No description available.

Cette thèse porte sur l'histoire évolutive des gènes de vertébrés. Deux types de phénomènes évolutifs peuvent perturber l’organisation des gènes dans les génomes eucaryotes : les modifications du contenu en gènes des génomes par duplications ou délétions de gènes, et les changements dans l’ordre des gènes par réarrangements. L’impact fonctionnel et sélectif de ces processus sur les génomes est encore mal connu.Ce travail de thèse s’articule autour de trois projets portant sur les événements de duplication et de délétion qui modifient le nombre de copies d'un gène. Nous nous sommes intéressés à ces événements à partir d’arbres phylogénétiques reconstruits à l’échelle de génomes entiers. Dans une première partie nous avons examiné le cas où ces événements seraient sous sélection négative, en étudiant les arbres de gènes ou aucune duplication ou délétion ne s'est fixée. Nous avons observé que ces gènes avaient des propriétés particulières et nous proposons des hypothèses pour les expliquer. Dans une deuxième partie nous nous sommes intéressés aux duplications de gènes et aux corrélations que l'on observe avec l'évolution des fonctions biologiques. Enfin en dernière partie nous avons étudié en détail la famille de gènes ROBO dont une des copies aurait acquis une fonction différente dans le développement du système nerveux des mammifères sous l’influence de la sélection positive. Dans leur ensemble ces résultats apportent de nouveaux éléments pour mesurer et comprendre l’impact global des contraintes ou des avantages que les duplications de gènes en particulier, et le changement du nombre de copies des gènes en général, peuvent exercer sur un génome de vertébré. / This thesis is about the evolutionary history of vertebrates genes. Two categories of evolutionary processes can disrupt the gene organization in eukaryotic genomes: changes in the content of genomes by gene duplications or gene deletions, and changes in the order of the genes by rearrangements. Functional and selective impacts of these processes on genomes are poorly understood.This thesis covers three different projects about duplication and deletion events that change the number of gene copies. We were interested in these events from phylogenetic trees reconstructed at the scale of whole genomes. In the first part we examined the case where these events would be under negative selection, by studying phylogenetic gene trees where no duplication or deletion was fixed. We found that these genes have special properties and propose hypotheses to explain them. In the second part we looked at gene duplications and correlated these events with the evolution of biological functions. Finally in the last part we have studied in detail the ROBO genes family in which one copy has acquired a different function in the developing nervous system of mammals under the influence of positive selection.Taken together these results provide new elements to measure and understand the global impact of constraints or advantages that gene duplications in particular, and the change of genes copy number in general, can have on a vertebrate genome.

The signalling cascade of rods and cones use different but related protein components. Rods and cones, emerged in the common ancestor of vertebrates around 500 million years ago around when two whole genome duplications took place, named 1R and 2R. These generated a large number of additional genes that could evolve new or more specialised functions. A third event, 3R, occurred in the ancestor of teleost fish.  This thesis describes extensive phylogenetic and comparative synteny analyses of the opsins, transducin and phosphodiesterase (PDE6) of this cascade by including data from a wide selection of vertebrates. The expression of the zebrafish genes was also investigated. The results show that genes for these proteins duplicated in 1R and 2R as well as some in 3R. Expression analyses of the zebrafish genes revealed additional specialisations for the 3R gene duplicates. The transducin beta subunit genes, gnb1a and gnb1b, show co-localisation in rods but are expressed at different levels. Gnb3a and gnb3b show different expression in the adult retina with low expression of gnb3a and expression of gnb3b in cones of the dorso-medial retina. The transducin gamma subunit genes gngt2a and gngt2b are expressed in the ventral and dorso-medial retina respectively. The both of PDE6 gamma subunit genes, pde6ga and pde6gb are both expressed in rods but pde6ga shows rhythmic changes of expression with low daytime levels. Pde6ha and pde6hb are expressed in cones however pde6ha show high daytime expression. All investigated transducin and PDE6 subunit genes, but gnb1b, were also expressed in the adult pineal complex or at some point during development. These results provide compelling evidence that the 1R and 2R genome duplications facilitated the evolution of rods and cones by generating gene duplicates that could evolve distinct expression and function. This supports existence of colour vision before the origin of vertebrates, elaboration of this in the early vertebrate ancestor, along with origin of the black-and-white dim-light vision of rods. Furthermore, the different expression patterns observed in the zebrafish retina for teleost 3R duplicates demonstrate multiple additional specialisations.

