L’Integrase du VIH est une ADN recombinase catalysant deux réactions qui permettent l'intégration de l'ADN viral dans l'ADN hôte. L’intégrase du VIH comprend 3 domaines : N-terminal impliqué dans la réaction de « 3' processing » et le transfert de brin, le domaine catalytique contenant le site actif et le domaine C-terminal liant l'ADN non-spécifiquement (CTD). Des recherches récentes mettent en évidence l'importance du CTD dans la liaison avec d'autres protéines virales comme la transcriptase inverse. Le but de la thèse était de comprendre les rôles et l'importance du domaine C-terminal de l’intégrase dans deux contextes : l'intégration dans la chromatine et la coévolution, avec l'objectif de comprendre le rôle de la multimerisation dans la fonction de l’intégrase. Globalement, les résultats de mon projet indiquent que l'IN-CTD joue un rôle important, en contribuant à la formation de multimères d'ordre supérieur importants pour la fonction de l’IN. / HIV Integrase is a DNA recombinase that catalyzes two endonucleolytic reactions that allow the viral DNA integration into host DNA for replication and subsequent viral protein production. HIV Integrase consists of 3 structural and functional domains: The N-terminal zinc domain involved in 3’ processing and strand transfer, the catalytic core domain which contains the active site, and the C-terminal domain that binds DNA non- specifically. Recent research highlights the importance of the CTD in binding with other viral proteins such as Reverse Transcriptase. The aim of the thesis was to understand the roles and importance of the C-terminal domain of HIV-1 Integrase in two contexts: chromatin integration, and co-evolution, with the overall purpose of understanding the role of multimerization in IN function. Overall, results from my project indicate that the IN-CTD plays an important role, by contributing to the formation of higher order multimers that are important for IN functionality.

Na / Na

Le VIH est la cause de la pandémie de SIDA depuis les années 1980. Avec plus d’un million de nouvelles infections chaque année, un vaccin prophylactique est indispensable pour bloquer de façon définitive la propagation du virus. Parmi les stratégies vaccinales, l’induction d’anticorps neutralisants à large spectre est une des plus prometteuses, car ceux-ci pourraient protéger contre l’infection par la grande diversité génétique des souches de VIH circulantes dans le monde. A ce jour, aucun immunogène n’a permis l’induction de tels anticorps, mais ils ont été isolés à partir de personnes infectées par le VIH. En effet, une faible fraction d’individus infectés développe des anticorps neutralisants à large spectre qui ciblent des régions vulnérables et conservées de la glycoprotéine d’enveloppe. La région du patch riche en mannose, centrée autour du glycane en position N332 de la gp120, est la plus fréquemment ciblée, et est à cet égard attractive d’un point de vue vaccinal.Afin de mieux comprendre comment se développent les anticorps ciblant le patch riche en mannose, nous avons étudié un donneur sélectionné de la cohorte du Protocole C de l’International AIDS Vaccine Initiative, et ayant une activité neutralisante sérique exceptionnelle. Nous avons isolé, à partir des cellules sanguines de cet individu, deux lignées d’anticorps ciblant la région N332, que nous avons caractérisées pour leur activité neutralisante et dont nous avons cartographié l’épitope. Nous avons également cartographié le paratope d’une lignée d’anticorps issue d’un autre donneur du Protocole C ciblant également la région N332. Nos résultats font apparaître la diversité de solutions adoptées pour atteindre une neutralisation à large spectre contre cette région. Les études de lignées, telles que nous l’avons entrepris, permettent d’appréhender comment la coévolution anticorps-virus conduit à la sélection d’anticorps neutralisants à large spectre. Le but ultime est d’utiliser les connaissances ainsi générées, pour mettre au point des immunogènes et des protocoles d’immunisations, visant à induire des lignées d’anticorps spécifiques et à conduire leur évolution vers la neutralisation à large spectre. / HIV has been the cause of the AIDS pandemic since the 1980s. With over a million new infections each year, a prophylactic vaccine is needed to stop the virus spread. Among vaccine strategies, the induction of broadly neutralizing antibodies is one of the most promising, as they could protect against infection by the huge genetic diversity of circulating HIV strains. To date, no immunogen has induced such antibodies, but they have been isolated from HIV infected people. Indeed, a small fraction of infected individuals eventually develops broadly neutralizing antibodies that target vulnerable and conserved sites of the envelope glycoprotein. The