Les symbioses, en permettant l’acquisition de nouvelles fonctions, ont joué un rôle majeur dans l’évolution des organismes. Cette thèse, vise à comprendre les mécanismes moléculaires et évolutifs qui font des polydnavirus des symbiontes indispensables au succès parasitaire de guêpes parasitoïdes. Pour cela, nous avons étudié l’évolution des gènes viraux et les fonctions physiologiques potentiellement ciblées chez l’hôte. Nous avons montré que l’évolution des gènes viraux était caractérisée par des duplications et une divergence rapide, et répondait à des pressions de sélection positive. Chez l’hôte, nous avons montré que des protéases à cystéine, potentiellement ciblées par des gènes viraux, étaient régulées au cours du parasitisme au niveau de la transcription et de la traduction, suggérant que ces protéines doivent jouer un rôle important au cours du parasitisme. Il reste maintenant à déterminer quelle est la fonction de ces protéines et leur influence sur l’évolution des gènes viraux. / Symbioses have largely contributed to the evolution of species by providing new functions enabling niche colonization. Here, our aim was to study the molecular evolution of virulence factors encoded by polydnaviruses engaged in a mutualist association with parasitoid wasps and which are essential for parasitism success. We studied both PDV genes and their Lepidopteran host targets to determine how these genes evolved and the host functions targeted. We showed that natural selection has largely contributed to the evolution of cystatin and protein-tyrosine- phosphatase viral genes. 3D structure modelling showed that selection acted in cystatin active sites. Moreover, we underlined the dynamic evolution of PDV genes mainly explained by gene duplication processes. In the host, potential cystatin targets, cysteine proteases, were shown to be regulated during parasitism both at the gene and the protein level. These results emphasized the important role played by these proteins against invaders. To understand both evolutionary and mechanistic processes involved in this interaction, it is now necessary to determine the function of cysteine proteases and to study how virus gene evolution could be shaped by host defence factors.

L'esturgeon européen Acipenser sturio (Linnaeus, 1758) était un poisson commun de nos fleuves jusqu'au début du 20e siècle. Toutes ses populations sont maintenant éteintes sauf une qui survit dans le bassin Gironde-Garonne-Dordogne en France. Les données disponibles sur l'espèce restent très partielles car elles proviennent quasi exclusivement de cette population relictuelle. Au cours de cette thèse, plus d'une centaine d'échantillons anciens d'esturgeons restes archéologiques ou spécimens naturalisés conservés dans les muséums d'histoire naturelle ont été analysé grâce aux méthodes de la paléogénétique. Ces analyses génétiques ont été réalisées sur l'ADN mitochondrial (surtout la Dloop) ainsi que sur cinq loci microsatellites qu'il a été nécessaire d'adapter aux méthodes d'étude de l'ADN ancien. Les données paléogénétiques obtenues ont permis d'étudier : 1) les relations de l'esturgeon européen avec les autres espèces d'esturgeons vivant ou ayant vécu en Europe, en particulier l'esturgeon de l'Adriatique A. naccarii et l'esturgeon atlantique A. oxyrinchus. 2) la diversité génétique de l'esturgeon européen sur l'ensemble de son ancienne aire de répartition. 3) la diversité génétique d'une population d'esturgeon européen au cours du temps la population du Rhône, d'une période où elle était florissante jusqu'à son extinction. L'ensemble de ces données ont été discuté à la lumière de la conservation de l'espèce, qui est aujourd'hui en danger critique d'extinction. / The European sturgeon Acipenser sturio (Linnaeus, 1758) was a common fish of our rivers until the beginning of the 20th century. All populations are now extinct except one which survives in the Gironde-Garonne-Dordogne basin in France. Data available on this species are only partial because they only stem from this relictual population. During this thesis, more than one hundred ancient sturgeon samples archaeological remains or naturalized museum specimens were analysed by paleogenetics means. These genetics anlyses were carried out on mitochondrial DNA (mainly the Dloop) and five microsatellites loci which were adapted to ancient DNA methodologies. Paleogenetics data that we obtained were used to study : 1) A. sturio interactions with other sturgeon species which live or lived in Europe, especially the Adriatic sturgeon A. naccarii and the atlantic sturgeon A. oxyrinchus. 2) the genetic diversity of A. sturio all over its former geographical range. 3) genetic diversity of a population of the European sturgeon through time the Rhone River population from a period it was flourishing until its extinction. All these data were considered in the light of the species conservation, since A. sturio is now critically endangered.

