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<p> We study an alignment model for coding DNA sequences recently proposed by J. Hein in [4] that takes into account both DNA and protein information, and attempts to minimize the total amount of evolution at both DNA and protein levels[4,5,6]. Although there are two quadratic algorithms (i.e. Hua-Jiang algorithm[8] and PLH algorithm[9]) for Hein's model if the gap penalty function is affine, both of them are impractical because of the large constant factor embedded in the quadratic time complexity function. We therefore consider a mild simplification named Context-free Codon Alignment and present a much more efficient algorithm for the simplified model. The algorithms have been implemented and tested on both real and simulated sequences, and it is found that they produce almost identical alignments in most cases. Furthermore, we extend our model and design a heuristic algorithm to handle frame-shift errors and overlapping frames.</p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Kanalrhodopsine (ChRs) sind lichtgesteuerte Ionenkanäle, welche nach Absorption eines Photons durch den Retinal-Cofaktor einen passiven Ionentransport über die Zellmembran katalysieren. Im Zuge von optogenetischen Anwendungen wird diese Reaktion für die Beeinflussung der Ionenhomöostase von verschiedenen Zelltypen und Geweben ausgenutzt. Zu Beginn dieser Arbeit wurden lichtinduzierte Strukturänderungen und Protontransferschritte in einem breiten Zeitbereich (Nanosekunden bis Minuten) in dem grün-absorbierenden ChR ReaChR mithilfe von stationärer und transienter UV-vis- und Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) untersucht. Auf Basis der experimentellen Daten wurde ein komplexes Photozyklus-Modell konzipiert. Anschließend wurde die IR-aktive, nichtkanonische Aminosäure p-Azido-L-phenylalanin (azF) mittels Stopp-Codon-Suppression ortsspezifisch an mehreren Positionen innerhalb der vermuteten ionenleitenden Kanalpore in ReaChR inkorporiert und mit FTIR untersucht. azF ist sensitiv gegenüber Polaritätsänderungen und absorbiert in einem hochfrequenten Bereich (~2100 cm-1). Aufgrund der großen spektralen Separation zu endogenen Proteinschwingungen (< 1800 cm-1) können globale Konformations- und lokale Hydratisierungsänderungen simultan detektiert werden. Die erhobenen Daten leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Bildung einer temporären Wasserpore in ChRs und demonstrieren zum ersten Mal den erfolgreichen in-vivo-Einbau einer artifiziellen Aminosäure in mikrobielle Rhodopsine und dessen schwingungsspektroskopische Analyse. Die Methode bietet aufgrund ihrer hohen Ortsauflösung ein großes Potential für die Studie von Mikroumgebungen innerhalb komplexer Proteinensemble. / Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels. Upon absorption of a photon, the retinal chromophore isomerizes and drives conformational changes within the protein, which lead to a passive ion transport across the cell membrane. This capability is used for optogenetic applications to manipulate ionic homeostasis of different cell types and entire organisms. Within the work, light-induced structural changes and proton transfer steps were studied in the green-absorbing ChR ReaChR in great detail by steady-state and transient UV-vis and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The data were merged into a complex photocycle model. Next, the IR-active, unnatural amino acid p-azido-L-phenylalanine (azF) was site-specifically introduced at several sites of the putative ion pore of ReaChR by stop codon suppression. azF is sensitive to polarity changes and absorbs in a clear spectral window lacking endogenous protein vibrations. Thus, FTIR measurements of labeled mutants report for global conformational changes (< 1800 cm-1) and local hydration changes (~2100 cm-1) simultaneously. The presented findings reveal crucial insights regarding formation of a transient water pore in ChRs and demonstrate the first report of the successful in-vivo incorporation of an artificial amino acid into a microbial rhodopsin and its subsequent spectroscopic investigation. Additionally, the so far unprecedented spatial resolution renders this methodology superior over conventional FTIR methods to study microenvironments within complex protein ensembles.