region of the high-mannose patch, centred around a glycan at position N332 of gp120, is the most frequently targeted, and is therefore attractive from a vaccination standpoint.In order to better understand how antibodies targeting the high-mannose patch develop, we studied a donor selected from the International AIDS Vaccine Initiative Protocol C cohort with exceptional serum neutralizing activity. We isolated two antibody lineages targeting the N332 region from this individual's blood cells, which we characterized for their neutralizing activity and mapped their epitope. We also mapped the paratope of an antibody lineage from another Protocol C donor, also targeting the N332 region. Our results show the great diversity of solutions to achieve broad neutralization against this region. Lineage studies, as we have undertaken, provide an understanding of how antibody-virus coevolution leads to the selection of broadly neutralizing antibodies. The ultimate goal is to use this knowledge to develop immunogens and immunization protocols, to induce specific antibody lineage and drive their evolution towards broad neutralization.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Les réseaux sont des structures mathématiques abstraites qui sont utilisées pour modéliser une grande variété de systèmes complexes. Ils trouvent une application importante en épidémiologie, où on les utilise pour modéliser les contacts entre les individus d'une population afin d'étudier comment un agent viral pourrait s'y propager. Jusqu'à maintenant, la majorité des modèles mathématiques en épidémiologie sur réseaux ont été développés dans le cadre du paradigme de V épidémie isolée, dans lequel le seul processus étudié est la propagation d'un agent viral. En réalité, plusieurs processus peuvent toutefois avoir lieu simultanément et interagir au sein d'une même population. On parle alors de processus coévolutifs. Ce mémoire est consacré au développement des outils nécessaires à la modélisation de processus coévolutifs en épidémiologie sur réseaux. On s'intéresse plus particulièrement à deux types de coévolution, soit la coévolution d'un agent viral avec la topologie du réseau et la coévolution de deux agents viraux.

Les parasites exercent une pression de sélection quasiment universelle. Cette thèse aborde les relations hôte-parasite dans le système Lymnaeidae (Gastropoda) Fasciolidae (Trematoda, douves) sous différents aspects, afin de brosser une image de cette interaction et de son évolution. J'ai tout d'abord établi les relations phylogénétiques entre les espèces de Lymnaeidae, puis retracé l'évolution de différents caractères, tels que la susceptibilité à l'infestation par Fasciola hepatica et F. gigantica. Alors que F. hepatica est un parasite généraliste, capable d'infester des mollusques de presque tous les clades de la famille Lymnaeidae, l'infestation par F. gigantica est plus restreinte à un clade. J'ai ensuite étudié plus finement la coévolution entre le parasite F. hepatica et deux de ses hôtes Lymnaeidae (Galba truncatula et Omphiscola glabra) au sein d'une métapopulation, ce qui a confirmé la stratégie généraliste de F. hepatica. En plus, il semblerait que les mollusques parasités et non parasités de G. truncatula aient des différences génétiques, au moins dans cinq des huit populations étudiées. J'ai caractérisé la diversité génétique de deux espèces de mollusques envahissantes, préférentiellement autogames et impliquées dans la transmission de F. hepatica : Pseudosuccinea columella et Lymnaea sp. On trouve une diversité génétique très réduite, chez ces deux espèces, ce qui pourrait faciliter leur expansion géographique et leur infestation par F. hepatica. Ce travail m'a ensuite conduit à mesurer le temps d'attente avant l'autofécondation et la dépression de consanguinité chez ces deux espèces. J'ai trouvé que ces deux espèces sont caractérisées par une dépression de consanguinité très faible et un temps d'attente nul, ce qui confirme les résultats obtenus lors d'une collaboration dans une étude à plus large échelle. Cette thèse souligne l'importance des études en évolution pour comprendre l'épidémiologie des maladies parasitaires. / Parasites constitute a selective pressure to almost all living beings. This thesis addresses the host-parasite interaction in the Lymnaeidae (Gastropoda) Fasciolidae (Trematoda; liver flukes) system through different approaches, with the aim to give a comprehensive image of this interaction and its evolution. First, I established the phylogenetic relationships among Lymnaeidae species, and then mapped the evolution of different characters such as the susceptibility to the infection by Fasciola hepatica and F. gigantica. While F. hepatica is a generalist parasite, capable to infect snails from almost all clades of the