Dans leur environnement naturel, les plantes sont constamment exposées aux stress de nature biotique et abiotiques. Aussi, pour maintenir leur croissance et achever leur cycle de développement, les plantes ont développé des mécanismes rapides et efficaces leur permettant de percevoir, de décoder ces signaux de l'environnement et de mettre en places des réponses adaptées. S'il est à présent admis que le calcium joue un rôle crucial en tant que second messager, les mécanismes de décodage jouent eux aussi des rôles indispensables. Parmi les calcium sensors les mieux caractérisés, la calmoduline (CaM) est certainement la plus étudiée. La CaM est retrouvée chez tous les eucaryotes et contribue à la signalisation cellulaire en interagissant avec de nombreuses protéines cibles au cours du développement et en réponse au stress. Cependant, contrairement aux autres eucaryotes, les plantes se caractérisent par la présence dans leur génome de nombreux gènes codant des protéines apparentées à la CaM appelées CalModulin-Like (CMLs) dont les rôles restent encore à révéler. Au cours de ce travail, une analyse moléculaire des CaM et des CML a été réalisée au sein de la lignée verte (des algues aux plantes supérieures). Nous avons montré que l'émergence des CaM et des CMLs mais aussi leur nombre ont évolué au cours des processus de colonisation de la terre par les plantes et que l'émergence de nouvelles classes de CMLs est concomitante de l'apparition de nouvelles fonctions ou organes. Le travail s'est ensuite focalisé sur l'analyse fonctionnelle de CML8 et de CML11 et il a été montré que CML8 est impliqué dans le développement des plantes en particulier dans le développement des racines latérales et la ramification mais également dans l'immunité des plantes contre Pseudomonas syringae et Ralstonia solanacearum en tant que régulateur positif. Les mécanismes moléculaires restent encore à préciser mais CML8 serait impliquée dans l'ETS (Effector Triggered Susceptibility) en lien avec la voie de l'acide salicylique plutôt qu'avec les processus de PTI (PAMP Triggered Immunity) en réponse à Pseudomonas. Concernant CML11, cette CML se caractérise par la présence d'un domaine PolyQ. Si le profil d'expression de CML11 est différent de CML8, l'analyse fonctionnelle n'a pu être qu'initiée pendant ce travail avec un intérêt particulier pour le rôle joué par le domaine polyQ. / Plants are continuously exposed to a variety of unfavorable environmental conditions including biotic and abiotic stresses. To maintain their growth and achieve their development cycle, plant evolved efficient and rapid mechanisms to perceive, transduce and respond to these signals. It is now well-known that calcium plays a crucial role as a secondary messenger in the implementation of adaptative responses. However, the calcium signals need to be decoded and relayed by calcium sensors such as calmodulin to downstram target proteins to trigger specific responses. Calmodulin (CaM) is a well-studied calcium sensor which is ubiquitous in all eukaryotes and that contributes to signaling during developmental processes and stress responses. However, compared to other eukaryotes, plants possess a remarkable variety of CaM-like proteins (CMLs) for which the role remain to be elucidated. CaM and CML evolution analysis among the green lineage from algae to land plants shows that CaM and CMLs evolved during the terrestrial colonization of plants and that the emergence of new CML classes appeared throughout the green lineage and correlated with the acquisition of novel biological traits. The functional analysis of two closely relative protein CML8 and CML11 showed that CML8 is involved in plant development by affecting lateral root formation and shoot branching but also as a positive regulator in plant immunity against Pseudomonas syringae and Ralstonia solanacearum phytopathogenic bacteria. The molecular mechanisms controlled by CML8 are still unsolved but we propose that CML8 may participate in ETS (Effector Triggered Susceptibility) through a salicylic acid dependent pathway rather than in PTI (PAMP Triggered Immunity) in response to Pst inoculation. Concerning CML11, this protein is characterized by the presence of a polyQ domain. While its gene expression profile is different from CML8, its functional analysis was initiated during this work with a particular focus on the polyQ domain.

