposent l’existence et les pressions évolutionnistes. Deux options s’offrent à eux: nier ou affirmer l'existence d’une telle relation. La première option mène, selon Street, à la conclusion selon laquelle nos jugements moraux sont probablement faux puisqu'ils sont déformés par les pressions évolutionnistes. La seconde option est indéfendable sur le plan scientifique. Deux stratégies argumentatives ont été déployées à ce jour par les réalistes afin de résoudre le dilemme, soit la réponse naturelle et l'explication par un troisième facteur. Nous soutenons dans le mémoire qu'aucune de ces stratégies ne constitue une réponse satisfaisante au dilemme darwinien.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / Nous présentons un modèle semi-analytique (MSA) conçu pour être utilisé dans une simulation hydrodynamique à grande échelle comme traitement de sous-grille afin de générer l’évolution des galaxies dans un contexte cosmologique. Le but ultime de ce projet est d’étudier l’histoire de l’enrichissement chimique du milieu intergalactique (MIG) ainsi que les interactions entre les galaxies et leur environnement. Le MSA inclut tous les ingrédients nécessaires pour reproduire l’évolution des galaxies de faible masse et de masse intermédiaire. Cela comprend l’accrétion du halo galactique et du MIG, le refroidissement radiatif, la formation stellaire, l’enrichissement chimique et la production de vents galactiques propulsés par l’énergie mécanique et la radiation des étoiles massives. La physique des bulles interstellaires est appliquée à chaque population d’étoiles qui se forme dans le modèle afin de relier l’activité stellaire à la production des vents galactiques propulsés par l’énergie mécanique. Nous utilisons des modèles stellaires à jour pour générer l’évolution de chacune des populations d’étoiles en fonction de leur masse, de leur métallicité et de leur âge. Cela permet d’inclure, dans le processus d’enrichissement, les vents stellaires des étoiles massives, les supernovae de Type II, Ib et Ic, les hypernovae, les vents stellaires des étoiles de faible masse et de masse intermédiaire ainsi que les supernovae de Type Ia. Avec ces ingrédients, notre modèle peut reproduire les abondances de plusieurs éléments observées dans les étoiles du voisinage solaire. De manière plus générale, notre MSA peut reproduire la relation actuelle observée entre la masse stellaire des galaxies et la masse de leur halo de matière sombre. Il peut aussi reproduire la métallicité, la quantité d’hydrogène et le taux de formation stellaire spécifique observés dans les galaxies de l’Univers local. Notre modèle est également consistant avec les observations suggérant que les galaxies de faible masse sont davantage affectées par la rétroaction stellaire que les galaxies plus massives. De plus, le modèle peut reproduire les différents comportements, soit oscillatoire ou stable, observés dans l’évolution du taux de formation stellaire des galaxies. Tous ces résultats démontrent que notre MSA est suffisamment qualifié pour traiter l’évolution des galaxies à l’intérieur d’une simulation cosmologique. / We present a semi-analytical model (SAM) designed to be used in a large-scale hydrodynamical simulation as a sub-grid treatment in order to generate the evolution of galaxies in a cosmological context. The ultimate goal of this project is to study the chemical enrichment history of the intergalactic medium (IGM) and the interactions between galaxies and their surrounding. Presently, the SAM takes into account all the ingredients needed to compute the evolution of low- and intermediate-mass galaxies. This includes the accretion of the galactic halo and the IGM, radiative cooling, star formation, chemical enrichment, and the production of galactic outflows driven by the mechanical energy and the radiation of massive stars. The physics of interstellar bubbles is applied to every stellar population which forms in the model in order to link the stellar activity to the production of outflows driven by mechanical energy. We use up-to-date stellar models to generate the evolution of each stellar population as a function of their mass, metallicity, and age. This enables us to include, in the enrichment process, the stellar winds from massive stars, Type II, Ib, and Ic supernovae, hypernovae, the stellar winds from low- and intermediate-mass stars in the asymptotic giant branch, and Type Ia supernovae. With these ingredients, our model can reproduce the abundances of several elements observed in the stars located in the solar neighborhood. More generally, our SAM reproduces the current stellar-to-dark-halo mass relation observed in galaxies. It can also reproduce the metallicity, the hydrogen mass fraction, and the specific star formation rate observed in galaxies as a function of their stellar mass. Our model is also consistent with observations which suggest that low-mass galaxies are more affected by stellar feedback than higher-mass galaxies. Moreover, the model can reproduce the periodic and the stable behaviors observed in the star formation rate of galaxies. All these results show that our SAM is sufficiently qualified to treat the evolution of low- and intermediate-mass galaxies inside a large-scale cosmological simulation.