Lymnaeidae, infection by F. gigantica is restricted to one clade. Next, I studied the co-evolution between the parasite F. hepatica and two of its intermediate host species (Galba truncatula and Omphiscola glabra) at a finer scale: within a metapopulation. This study confirmed the generalist strategy of F. hepatica. In addition, it seems that parasitized and non-parasitized G. truncatula snails exhibit genetic differences, at least in five out of eight studied populations.I also characterized the genetic diversity of two species of invasive snails involved in the transmission of F. hepatica: Pseudosuccinea columella and Lymnaea sp. We discuss the possible reasons of invasion success in these snails, despite their low genetic diversity, which could facilitate their infection by F. hepatica. Their capacity to respond to parasitism is certainly reduced, all the more that these species are preferential selfers. This work has then led me to measure the waiting time before self-fertilization and inbreeding depression in these two snails. I found that these two species are characterized by low inbreeding depression and present no waiting time, which confirms the results obtained in a collaborative project at larger phylogenetic scale. This thesis strengthens the importance of evolutionary studies to understand the epidemiology of parasitic diseases.

Les Loricariinae appartiennent à la famille des poissons-chats néotropicaux cuirassés Loricariidae, la famille de poissons-chats la plus riche en espèce au monde, et se caractérisent par un pédoncule caudal long et aplati et par l’absence de nageoire adipeuse. Préalablement aux études évolutives réalisées, une phylogénie exhaustive et robuste a été établie sur la base de données mitochondriales et nucléaires. Cette phylogénie a ensuite été utilisée dans des analyses multivariées et multi-tableaux afin de révéler les principales tendances évolutives de la sous-famille. La phylogénie obtenue indique que la tribu Harttiini forme un groupe paraphylétique et est restreinte à trois genres, et que dans la tribu Loricariini, deux sous-tribus soeurs se distinguent, les Farlowellina et les Loricariina, chacune présentant des patterns évolutifs complexes. Plusieurs nouveaux taxa ont aussi été mis en évidence et décrits. En utilisant la phylogénie comme outil exploratoire, nous avons démontré : (1) avec l’analyse de co-inertie que les caractères diagnostiques fournis pour définir les différents genres étaient sous dépendance phylogénétique ; (2) avec l’analyse de co-inertie multiple que les forces évolutives sous-jacentes dirigeant leur diversification incluaient des composantes intraphénotypiques (morphologie et génétique) et extraphénotypique (écologie et distribution) ; (3) avec l’analyse RLQ que des évènements de co-dispersion entre espèces codistribuées avaient eu lieu et étaient responsables de la distribution actuelle des espèces ; et (4) avec l’analyse de patterns multi-échelles que la co-évolution des traits liés aux caractéristiques de la bouche était liée à des fonctions reproductrices responsables d’une évolution tertiaire de cet organe. / The Loricariinae belong to the Neotropical mailed catfish family Loricariidae, the mostspeciose catfish family in the world, and are united by a long and flattened caudal peduncle and the absence of an adipose fin. Despite numerous works conducted on this group, no phylogeny is presently available. Prior to conduct evolutionary studies, an exhaustive and robust phylogeny was reconstructed using mitochondrial and nuclear data. Then, this phylogeny was used in multivariate and multi-table analyses to reveal the main evolutionary trends of the subfamily. The resulting phylogeny indicated that the Harttiini tribe, as classically defined, formed a paraphyletic assemblage and was restricted to three genera, and within the Loricariini tribe, two sister subtribes were distinguished, Farlowellina and Loricariina, both displaying complex evolutionary patterns. In addition several new taxa were highlighted and described. Subsequently using this phylogeny as exploratory tool, we demonstrated: (1) using co-inertia analysis that the diagnostic features provided to define the different genera were phylogenetically dependent; (2) using multiple co-inertia analysis that the underlying evolutionary forces shaping their diversification included intraphenotypic (morphology and genetics) and extraphenotypic (ecology and distribution) components; (3) using the RLQ analysis that co-dispersion events occurred between co-distributed species responsible for the current fish distribution; and (4) using the multi-scale pattern analysis that the co-evolution in traits related to the mouth characteristics was linked to reproductive functions responsible for a tertiary evolution of this organ.

