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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.

Le code génétique est la table de correspondance entre codons (unité structurelle d'un gène) et acides aminés (brique élémentaire des protéines). Le code génétique est (1) universel, tous les êtres vivants ou presque partagent le même code; (2) univoque, chaque codon spécifie un seul acide aminé et (3) dégénéré, les acides aminés peuvent être codés par plusieurs codons. Ce code dégénéré est donc utilisé par l'ensemble du vivant mais pas de la même manière, certains codons synonymes étant utilisés préférentiellement chez des espèces et pas d'autres. Pour comprendre l'émergence des biais d'usage du code (BUC) génétique entre espèces, je me place dans un contexte évolutif.Dans ce manuscrit, je présente mes travaux de recherche en quatre parties. La première partie introductive décrit la mise en évidence et les propriétés du code génétique, son biais d'usage et les diverses caractéristiques de précédents modèles de codons. La deuxième partie présente le modèle d'évolution de codons SENCA pour Sites Evolution at the Nucleotides, Codons and Amino-acids layers que j'ai développé durant ma thèse. SENCA prend en compte la structure du code génétique. Je valide sa paramétrisation par des simulations numériques et une étude sur des espèces bactériennes ou archées. La partie suivante décrit deux extensions de SENCA qui modélisent plusieurs hypothèses d'origines évolutives du BUC et une application de SENCA sur les conséquences génomiques d'adaptations environnementales. La dernière partie étudie les origines de variations de BUC le long du génome humain par une approche de génomique comparative / In this manuscript, I introduce my doctoral research in four parts. The first introductive part highlights the properties of the genetic code and its usage bias but also the caracteristics of previous published codons models. The second part presents an evolutionary codons models named SENCA for Sites Evolution at the Nucleotides, Codons and Amino-acids layers that I developped. SENCA takes into account the genetic code structure. I perform simulations and study prokaryotes species to confirm its parametrization. The following part provides two extensions of SENCA to test the hypotheses concerning the evolutive origins of CUB and an application of SENCA to study the genomic consequences of an environmental adaptation. The last part studies the origins of CUB variation within the human genome using a comparative genomic strategy

Although codon usage bias has been shown to persist through non-random mutations and selection, many avenues of research into the applications of codon usage bias have remained unexplored. In this dissertation, we present several new applications of codon usage bias and their practical uses in a phylogenetic construct. We first review the literature and provide background into other software applications of codon usage bias in Chapter 1. In Chapter 2, we show that in tetrapods, codon aversion in orthologs is phylogenetically conserved. We further this analysis in Chapter 3 by exploring codon use and aversion across the Tree of Life, providing frameworks for other researchers to analyze different species subsets. We present a novel algorithm to recover species relationships using codon aversion, without regard to orthologous relationships in Chapter 4. We present several other algorithms in Chapter 5 to also recover species relationships using biases in codon pairing. Chapter 6 analyzes the relationship between codon usage bias in viruses that infect humans and proteins found in tissues that they infect. In Chapter 7, we present our discovery of a conservation in coding sequence lengths in orthologous genes that allowed us to accurately recover orthologous gene relationships and reduce overall ortholog identification runtime by over 96%. In Chapter 8 we discuss a novel algorithm for extracting a ramp of slowly-translated codons located at the beginning of gene sequences, allowing researchers to quickly identify translational bottlenecks. Finally, Chapter 9 touches on future applications of codon usage bias in phylogenetics. This dissertation represents a major vertical leap in phylogenetics by providing a framework and paradigm shift toward utilizing codon usage and coding sequence length biases in future analyses.

A beta-tubulin gene (benA) is widely used in taxonomy and identification of Aspergillus spp. and other Fungi.Across Aspergillus spp. There is either one (benA) or two beta-tubulin paralogs (benA and tubC). The risk ofcontemporary use of sequences of paralogous genes with non-homologous function in the same phylogeneticanalysis is well known. It is evident that it had happened repeatedly in Aspergillus section Nigri. It is alarmingthat conventional primers for amplification of partial benA sequence can specifically amplify tubC paralog insome species. In this work, both paralogs were characterised in a set of species. The beta-tubulin primers in usewere revised and new, more benA specific primers were designed. Applicability of some markers such as basecomposition, codon usage and length of introns for distinguishing -tubulin paralogs benA and tubC is tested. Alarge study on molecular diversity of 349 isolates of Aspergillus (PCR-fingerprint, sequence data - ITS, benA,rpb2, caM) originating from Czech culture collections and from clinical material is also included. 82 specieswere identified, togetherwith nine tentative new taxa belonging to sections with high economic impact - Nigri,Fumigati or Aspergillus (Eurotium spp.). Five species from Section Aspergillus could be synonymised withexisting taxa. A study...

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<p>This thesis details the development of a kinetic model of translation which takes into account codon usage. The process of translation involves ribosomes decoding a sequence of codons to produce a protein. Codon usage is important in the kinetics of translation since experiments have shown that codons are processed at different rates. Codons which code for the same amino acid appear with unequal frequencies and certain synonymous codons are preferred by high expression genes. The relationship between translational efficiency and codon adaptation is explored in this thesis.</p> <p>We use a simple physics model called the totally asymmetric exclusion process (TASEP) to emulate the action of ribosomes, and the decoding of mRNA in protein elongation. The simple model is parameterized by an initiation rate that determines how quickly new ribosomes are introduced onto the lattice, and the rate of motion for ribosomes associated with a site on the lattice (codon message). Based on bioinformatics studies, we assign codon speeds so that codons preferred by high expression genes are translated more quickly.</p> <p>The model captures important aspects of translation like ribosome collision and codons of different speeds, and simulating it allows us to see details in dynamics which are inaccessible to experiments. TASEP has non-trivial behaviour when codon rates, and the rate of ribosome binding is varied. Slow codons can cause ribosomes to pause and may lead to a queue. We approximated real genes with its average rate, and with its slowest codons to test the salient features of how codons are used on mRNAs. We found that codon selection is important in determining when queues occur, and the ribosome density on genes. The model also shows that highly expressed genes queue later than low expression genes. The simple model gives us general insights into the translational selection of codons, and the important kinetic parameters.</p> / Master of Science (MSc)