Les organophosphorés (OPs) sont des neurotoxiques. Leur décontamination est difficile et coûteuse. L’utilisation d’enzymes capables de les détoxifier est une solution élégante. Les enzymes bactériennes sont peu stables et chères à produire. Nous avons identifié des enzymes très résistantes, capable de biodégrader lentement ces composés. Nous avons alors développé une stratégie permettant d'améliorer l'activité de l'enzyme très stable en nous basant sur les enzymes les plus actives. Celle-ci fut améliorée de plus de 1000 fois envers ces insecticides. Enfin, nous avons analysé l'origine de ces améliorations et mis en évidence des concepts émergents dans l'évolution des enzymes. / Organophosphorus compounds are neurotoxic. Their decontamination is difficult and cost prohibitive. An appealing solution resides in the use of enzymes capable of degrading such compounds. Bacterial enzymes are poorly stable and expensive. We identified highly resistant enzymes capable of slowly biodegrading these compounds. We have developped a strategy allowing to increase the activity of our enzyme by using the similarities with the highly active enzymes. The activity was increased by a factor of 1000 against OPs. We analyzed the origins of these ameliorations and showed emergent concepts in enzyme evolution.

L’acide rétinoïque (AR) est un morphogène dérivé de la vitamine A qui contrôle des processus clés au niveau cellulaire et pendant le développement embryonnaire des chordés. Chez les vertébrés les principaux acteurs de la voie de signalisation de l’AR sont les récepteurs de l’acide rétinoïque (RAR) et les récepteurs des x rétinoïdes (RXR). L’évolution de RAR est encore très mal connue cependant, des données récentes indiquent qu’il est également présent chez des animaux non-chordés. Suggérant ainsi, que l’origine évolutive de RAR et de la voie de signalisation de l’AR est plus ancienne qu’initialement prévu. Durant ma thèse j’ai pu retracer l’histoire évolutive de ce récepteur depuis son origine chez Urbilateria jusqu'à sa diversification, suite aux duplications génomiques chez les vertébrés. En caractérisant les RARs d’un annélide, un mollusque et un oursin j’ai démontré que chez l’annélide et l’oursin RAR est activé par l’AR, contrairement au RAR de mollusque qui n’est pas fonctionnel avec l’AR. De plus, des études menées chez l’annélide ont montré que les gènes régulés par l’AR chez cette espèce sont différents de ceux régulés chez les vertébrés. Ces données permettent donc de s’interroger sur la fonction ancestrale probable que ce récepteur avait chez Urbilateria. Finalement, la caractérisation moléculaire des RAR de cyclostomes nous a permis d’étudier l’impact des duplications génomiques sur l’évolution de la poche de liaison au ligand. Ainsi, les résultats obtenus pendant ma thèse permettent de mieux comprendre les relations entre le récepteur et son ligand ainsi que de découvrir de nouveaux aspects sur la fonction de RAR en présence de ligands non-classiques. / Retinoic acid (RA) is a fat-soluble morphogen derived from vitamin A that controls key cellular and developmental processes in chordates. In vertebrates, the major actors of the RA signaling pathway are the retinoic acid receptors (RARs) and the retinoid X receptors (RXRs). The evolution of RAR is still poorly understood, however, recently RARs have been identified in the genome of non-chordate species, suggesting that RAR and the RA pathway might have a more ancient evolutionary origin than previously thought. The work presented in this manuscript allowed us to retrace the evolutionary history of RAR from its origin in Urbilateria to its diversification following whole genome duplication events in vertebrates. We describe the characterization of the RARs from an annelid, a mollusk and a sea urchin. We showed that the receptors from the annelid and the sea urchin are functional RARs, however, the receptor from the mollusk is not functional with RA. Studies carried out in the annelid revealed that the signaling pathways regulated by RA in this species are different to the ones it regulates in vertebrates. These observations raise questions about the function of RA and RAR on the embryonic development of non-chordate species and their possible function in Urbilateria. Finally, the molecular characterization of cyclostome RARs allowed us to characterize the impact of whole genome duplications on the evolution of the ligand-binding pocket. Altogether, these data will allow us to better understand the relationship between the receptor and its ligand and to reveal novel insights on the function of RAR in response to non-classical ligands.