Little is known about dosage compensation in autosomal genes. Transcription-level compensation of deletions and other loss-of-function mutations may be a mechanism of dominance of wild-type alleles, a ubiquitous phenomenon whose nature has been a subject of a long debate. We measured gene expression in two isogenic Drosophila lines heterozygous for long deletions and compared our results with previously published gene expression data in a line heterozygous for a long duplication. We find that a majority of genes are at least partially compensated at transcription, both for 1/2-fold dosage (in heterozygotes for deletions) and for 1.5-fold dosage (in heterozygotes for a duplication). The degree of compensation does not vary among functional classes of genes. Compensation for deletions is stronger for highly expressed genes. In contrast, the degree of compensation for duplications is stronger for weakly expressed genes. Thus, partial transcriptional compensation appears to be based on regulatory mechanisms that insure high transcription levels of some genes and low transcription levels of other genes, instead of precise maintenance of a particular homeostatic expression level. Given the ubiquity of transcriptional compensation, dominance of wild-type alleles may be at least partially caused by of the regulation at transcription level.

The increasing availability of high-quality genome assemblies raised interest in the characterization of genomic architecture. Major architectural elements, such as common repeats and segmental duplications (SDs), increase genome plasticity that stimulates further evolution by changing the genomic structure and inventing new genes. Optimal computation of SDs within a genome requires quadratic-time local alignment algorithms that are impractical due to the size of most genomes. Additionally, to perform evolutionary analysis, one needs to characterize SDs in multiple genomes and find relations between those SDs and unique (non-duplicated) segments in other genomes. A na ̈ıve approach consisting of multiple sequence alignment would make the optimal solution to this problem even more impractical. Thus there is a need for fast and accurate algorithms to characterize SD structure in multiple genome assemblies to better understand the evolutionary forces that shaped the genomes of today. Here we introduce a new approach, BISER, to quickly detect SDs in multiple genomes and identify elementary SDs and core duplicons that drive the formation of such SDs. BISER improves earlier tools by (i) scaling the detection of SDs with low homology (75%) to multiple genomes while introducing further 10–34× speed-ups over the existing tools, and by (ii) characterizing elementary SDs and detecting core duplicons to help trace the evolutionary history of duplications to as far as 300 million years. / Graduate

Les génomes des eucaryotes et des procaryotes évoluent de temps en temps par un processus complexe, impliquant entre autres, des événements évolutifs tels que les spéciations, les duplications, les transferts horizontaux, et les pertes de gènes. Nous étudions ici les méthodes de réconciliation, une technique bien connue pour inférer de tels événements et retrouver leur localisation dans l'histoire d'espèces. En effet, ces méthodes construisent une correspondance entre l'histoire d'une famille de gènes (l'arbre de gènes) et l'histoire des espèces contenant ces gènes (l'arbre d'espèces) pour expliquer leurs discordances sur la base d'événements évolutifs qu'elles infèrent et positionnent sur l'arbre de gènes et l'arbre d'espèces. Les méthodes de réconciliation sont appliquées dans plusieurs domaines tels que l'étude de l'évolution du génome; l'inférence des relations d'orthologies en évolution moléculaire; l'étude de la coévolution entre hôtes et parasites en écologie, ou encore l'étude des zones de population en biogéographie. Les trois principales contributions de cette thèse sont les suivantes : premièrement, un outil nommé SEAS est proposé pour simuler l'évolution des familles de gènes dans une phylogénie d'espèces donnée. Cela permet d'obtenir des arbres de gènes synthétiques dont la réconciliation est connue et qui permettent donc d'évaluer la précision des méthodes de réconciliation. Deuxièmement, une méthode heuristique, appelée MowgliNNI, est proposée pour corriger les arbres de gènes partiellement erronés au regard des réconciliations. Cette méthode itérative réarrange les branches faiblement supportées pour rechercher une nouvelle topologie de l'arbre de gènes, dont le coût de réconciliation est moindre. Troisièmement, nous proposons une approche pour estimer la fiabilité des événements évolutifs prédits par les méthodes de réconciliation. Contrairement aux approches existantes qui ne considèrent qu'une des réconciliations optimales possible entre l'arbre de gènes et l'arbre d'espèces, notre approche prend en compte un ensemble de solutions optimales voire sous-optimales. En outre, nous introduisons le concept de réconciliations médianes symétriques et asymétriques qui servent d'éléments centraux pour représenter un ensemble de