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Le paysage nucléotidique – la manière dont la composition nucléotidique varie le long du génome – est une caractéristique marquante de l'organisation des génomes et varie fortement entre espèces. Plusieurs hypothèses émergent des nombreux débats autour des mécanismes évolutifs à l'origine de ces hétérogénéités du taux de GC, parmi lesquelles la conversion génique biaisée vers G et C (BGC) et la sélection sur l'usage du code (SUC). La BGC est un processus neutre associé à la recombinaison qui favorise les allèles en G ou C au détriment des allèles en A ou T. La SUC est une force de sélection qui favorise les codons dits « préférés », ceux dont la traduction serait la plus efficace. Contrairement à ceux des vertébrés, les paysages nucléotidiques des plantes sont peu connus. La plupart des études ont été consacrées au génome d'Arabidopsis thaliana, pauvre en GC et homogène, et à celui du riz, riche en GC et hétérogène. Le contraste entre ces deux génomes a souvent été généralisé comme une dichotomie entre dicotylédones et monocotylédones, mais cette vision est clairement phylogénétiquement biaisée.Les objectifs de ce travail de thèse sont de caractériser les paysages nucléotidiques des angiospermes à une large échelle phylogénétique et de mieux comprendre quels sont les mécanismes évolutifs jouant sur l'évolution de ces paysages nucléotidiques. Comment varient les paysages nucléotidiques le long de la phylogénie des angiospermes ? SUC et BGC façonnent-elles ces paysages nucléotidiques ? Les différents taxons sont-ils affectés avec la même intensité ?Pour répondre à ces questions, j'ai utilisé une approche de génomique comparative basée sur l'analyse de données EST chez plus de 230 espèces d'angiospermes et de gymnospermes. L'exploration des paysages nucléotidiques de ce large éventail de plantes a montré que les patrons d'hétérogénéité des paysages nucléotidiques suivent un continuum le long de la phylogénie, avec des groupes particulièrement riches et hétérogènes en GC, les graminées par exemple. Mes résultats suggèrent que les paysages nucléotidiques des plantes pourraient avoir été façonnés par la BGC et, dans une moindre mesure, par la SUC. Des épisodes indépendants d'enrichissement et d'appauvrissement en GC ont vraisemblablement eu lieu au cours de l'évolution des plantes, et pourraient être expliqués par des variations d'intensité de ces mécanismes. En utilisant une prédiction du degré d'expression des EST, j'ai également mis en évidence une diversité dans les codons préférés entre espèces. Les préférences d'usage des codons se sont révélées plus labiles au cours de l'évolution pour les codons des acides aminés au code quatre et six fois dégénéré. J'ai pu lier l'évolution des préférences d'usage des codons à l'évolution de la composition nucléotidique des génomes. Mes résultats suggèrent que la composition en base des génomes, affectée en partie par la BGC, orienterait la coévolution entre préférence d'usage du code et ARNt. / The nucleotide landscape – the way base composition varies along a genome – is a striking feature of genome organization and is highly variable between species. The evolutionary causes of such heterogeneity in GC content have been much debated. Biased gene conversion towards G and C (BGC) and selection on codon usage (SCU) are thought to be main forces. BGC is a neutral process associated with recombination favouring G and C alleles over A and T ones. SCU is a selection process favouring the so-called “preferred” codons, i.e., those whose translation is the most efficient. Contrary to vertebrates, plant nucleotide landscapes are still poorly known. Most studies focused on the GC-poor and homogeneous Arabidopsis thaliana genome and on the GC-rich and heterogeneous rice genome. The contrast between these two genomes was often generalized as a dicot/monocot dichotomy but this vision is clearly phylogenetically biased.The objectives of this study are to characterize angiosperm nucleotide landscapes on a wide phylogenetic scale and to better understand the evolutionary mechanisms acting upon the evolution of nucleotide landscapes. To what extent do nucleotide landscapes vary across angiosperm phylogeny? Are nucleotide landscapes shaped by BGC and SCU? Are taxa affected with the same intensity?To tackle these issues, I used a comparative genomic approach relying on EST data analysis on over 230 angiosperm and gymnosperm species. Through the nucleotide landscape survey for such a wide range of species I found a continuum of GC-heterogeneity patterns across phylogeny, some taxa such as Poaceae being strikingly GC-rich and heterogeneous. My results suggest that nucleotide landscapes could have been shaped by BGC and, to a lesser extent, by SCU. GC-content enrichment and impoverishment are likely to have occurred several times independently during plant evolution and could be explained by intensity variations of BGC and SCU. Using a proxy for EST expression level, I also characterized the diversity of preferred codons between species. Codon usage preferences were shown to be evolutionarily more unstable for four- and six-fold degenerate codon families. Finally, I could link the evolution of codon usage preferences to the evolution of genome base composition. My results suggest that genome base composition, partially shaped by BGC, seems to drive the coevolution between codon usage preferences and tRNAs.

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