Les bactéries constituent le socle de presque tous les écosystèmes et l’étude de leurs dynamiques face aux perturbations biotiques et abiotiques est essentielle à la compréhension de leur maintien, de leur évolution et de leur diversification. Cette thèse vise à une meilleure appréhension de l’impact des bactériophages et des antibiotiques sur l’écologie évolutive des populations bactériennes et, plus particulièrement, sur l’évolution de leurs comportements sociaux. Dans une première partie, nous avons étudié comment les antibiotiques (Chapitres 1 et 2) et les phages (Chapitre 3) affectent les interactions fondées sur la production de biens publics ainsi que l’évolution de la résistance dans les populations de Pseudomonas aeruginosa, en combinant modélisation mathématique et évolution expérimentale. Nous avons montré que les phages et les antibiotiques favorisent les tricheurs face aux coopérateurs dans les environnements homogènes. Alors que l’avantage des tricheurs permet la croissance de la population et augmente la fréquence de résistance à court terme (Chapitre 1), les populations dominées par les tricheurs finissent par décliner en présence de phages, vraisemblablement suite aux pressions combinées des phages et des tricheurs (Chapitre 3). Dans une seconde partie, nous avons exploré in vitro les interactions complexes entre les phages et les antibiotiques dans le contexte des thérapies combinées. Conformément à la prédiction de la théorie de l’évolution selon laquelle plusieurs moyens de contrôle combinés sont plus efficaces que chacun séparément, nous avons montré que l’usage simultané de phages et d’antibiotiques réduit davantage la survie et la résistance des populations. Si ce résultat principal peut être modulé par différents facteurs tels que la dose d’antibiotiques (Chapitres 4 et 5), le moment d’inoculation (Chapitre 4), et le mode d’action des antibiotiques (Chapitre 5), il persiste sur le long terme (Chapitre 5). Nos résultats soulignent la complexité des interactions entre les effets négatifs des phages et des antibiotiques et l’écologie évolutive des populations bactériennes et apportent de nouveaux éléments à la fois à la compréhension de l’évolution de la socialité et à l’usage thérapeutique potentiel des phages et des antibiotiques. / Bacteria are the basis of virtually all ecosystems and examining their dynamics in the face of biotic and abiotic perturbations is essential to understanding their persistence, evolution and diversification. This thesis is directed towards a better understanding of the impact of phage and antibiotic pressure on the evolutionary ecology of bacterial populations and, in particular, on the evolution of bacterial social behaviours. First, using a combination of mathematical modelling and experimental evolution, we studied how antagonisms in the form of antibiotics (Chapters 1 and 2) and phages (Chapter 3) affect the dynamics of public goods production and strategies, and the evolution of resistance in populations of the bacterium Pseudomonas aeruginosa. We found that both phages and antibiotics favour cheats over cooperators in well-mixed environments. While the advantage to cheats leads to population growth and even increased resistance frequency in the short-term (Chapter 1), the cheat-dominated populations eventually declined in the presence of phage predators, arguably due to the combination of antagonist pressure and cheating load (Chapter 3). Second, based on the evolutionary prediction that multiple control agents will be more efficient at controlling bacterial populations and reducing the evolution of resistance, we investigated in vitro the complex interactions between phages and antibiotics in the context of combined therapies. We showed that the combination of phages and antibiotics decreased population survival and resistance evolution significantly more than either alone. While this main result may be mitigated by several factors such as antibiotic dose (Chapters 4 and 5), the timing of inoculation (Chapter 4), and antibiotic mode of action (Chapter 5), it is also obtained in longer-term assays (Chapter 5). Our results highlight the complexity of the interplay between the negative effects exerted by antibiotics and phages and the evolutionary ecology of bacterial populations, and bring new insights both to the understanding of social evolution and for the potential therapeutic use of phages and antibiotics.