Les Machines de Boltzmann restreintes (RBM) sont des modèles graphiques capables d’apprendre simultanément une distribution de probabilité et une représentation des données. Malgré leur architecture relativement simple, les RBM peuvent reproduire très fidèlement des données complexes telles que la base de données de chiffres écrits à la main MNIST. Il a par ailleurs été montré empiriquement qu’elles peuvent produire des représentations compositionnelles des données, i.e. qui décomposent les configurations en leurs différentes parties constitutives. Cependant, toutes les variantes de ce modèle ne sont pas aussi performantes les unes que les autres, et il n’y a pas d’explication théorique justifiant ces observations empiriques. Dans la première partie de ma thèse, nous avons cherché à comprendre comment un modèle si simple peut produire des distributions de probabilité si complexes. Pour cela, nous avons analysé un modèle simplifié de RBM à poids aléatoires à l’aide de la méthode des répliques. Nous avons pu caractériser théoriquement un régime compositionnel pour les RBM, et montré sous quelles conditions (statistique des poids, choix de la fonction de transfert) ce régime peut ou ne peut pas émerger. Les prédictions qualitatives et quantitatives de cette analyse théorique sont en accord avec les observations réalisées sur des RBM entraînées sur des données réelles. Nous avons ensuite appliqué les RBM à l’analyse et à la conception de séquences de protéines. De part leur grande taille, il est en effet très difficile de simuler physiquement les protéines, et donc de prédire leur structure et leur fonction. Il est cependant possible d’obtenir des informations sur la structure d’une protéine en étudiant la façon dont sa séquence varie selon les organismes. Par exemple, deux sites présentant des corrélations de mutations importantes sont souvent physiquement proches sur la structure. A l’aide de modèles graphiques tels que les Machine de Boltzmann, on peut exploiter ces signaux pour prédire la proximité spatiale des acides-aminés d’une séquence. Dans le même esprit, nous avons montré sur plusieurs familles de protéines que les RBM peuvent aller au-delà de la structure, et extraire des motifs étendus d’acides aminés en coévolution qui reflètent les contraintes phylogénétiques, structurelles et fonctionnelles des protéines. De plus, on peut utiliser les RBM pour concevoir de nouvelles séquences avec des propriétés fonctionnelles putatives par recombinaison de ces motifs. Enfin, nous avons développé de nouveaux algorithmes d’entraînement et des nouvelles formes paramétriques qui améliorent significativement la performance générative des RBM. Ces améliorations les rendent compétitives avec l’état de l’art des modèles génératifs tels que les réseaux génératifs adversariaux ou les auto-encodeurs variationnels pour des données de taille intermédiaires. / Restricted Boltzmann machines (RBM) are graphical models that learn jointly a probability distribution and a representation of data. Despite their simple architecture, they can learn very well complex data distributions such the handwritten digits data base MNIST. Moreover, they are empirically known to learn compositional representations of data, i.e. representations that effectively decompose configurations into their constitutive parts. However, not all variants of RBM perform equally well, and little theoretical arguments exist for these empirical observations. In the first part of this thesis, we ask how come such a simple model can learn such complex probability distributions and representations. By analyzing an ensemble of RBM with random weights using the replica method, we have characterised a compositional regime for RBM, and shown under which conditions (statistics of weights, choice of transfer function) it can and cannot arise. Both qualitative and quantitative predictions obtained with our theoretical analysis are in agreement with observations from RBM trained on real data. In a second part, we present an application of RBM to protein sequence analysis and design. Owe to their large size, it is very difficult to run physical simulations of proteins, and to predict their structure and function. It is however possible to infer information about a protein structure from the way its sequence varies across organisms. For instance, Boltzmann Machines can leverage correlations of mutations to predict spatial proximity of the sequence amino-acids. Here, we have shown on several synthetic and real protein families that provided a compositional regime is enforced, RBM can go beyond structure and extract extended motifs of coevolving amino-acids that reflect phylogenic, structural and functional constraints within proteins. Moreover, RBM can be used to design new protein sequences with putative functional properties by recombining these motifs at will. Lastly, we have designed new training algorithms and model parametrizations that significantly improve RBM generative performance, to the point where it can compete with state-of-the-art generative models such as Generative Adversarial Networks or Variational Autoencoders on medium-scale data.