réconciliations. Nous présentons un algorithme pour calculer ces réconciliations médianes qui est en temps polynomial bien que l'ensemble de toutes les réconciliations optimales est potentiellement exponentiel. Des expériences ont été réalisées pour montrer l'exactitude, la signification et l'efficacité de nos méthodes proposées. / The genomes of eukaryotes and prokaryotes evolve over time through a complex process involving, among other things, evolutionary events such as speciations, duplications, horizontal transfers, and losses of genes. We study here reconciliation methods, a well-known technique for recovering such events as well as locating them along the species history. Indeed, reconciliation methods construct a mapping between a gene family history (a gene tree) and a species history (a species tree) to explain their incongruence thanks to the inferred evolutionary events located on both the gene and species trees. Reconciliation methods can be applied to various areas such as the study of genome evolution, the inference of orthology relationships in molecular evolution, the study of host-parasite coevolution in ecology, or the study of population areas in biogeography. The three main contributions of this thesis are as follows: First, we provide a tool, named SEAS, for simulating the evolution of gene families along a given species phylogeny. This provides synthetic gene trees along with their known reconciliations that are helpful to evaluate the accuracy of reconciliation methods. Second, we propose a heuristic method, called MowgliNNI, to correct partly erroneous gene trees based on reconciliation scores. This method iteratively rearranges the weakly supported parts of a gene tree as long as it improves the reconciliation score. Third, we propose effective solutions for estimating the reliability of the predicted evolutionary events. Unlike the currently existing approaches considering only the optimal solutions for reconciling a pair of species-gene trees, our approach additionally takes into account the nearly optimal solutions. Furthermore, we introduce the concept of symmetric and asymmetric median reconciliations, which serve as central elements to represent a set of reconciliations. We present a polynomial time algorithm computing such median reconciliations from the potentially exponential set of all optimal reconciliations for a given pair of species-gene trees. Experiments have been carried on to show the correctness, meaningfulness and effectiveness of our proposed methods.

Les mutations sont à l'origine des nombreux "variants" présents dans les populations naturelles. Les variants adaptatifs sont propagés par sélection naturelle. Cependant, une mutation bénéfique sur un trait peut affecter négativement d’autres traits (coût sélectif): un compromis émerge alors entre les avantages et les coûts qu’elle induit. Cette thèse vise à comprendre comment des modifications de l’environnement peuvent affecter les compromis évolutifs de différents types de mutations adaptatives (substitutions, duplications hétérogènes, amplifications). Chez les moustiques, l’utilisation d’insecticides organophosphorés (OPs) et carbamates (CXs) a sélectionné trois réponses adaptatives majeures : une amplification de gènes au locus Ester (codant pour des enzymes détoxicantes), une substitution au locus ace-1 (codant pour la cible des insecticides), et des duplications associant une copie sensible et une copie résistante du locus ace-1. Un premier axe de ma thèse a été de mieux comprendre le rôle de ces duplications hétérogènes (qui associent deux copies divergentes d’un même gène) dans l’adaptation. En caractérisant leurs compromis évolutifs nous avons montré qu'elles confèrent un phénotype proche de celui d’hétérozygotes standards. Toutefois, l’étude de leur distribution mondiale et des analyses en laboratoire ont révélé que ces duplications, avantageuses à l’état hétérozygote, sont majoritairement sublétales à l’état homozygote. Le second axe de cette thèse a été l’étude de l’influence des variations de pression de sélection sur la dynamique des allèles adaptatifs. Une étude d’évolution expérimentale a montré que des pressions de sélection intermédiaires pouvaient générer des situations de superdominance au locus ace-1, favorables à la sélection de duplications hétérogènes. Par ailleurs, l’analyse d’échantillons montpelliérains récoltés sur une trentaine d’années nous a permis de relier quantitativement les variations de la pression de sélection et les variations de la valeur sélective des différents allèles du locus Ester. Enfin, l’étude de trois zones géographiques (Mayotte, Martinique, et Montpellier) a permis de montrer que les différentes adaptations ne répondaient pas de la même façon à une modification environnementale majeure liée au retrait de la pression de sélection (interdiction des OPs et CXs en 2007) : alors que les allèles de résistance du locus ace-1 tendent à disparaitre, ceux du locus Ester se maintiennent en fréquence non négligeable dans les populations naturelles. / Mutations are the origin of the many "variants" present in natural