L’acquisition de données génomiques ne cesse de croître, ainsi que l’appétit pour les interpréter. Mais déterminer les processus qui ont façonné l’évolution des séquences codantes (et leur importance relative) est un défi scientifique passant par le développement de modèles statistiques de l’évolution prenant en compte de plus en plus d’hétérogénéités au niveau des processus mutationnels et de sélection. Identifier la sélection est une tâche qui nécessite typiquement de détecter un écart entre deux modèles : un modèle nulle ne permettant pas de régime évolutif adaptatif et un modèle alternatif qui lui en permet. Lorsqu’un test entre ces deux modèles rejette le modèle nulle, on considère avoir détecter la présence d’évolution adaptative. La tâche est d’autant plus difficile que le signal est faible et confondu avec diverses hétérogénéités négligées par les modèles. La détection de la sélection sur l’usage des codons spécifiquement est controversée, particulièrement chez les Vertébrés. Plusieurs raisons peuvent expliquer cette controverse : (1) il y a un biais sociologique à voir la sélection comme moteur principal de l’évolution, à un tel point que les hétérogénéités relatives aux processus de mutation sont historiquement négligées ; (2) selon les principes de la génétique des populations, la petite taille efficace des populations des Vertébrés limite le pouvoir de la sélection sur les mutations synonymes conférant elles-mêmes un avantage minime ; (3) par contre, la sélection sur l’usage des codons pourrait être très localisée le long des séquences codantes, à des sites précis, relevant de contraintes de sélection relatives à des motifs utilisés par la machinerie d’épissage, par exemple. Les modèles phylogénétiques de type mutation-sélection sont les outils de prédilection pour aborder ces questions, puisqu’ils modélisent explicitement les processus mutationnels ainsi que les contraintes de sélection. Toutes les hétérogénéités négligées par les modèles mutation-sélection de Yang and Nielsen [2008] peuvent engendrer de faux positifs allant de 20% (préférence site-spécifique en acides aminés) à 100% (hypermutabilité des transitions en contexte CpG) [Laurin-Lemay et al., 2018b]. En particulier, l’hypermutabilité des transitions du contexte CpG peut à elle seule expliquer la sélection détectée par Yang and Nielsen [2008] sur l’usage des codons. Mais, modéliser des phénomènes qui prennent en compte des interdépendances dans les données (par exemple l’hypermutabilité du contexte CpG) augmente de beaucoup la complexité des fonctions de vraisemblance. D’autre part, aujourd’hui le niveau de sophistication des modèles fait en sorte que des vecteurs de paramètres de haute dimensionnalité sont nécessaires pour modéliser l’hétérogénéité des processus étudiés, dans notre cas de contraintes de sélection sur la protéine. Le calcul bayésien approché (Approximate Bayesian Computation ou ABC) permet de contourner le calcul de la vraisemblance. Cette approche diffère de l’échantillonnage par Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) communément utilisé pour faire l’approximation de la distribution a posteriori. Nous avons exploré l’idée de combiner ces approches pour une problématique spécifique impliquant des paramètres de haute dimensionnalité et de nouveaux paramètres prenant en compte des dépendances entre sites. Dans certaines conditions, lorsque les paramètres de haute dimensionnalité sont faiblement corrélés aux nouveaux paramètres d’intérêt, il est possible d’inférer ces mêmes paramètres de haute dimensionnalité avec la méthode MCMC, et puis les paramètres d’intérêt au moyen de l’ABC. Cette nouvelle approche se nomme CABC [Laurin-Lemay et al., 2018a], pour calcul bayésien approché conditionnel (Conditional Approximate Bayesian Computation : CABC). Nous avons pu vérifier l’efficacité de la méthode CABC en étudiant un cas d’école, soit celui de l’hypermutabilité des transitions en contexte CpG chez les Eutheria [Laurin-Lemay et al., 2018a]. Nous trouvons que 100% des 137 gènes testés possèdent une hypermutabilité des transitions significative. Nous avons aussi montré que les modèles incorporant l’hypermutabilité des transitions en contexte CpG prédisent un usage des codons plus proche de celui des gènes étudiés. Ceci suggère qu’une partie importante de l’usage des codons peut être expliquée à elle seule par les processus mutationnels et non pas par la sélection. Finalement nous explorons plusieurs pistes de recherche suivant nos développements méthodologiques : l’application de la détection de