La tribu d'Oleeae (Oleaceae) est un modèle biologique très intéressant pour étudier la diversification et les patterns d'évolution moléculaire chez les plantes. Les reconstitutions de l'histoire évolutive et phylogénétique des relations entre ses espèces ont été au cœur de cette thèse. Ce travail a conduit à des progrès significatifs dans la résolution des relations phylogénétiques au sein de la tribu à différents niveaux taxonomiques. Nous avons démontré que l'utilisation d'une approche de "Genome Skimming" est très appropriée pour générer plastomes complets (ptDNA) et de l'ADN ribosomal nucléaire (nrDNA), même sur un échantillon d'herbier. Nous avons montré l'utilité du ptDNA pour reconstruire la première ossature phylogénétique robuste pour la tribu, et fourni de nouvelles connaissances sur l'histoire biogéographique et sur l'évolution de certains traits. Nous avons aussi montré que l'évolution de la composition en bases du nrDNA peut être influencée par des facteurs climatiques. / The Oleeae tribe (Oleaceae) is a very interesting biological model to investigate plant diversification and molecular evolution patterns. However, a comprehensive phylogeny is missing to accurately describe the evolutionary and biogeographic history of this tribe. Reconstructions the Oleeae evolutionary history and the phylogenetic relationships between its species were the core of this thesis. This work has led to significant progress in resolving the phylogenetic relationships within the tribe at different taxonomic levels. We demonstrated that the use of a shotgun approach is a highly suitable method to generate complete plastomes (ptDNA) and nuclear ribosomal DNA (nrDNA), even on herbarium sample. We showed the usefulness of ptDNA to reconstruct highly resolved phylogeny of Oleeae and provided new insights into the biogeographic history and the evolution of some traits. We also showed that the evolution of nrDNA base-composition seems to be influenced by environmental factors.

Le SELEX est une technique d’évolution moléculaire dirigée qui permet, après plusieurs tours de sélection, d’enrichir une banque d’acides nucléiques en séquences capable de se lier de manière spécifique à une cible. Le séquençage est utilisé pour identifier ces séquences que l’on nomme « aptamères ». Depuis l’arrivée récente du séquençage à haut débit (HD), il est possible d’analyser des millions de séquences. L’objectif de la thèse était de développer des méthodes pour traiter et analyser les données de séquençage HD afin de faciliter l’identification des meilleurs aptamères d’un SELEX. Au cours de cette thèse, un test robotisé de liaison sur cellules adhérentes vivantes a été mis au point pour mesurer l’affinité d’aptamères issus de SELEX ciblant des cellules (cell-SELEX). Puis, l’évolution de l’abondance des séquences d’un cell-SELEX a été analysée par séquençage HD. Ceci nous a permis de concevoir une nouvelle approche phylogénétique baptisée FREDROGRAM. Cette approche évolutive a permis d’identifier des mutants avec une meilleure affinité au sein d’une famille d’aptamères issu de ce cell-SELEX. Enfin, le séquençage HD de deux SELEX dirigés contre des protéines a contribué à mieux comprendre l’impact des paramètres de sélection sur la population de séquences et à identifier de nouveaux aptamères, notamment en réduisant le nombre de tours de SELEX. En conclusion, ces travaux montrent l’utilité du séquençage HD pour l’identification des meilleurs aptamères et suggèrent de nouvelles pratiques pour la conduite des SELEX futurs. / SELEX is a directed molecular evolution technic which allows, after several rounds of selection, enriching a library from random nucleic acids to sequences able to bind specifically a target. Sequencing technics are then used to identify these sequences called « aptamers ». Since the arrival of High-Throughput Sequencing (HTS), it is now possible to analyse millions of sequences. The aim of the thesis was to develop methods for the treatment and the analysis of HTS data, in order to facilitate the identification of the best aptamers inside a SELEX. During this thesis, a semi-automatic binding test on adherent living cells has been developed to measure the affinity of aptamers identified in SELEX directed against specific cells (cell-SELEX). Then, the evolution of the sequence enrichment during a cell-SELEX has been analysed by HTS. This analysis gave us the possibility to design a new phylogenetic approch named FREDROGRAM. This evolutive approch allowed to identify variants of an aptamer’s family with a better affinity. Finally, HTS of two SELEX directed against proteins has contributed to a better understanding of the impact of selection parameters on the library and to identified new aptamers, notably by reducing the number of SELEX rounds. To conclude, this work shows the importance of HTS in the identification of the best aptamers and suggests new protocols to monitor the next SELEX in a different manner.

Ce mémoire est une présentation de certains de mes travaux de recherches effectués en bioinformatique au laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive de l'université de Lyon 1 depuis 2003, date de mon arrivée en post-doctorat à l'INRIA, suivie de la stabilisation de mon poste un an après.