Les ARNs non-codants régulateurs (ARNnc) regroupent des acteurs majeurs de la régulation de l'expression des gènes, retrouvés de manière ubiquitaire dans l'ensemble des domaines du vivant. Chez les bactéries ils sont également appelés sRNAs, jouent des rôles clefs dans de nombreuxprocessus physiologiques et adaptatifs. Ces sRNAs ont été mis en évidence par des méthodes expérimentales haut-débit (microarray, tilling-array...) dans plusieurs espèces bactériennes d'intérêt. Ils agissent majoritairement au niveau post-transcriptionnel via une interaction physique avec un ou plusieurs ARNs messagers(s) cibles(s). Cependant, les informations sur les ARNmet les fonctions potentielles de ces sRNAs restent très parcellaires à ce jour. De plus, les profils d'évolution des sRNAs ont été peu étudiés chez les bactéries pathogènes. Le travail réalisé dans cette thèse repose sur l'hypothèse que l'évolution des sRNAs et leur coévolution avec d'autres éléments fonctionnels dans un ensemble de génomes, peut permettre de mieux comprendre leurs histoires évolutives, mais également de caractériser leurs fonctions potentielles et peut-être d'aider à identifier le ou les ARNm cibles avec lesquels ils interagissent. Dans ce but, nous avons conçu et implémenté une stratégie de phylogénomique robuste et géné- rique permettant d'analyser l'évolution et la coévolution des sRNAs et des ARNm cibles dans un ensemble de génomes bactériens annotés, à partir de leur profil de présence-absence. Cette méthode a été appliquée à l'analyse de l'évolution et de la coévolution de 154 sRNAs trans régulateurs de Listeria monocytogenes EGD-e. Elle nous a permis d'identifier 52 sRNAs accessoires dont la majo- rité étaient présents dans l'ancêtre commun des souches de Listeria et ont été perdus au cours de l'évolution. Nous avons ensuite détecté une coévolution significative entre 23 sRNAs et 52 ARNm et nous avons reconstruit le réseau de coévolution des sRNAs et ARNm de Listeria. Ce réseau contient un hub principal de 12 sRNAs qui coévoluent avec des ARNm codant pour des protéines de la paroi ainsi que des facteurs de virulence. Parmi eux nous avons pu identifier 4 sRNAs coévoluant avec 7 gènes codant pour des internalines qui sont connues pour regrouper d'importants facteurs de virulence chez Listeria. De plus, l'ARN rli133, qui coévolue avec plusieurs gènes impliqués dans le pouvoir pathogène de Listeria, contient des régions compatibles avec des interactions physiques directes inhibitrices pour la majorité de ses partenaires de coévolution. / Non coding RNAs (ncRNA) are main actors of gene expression regulation and are found ubiquitously in all domains of life. In bacteria, ncRNAs play key roles in a wide range of physiological and adaptive processes. These "small non coding RNAs" (sRNAs) are identified by high-throughput experimental methods (microarray, tilling-array, ...) in several bacteria species of interest. They mainly act at post-transcriptional level through physical interactions with one or several mRNA(s). Nevertheless, the available informations about mRNA targets and sRNAs functions, remain very limited. In addition, evolutionary patterns of sRNAs have been poorly studied in pathogenic bacteria. The main hypothesis of my PhD work is therefore that analysis of evolution and coevolution between sRNAs and other functional elements in a given genomes set, may allow to understand their evolutionary histories, to better characterize their putative functions, and may also help to identify their potential mRNA(s) target(s). For this purpose, we designed and developed a robust and generic phylogenomic approach to analyze evolution and coevolution between sRNAs and mRNA from their presence-absence profiles, in a set of annotated bacterial genomes. This method was thereafter used to analyze evolution and coevolution of 154 Listeria monocytogenes EGD-e trans regulatory sRNAs in 79 complete genomes of Listeria. This approach allowed us to discover 52 accessory sRNAs, the majority ofwhich were present in the Listeria common ancestor and were subsequently lost during evolution of Listeria strains. We then detected significant coevolutions events between 23 sRNAs and 52 mRNAs and reconstructed the coevolving network of Listeria sRNA and mRNA. This network contains a main hub of 12 sRNAs that coevolves with mRNA encoding cell wall proteins and virulence factors. Among them, we have identified 4 sRNAs coevolving with 7 internalin-coding genes that are known to group important virulence factors of Listeria. Additionaly, rli133, a sRNA that coevolve with several genes involved in Listeria pathogenicity, exhibits regions compatible with direct translational inhibitory physical interactions for most of its coevolution partners.