l’hypermutabilité des transitions en contexte CpG à l’échelle des Vertébrés ; l’expansion du modèle pour reconnaître des contextes autres que seul le CpG (e.g., hypermutabilité des transitions et transversions en contexte CpG et TpA) ; ainsi que des perspectives méthodologiques d’amélioration de la performance du CABC. / The acquisition of genomic data continues to grow, as does the appetite to interpret them. But determining the processes that shaped the evolution of coding sequences (and their relative importance) is a scientific challenge that requires the development of statistical models of evolution that increasingly take into account heterogeneities in mutation and selection processes. Identifying selection is a task that typically requires comparing two models: a null model that does not allow for an adaptive evolutionary regime and an alternative model that allows it. When a test between these two models rejects the null, we consider to have detected the presence of adaptive evolution. The task is all the more difficult as the signal is weak and confounded with various heterogeneities neglected by the models. The detection of selection on codon usage is controversial, particularly in Vertebrates. There are several reasons for this controversy: (1) there is a sociological bias in seeing selection as the main driver of evolution, to such an extent that heterogeneities relating to mutation processes are historically neglected; (2) according to the principles of population genetics, the small effective size of vertebrate populations limits the power of selection over synonymous mutations conferring a minimal advantage; (3) On the other hand, selection on the use of codons could be very localized along the coding sequences, at specific sites, subject to selective constraints related to DNA patterns used by the splicing machinery, for example. Phylogenetic mutation-selection models are the preferred tools to address these issues, as they explicitly model mutation processes and selective constraints. All the heterogeneities neglected by the mutation-selection models of Yang and Nielsen [2008] can generate false positives, ranging from 20% (site-specific amino acid preference) to 100% (hypermutability of transitions in CpG context)[Laurin-Lemay et al., 2018b]. In particular, the hypermutability of transitions in the CpG context alone can explain the selection on codon usage detected by Yang and Nielsen [2008]. However, modelling phenomena that take into account data interdependencies (e.g., hypermutability of the CpG context) greatly increases the complexity of the likelihood function. On the other hand, today’s sophisticated models require high-dimensional parameter vectors to model the heterogeneity of the processes studied, in our case selective constraints on the protein. Approximate Bayesian Computation (ABC) is used to bypass the calculation of the likelihood function. This approach differs from the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) sampling commonly used to approximate the posterior distribution. We explored the idea of combining these approaches for a specific problem involving high-dimensional parameters and new parameters taking into account dependencies between sites. Under certain conditions, when the high dimensionality parameters are weakly correlated to the new parameters of interest, it is possible to infer the high dimensionality parameters with the MCMC method, and then the parameters of interest using the ABC. This new approach is called Conditional Approximate Bayesian Computation (CABC) [Laurin-Lemay et al., 2018a]. We were able to verify the effectiveness of the CABC method in a case study, namely the hypermutability of transitions in the CpG context within Eutheria [Laurin-Lemay et al.,2018a]. We find that 100% of the 137 genes tested have significant hypermutability of transitions. We have also shown that models incorporating hypermutability of transitions in CpG contexts predict a codon usage closer to that of the genes studied. This suggests that a significant part of codon usage can be explained by mutational processes alone. Finally, we explore several avenues of research emanating from our methodological developments: the application of hypermutability detection of transitions in CpG contexts to the Vertebrate scale; the expansion of the model to recognize contexts other than only CpG (e.g., hypermutability of transitions and transversions in CpG and TpA context); and methodological perspectives to improve the performance of the CABC approach.