populations. Adaptive variants are propagated by natural selection. However a mutation beneficial for a trait can negatively affect other traits (selective cost): a trade-off thus emerges between the benefits and the costs it induces. This PhD aimed at understanding how environmental changes could affect the evolutionary trade-offs of various types of adaptive mutations (substitutions, heterogeneous duplications, amplifications). In mosquitoes, organophosphate (OPs) and carbamates (CXs) insecticides usage has selected three major adaptive responses: gene amplifications at the Ester locus (encoding detoxifying enzymes), a substitution at the ace-1 locus (encoding the target of the insecticides), and gene duplications pairing susceptible and resistance ace-1 copies. The first axis of my PhD aimed at understanding the role of these heterogeneous duplications (combining two different copies of the same gene) in adaptation. Characterizing their evolutionary trade-offs, we showed that they confer a phenotype similar to standard heterozygotes. However, the study of their worldwide distribution and laboratory analyzes showed that these duplications, advantageous at the heterozygous state, are mostly sublethal when homozygous. The second axis of this PhD was the study of the impact of selection pressure variations on the dynamics of adaptive alleles. An experimental evolution study showed that intermediate selective pressures could generate overdominance situations at the ace-1 locus, promoting the selection of heterogeneous duplications. Furthermore, analyzing Montpellier samples collected over a 27 years period allowed us establishing the quantitative relationship between selective pressure variations and fitness variations for the different Ester resistance alleles. Finally, by studying three different geographical areas (Mayotte and Martinique islands and Montpellier) we showed that the various adaptations were not responding similarly to a major environmental change resulting from the selection pressure withdrawal (OPs and CXs were banned in 2007): while the ace-1 locus resistance alleles tended to disappear, those of the Ester locus remained at a significant frequency in natural populations.

Darwin a révélé au monde que les espèces vivantes ne cessent jamais d’évoluer, mais les mécanismes moléculaires de cette évolution restent le sujet de recherches intenses. La biologie systémique propose que les relations entre génotype, environnement et phénotype soient sous-tendues par un ensemble de réseaux moléculaires dynamiques au sein de la cellule, mais l’organisation de ces réseaux demeure mystérieuse. En combinant des concepts établis en biologie évolutive et systémique avec la cartographie d’interactions protéiques et l’étude des méthodologies d’annotation de génomes, j’ai développé de nouvelles approches bioinformatiques qui ont en partie dévoilé la composition et l’organisation des systèmes cellulaires de trois organismes eucaryotes : la levure de boulanger, le nématode Caenorhabditis elegans et la plante Arabidopsis thaliana. L’analyse de ces systèmes m’a conduit à proposer des hypothèses sur les principes évolutifs des systèmes biologiques. En premier lieu, je propose une théorie selon laquelle la traduction fortuite de régions intergéniques produirait des peptides sur lesquels la sélection naturelle agirait pour aboutir occasionnellement à la création de protéines de novo. De plus, je montre que l’évolution de protéines apparues par duplication de gènes est corrélée avec celle de leurs profils d’interactions. Enfin, j’ai mis en évidence des signatures de la co-évolution ancestrale hôte-pathogène dans l’organisation topologique du réseau d‘interactions entre protéines de l’hôte. Mes travaux confortent l’hypothèse que les systèmes moléculaires évoluent, eux aussi, de manière darwinienne. / Darwin exposed to the world that living species continuously evolve. Yet the molecular mechanisms of evolution remain under intense research. Systems biology proposes that dynamic molecular networks underlie relationships between genotype, environment and phenotype, but the organization of these networks is mysterious. Combining established concepts from evolutionary and systems biology with protein interaction mapping and the study of genome annotation methodologies, I have developed new bioinformatics approaches that partially unveiled the composition and organization of cellular systems for three eukaryotic organisms: the baker’s yeast, the nematode Caenorhabditis elegans and the plant Arabidopsis thaliana. My analyses led to insights into the evolution of biological systems. First, I propose that the translation of peptides from intergenic regions could lead to de novo birth of new protein-coding genes. Second, I show that the evolution of proteins originating from gene duplications and of their physical interaction repertoires are tightly interrelated. Lastly, I uncover signatures of the ancestral host-pathogen co-evolution in the topology of a host protein interaction network. My PhD work supports the thesis that molecular systems also evolve in a Darwinian fashion.