[néant] / [néant]

Le degré de spécialisation d'hôte des parasites peut considérablement modifier la nature des interactions interspécifiques. Lorsque les parasites sont également vecteurs, leur capacité d'adaptation et leur réponse aux changements dans la communauté d'hôtes aura des conséquences importantes sur la dynamique de leurs populations, mais aussi sur les microparasites qu'ils transmettent. Une première étape pour mieux appréhender l'importance de ce phénomène sur l'écologie et l'évolution des systèmes vectoriels est d'étudier la divergence génétique associée à l'hôte. Nous avons utilisé cette approche dans le système hôte-vecteur-pathogène impliquant la tique européenne Ixodes ricinus, ses différents hôtes vertébrés et les bactéries responsables de la maladie de Lyme (Borrelia burgdorferi sl). Ce travail a notamment consisté à tester si les communautés les plus anciennes montraient des divergences associées à l'hôte plus importantes que celles récemment colonisées. Nous avons combiné des échantillonnages de terrain sur un transect européen (comprenant la distribution historique d'I. ricinus et des zones nouvellement colonisées) et, des analyses moléculaires basés sur 14 marqueurs microsatellites (dont 9 nouvellement développés). Comme un obstacle majeur pour aborder la question de la spécificité d'hôte dans le système I. ricinus, ainsi que chez d'autres vecteurs, est de déterminer l'utilisation des hôtes, nous avons également testé expérimentalement les biais rencontrés lors de la détection moléculaire de l'hôte. Nos résultats révèlent un schéma complexe de l'adaptation des tiques à travers l'Europe ; la spécialisation d'hôte peut évoluer, mais l'âge de la communauté ne semble pas être un facteur décisif. Plus généralement, les résultats de cette thèse soulignent que l'écologie des vecteurs en eux-mêmes (et pas seulement les interactions hôtes-pathogènes) doit être considérée avec attention si on veut améliorer notre compréhension de ces systèmes. / The degree of host specialization in parasites can greatly modify the nature of interspecific interactions. When parasites are also vectors, their ability to adapt to new hosts and their response to changes in the host community will have important consequences for both their population dynamics and evolution, but may also cascade down to the microparasites they transmit. A first step to better apprehend the importance of this phenomenon for the evolution and ecology of vector-borne disease systems is to study patterns of host-associated genetic divergence across diverse vector populations. We used this approach in the host-vector-pathogen system involving the European tick Ixodes ricinus, its various vertebrate hosts and the bacteria responsible for Lyme disease Borrelia burgdorferi sl. We predicted that longer established interactions would show stronger patterns of host-associated divergence than more recently established ones. We tested this prediction by combining field samples from a European-wide transect (including both historical and newly colonized zones) and molecular analyses based on 14 microsatellite markers (9 newly developed). As a major obstacle for tackling the question of host associations in the I. ricinus system is determining local host use, we also experimentally tested for biases in molecular host detection. Our results reveal a complex pattern of tick adaptation across the European landscape; host specialization does evolve, but not in a predictable way in relation to the evolutionary age of the interaction. More generally, the results of this thesis highlight that vector ecology (and not just host-pathogen interactions) require careful consideration, if we are to improve our understanding of these systems.