Les interactions font partie intégrante des écosystèmes. Que ce soit aux niveaux les plus fins, comme les protéines, ou les plus larges, comme les méta-communautés, il est possible de les regrouper en réseaux et d’en étudier la structure. Cela a permis de mettre en évidence que certaines structures sont observables à différents niveaux, c’est le cas par exemple des réseaux emboîtés. De plus, les réseaux d’interaction ont la spécificité de ne pas être fixes dans le temps et l’espace, ce qui leur confère un avantage de taille pour l’étude de l’évolution. Ils peuvent ainsi servir de support à l’études des mécanismes intervenants dans les processus évolutifs. Cependant, il n’existe pas encore de méthodologie ayant fait consensus sur l’utilisation des réseaux et leur analyse à différentes échelles d’organisation. Cette thèse se base sur l’hypothèse que les réseaux, de par leurs propriétés, sont pertinents à considérer pour comprendre l’évolution et ce à différentes échelles d’organisation, et offrent la possibilité de faire des liens entre chacune d’entre elles. L’approche basée sur les réseaux, combinée à l’utilisation de modèles théorique serait donc un outil méthodologique puissant dans l’élargissement des connaissances concernant les processus sous-jacents à l’évolution. La thèse qui suit composée de six chapitres dont le contenu est le suivant. Elle commence par un chapitre d’introduction aux concepts d’intérêts, notamment sur l’évolution et la coévolution. Le deuxième chapitre est une introduction à l’utilisation des réseaux en écologie, suivit par le troisième chapitre qui effectue une revue non exhaustive des méthodologies développées autour des réseaux d’interactions. Les chapitres suivants sont en quelque sorte une mise en pratique de ces méthodes et ce à différents niveaux d’organisation. Le quatrième chapitre revient sur une étape avortée de ce doctorat qui servira tout de même à la construction du modèle du chapitre suivant. Le cinquième chapitre se concentre sur la coévolution et son suivit au travers des réseaux d’interaction entre les bactéries et leurs virus. Enfin, le sixième chapitre traque l’évolution des communautés grâce à la structure des arbres phylogénétiques et structure des réseaux d’interactions au cours du temps. / Interactions are an integral part of ecosystems. Whether at the finest levels, such as proteins, or the broadest, such as meta-communities, it is possible to group them into networks and study their structure. This made it possible to demonstrate that certain structures can be observed at different levels, such as nested networks, for example. In addition, interaction networks have the property of not being fixed in time and space, which gives them a major advantage for the study of evolution. They can thus serve as a support for the study of the mechanisms involved in the evolutionary processes. However, there is not yet a methodology that has achieved consensus on the use of networks and their analysis at different organizational scales. This thesis is based on the hypothesis that networks, by virtue of their properties, are relevant to consider in order to understand evolution at different organizational scales, and offer the possibility of making links between each of them. The network-based approach, combined with the use of theoretical models, would therefore be a powerful methodological tool in expanding knowledge about the processes underlying evolution. The thesis which follows consists of six chapters whose content is as follows. It begins with an introductory chapter to the concepts of interest, in particular on evolution and coevolution. The second chapter is an introduction to the use of networks in ecology, followed by the third chapter which performs a non-exhaustive review of the methodologies developed around interaction networks. The following chapters are in a way a practical application of these methods at different levels of organization. The fourth chapter returns to an aborted stage of this doctorate which will nevertheless be used to construct the model of the following chapter. The fifth chapter focuses on coevolution and its follow-up through the interaction networks between bacteria and their viruses. Finally, the sixth chapter tracks the evolution of communities thanks to the structure of phylogenetic trees and the structure of interaction networks over time.