Duplications and deletions are a major source of genomic variation. Duplications, specifically, have a significant impact on gene genesis and dosage, and the malaria parasite P. falciparum has developed resistance to a growing number of anti-malarial drugs via gene duplication. It also contains highly duplicated families of antigenically variable allelic genes. While specific genes and families have been studied, a comprehensive analysis of duplications and deletions within the reference genome and population has not been performed. We analyzed the extent of segmental duplications (SD) in the reference genome for P. falciparum, primarily by a whole genome self alignment. We discovered that while 5% of the genome identified as SD, the distribution within the genome was partition clustered, with the vast majority localized to the subtelomeres. Within the SDs, we found an overrepresentation of genes encoding antigenically diverse proteins exposed to the extracellular membrane, specifically the var, rifin, and stevor gene families. To examine variation of duplications and deletions within the parasite populations, we designed a novel computational methodology to identify copy number variants (CNVs) from high throughput sequencing, using a read depth based approach refined with discordant read pairs. After validating the program against in vitro lab cultures, we analyzed isolates from Senegal for initial tests into clinical isolates. We then expanded our search to a global sample of 610 strains from Africa and South East Asia, identifying 68 CNV regions. Geographically, genic CNV were found on average in less than 10% of the population, indicating that CNV are rare. However, CNVs at high frequency were almost exclusively duplications associated with known drug resistant CNVs. We also identified the novel biallelic duplication of the crt gene – containing both the chloroquine resistant and sensitive allele. The synthesis of our SD and CNV analysis indicates a CNV conservative P. falciparum genome except where drug and human immune pressure select for gene duplication.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde Organisation, Expression und Funktion des humanen Peroxisomal-Testis-Spezifisch-1(PXT1)-Gens untersucht. Die mRNA des humanen PXT1-Gens enthält nicht wie bisher bekannt zwei Exons, sondern fünf Exons. Die Expression von drei putativen Exons stromaufwärts konnte in dieser Arbeit bestätigt werden. Die Ergebnisse qualitativer und quantitativer Real Time-PCR zeigen, dass sich das Exon 1 aus drei unterschiedlich gespleißten Einheiten (Exons 1a, 1b und 1c) zusammensetzt. Das humane PXT1-Gen unterliegt dem alternativen Spleißen, wovon die Exons 1b, 1c, 2 und 4 betroffen sind, was Sequenzanalysen zeigen. Sechs Transkripte konnten insgesamt identifiziert werden. Die zusätzlichen Exons haben Auswirkungen auf die Proteinstruktur aufgrund der Verlängerung des ORF, kodierend für einst 51 Aminosäuren, auf 134. Im längeren Protein wird die BH3 interacting domain (BID) nachgewiesen, von der eine proapoptotische Funktion bekannt ist. Aufgrund des alternativ gespleißten Exon 4 und der daraus resultierenden Leserasterverschiebung existiert ein verkürztes Protein, in dessen mRNA sich ein vorzeitiges Stopkodon befindet. Die proapoptotische Domäne ist nicht mehr nachweisbar. In silico-Analysen zeigen, dass die Sequenzen der Exons 1a und 1b von PXT1 sich mit dem KCTD20-Gen überlappen, das für einen Kaliumkanal kodiert.  Im Unterschied zum murinen, testisspezifischen Pxt1-Gen, ist das humane Homolog trotz Prädominanz im Testis auch schwächer in anderen Geweben nachweisbar.  Zur weiteren Klärung der proapoptotischen Funktion von Pxt1 in Keimzellen wurde am Mausmodell (Pxt1-Knockout-Maus) die Anzahl an DNA-Strangbrüchen untersucht. Im Vergleich zu den Kontrolltieren (C57BL/6J) zeigt die Pxt1-Knockout-Maus eine signifikant erhöhte Anzahl an Spermien mit DNA-Strangbrüchen. Dieses Ergebnis bestätigt die Annahme, dass das PXT1/Pxt1-Gen eine Art Entsorgungsfunktion für beschädigte Spermien ausübt. Im zeitlichen Verlauf zeigte sich aber, dass die Spermien der Knockout-Tiere nicht sensibler als die Wildtyp-Tiere auf DNaseI reagieren.  Als mögliches Kandidatengen für Mutationsanalysen bei Männern mit Fertilitätsstörungen wurden 55 Patienten mit Fertilitätsstörungen (Azoo- oder Oligozoospermie) auf Punktmutationen im PXT1 untersucht. Eine Mutation konnte nicht identifiziert werden. Des Weiteren wurde die DNA der Patienten auf Copy Number Variations analysiert. Sowohl heterozygote als auch homozygote Duplikationen konnten im Exon1, bestätigt mithilfe der arraybasierten Comparativen Genomischen Hybridisierung (aCGH), vereinzelt auch in Exon2 und Exon3 nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte bei einem Patienten eine Deletion nachgewiesen werden. Die bestätigte Duplikation im Exon 1 besitzt aber keinen Krankheitswert, da sie in einem Kontrollkollektiv eine Prävalenz von 41% in heterozygoter und 10% in homozygoter Form besitzt.