Bien que de nombreuses séquences génomiques soient maintenant connues, les mécanismes évolutifs qui déterminent la taille des génomes, et notamment leur part d’ADN non codant, sont encore débattus. Ainsi, alors que de nombreux mécanismes faisant grandir les génomes (prolifération d’éléments transposables, création de nouveaux gènes par duplication, ...) sont clairement identifiés, les mécanismes limitant la taille des génomes sont moins bien établis. La sélection darwinienne pourrait directement défavoriser les génomes les moins compacts, sous l’hypothèse qu’une grande quantité d’ADN à répliquer limite la vitesse de reproduction de l’organisme. Cette hypothèse étant cependant contredite par plusieurs jeux de données, d’autres mécanismes non sélectifs ont été proposés, comme la dérive génétique et/ou un biais mutationnel rendant les petites délétions d’ADN plus fréquentes que les petites insertions. Dans ce manuscrit, nous montrons à l’aide d’un modèle matriciel de population que la taille du génome peut aussi être limitée par la dynamique spontanée des duplications et des grandes délétions, qui tend à raccourcir les génomes même si les deux types de réarrangements se produisent à la même fréquence. En l’absence de sélection darwinienne, nous prouvons l’existence d’une distribution stationnaire pour la taille du génome même si les duplications sont deux fois plus fréquentes que les délétions. Pour tester si la sélection darwinienne peut contrecarrer cette dynamique spontanée, nous simulons numériquement le modèle en choisissant une fonction de fitness qui favorise directement les génomes contenant le plus de gènes, tout en conservant des duplications deux fois plus fréquentes que les délétions. Dans ce scénario où tout semblait pousser les génomes à grandir infiniment, la taille du génome reste pourtant bornée. Ainsi, notre étude révèle une nouvelle force susceptible de limiter la croissance des génomes. En mettant en évidence des comportements contre-intuitifs dans un modèle pourtant minimaliste, cette étude souligne aussi les limites de la simple « expérience de pensée » pour penser l’évolution. / Even though numerous genome sequences are now available, evolutionary mechanisms that determine genome size, notably their fraction of non-coding DNA, are still debated. In particular, although several mechanisms responsible for genome growth (proliferation of transposable elements, gene duplication and divergence, etc.) were clearly identified, mechanisms limiting the overall genome size remain unclear. Darwinian selection could directly disadvantage less compact genomes, under the hypothesis that a larger quantity of DNA could slow down the speed of reproduction of the organism. Because this hypothesis was proven wrong by several datasets, non selective mechanisms have been proposed, e.g. genetic drift and/or a mutational bias towards small DNA deletions compared to small DNA insertions. In this manuscript, we use a matrix model to show that genome size can also be limited by the spontaneous dynamics of duplications and large deletions, which tends to decrease genome size even if the two types of rearrangements occur at the same rate. In the absence of Darwinian selection, we prove the existence of a stationary distribution of genome size even if duplications are twice as frequent as large deletions. To test whether selection can overcome this spontaneous dynamics, we simulate our model numerically and choose a fitness function that directly favors genomes containing more genes, while keeping duplications twice as frequent as large deletions. In this scenario where, at first sight, everything seems to favor infinite genome growth, genome size remains nonetheless bounded. As a result, our study reveals a new pressure that could be responsible for limiting genome growth. By illustrating counter-intuitive behaviors in a minimal model, this study also underlines the limits of simple "thought experiments" to understand evolution.

Un des buts principaux de la biologie évolutive et de la médecine moléculaire consiste à reconstruire les relations phylogénétiques entre organismes à partir de leurs séquences moléculaires. En littérature, cette question est connue sous le nom d’inférence phylogénétique et a d'importantes applications dans la recherche médicale et pharmaceutique, ainsi que dans l’immunologie, l’épidémiologie, et la dynamique des populations. L’accumulation récente de données de séquences d’ADN dans les bases de données publiques, ainsi que la facilité relative avec laquelle des données nouvelles peuvent être obtenues, rend l’inférence phylogénétique particulièrement difficile (l'inférence phylogénétique est un problème NP-Hard sous tous les critères d’optimalité connus), de telle manière que des nouveaux critères et des algorithmes efficaces doivent être développés. Cette thèse a pour but: (i) d’analyser les limites mathématiques et biologiques des critères utilisés en inférence phylogénétique, (ii) de développer de nouveaux algorithmes efficaces permettant d’analyser de plus grands jeux de données. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La maladie pied-main-bouche (PMB) et l’herpangine sont deux maladies pédiatriques bénignes causées par les entérovirus (EV), en particulier les sérotypes de l’espèce A (EV-A). Le sérotype EV-A71 fait l’objet d’une surveillance dans les pays du Sud Est de l’Asie car il est associé à des atteintes neurologiques sévères chez les très jeunes enfants, parfois mortelles (défaillance cardio-pulmonaire). Les infections causées par les autres EV-A tel que le coxsackievirus A16 (CV-A16) provoquent rarement des atteintes sévères. En Europe, les cas de maladie PMB causés par l’EV-A71 ne font pas l’objet d’une déclaration obligatoire, car ce virus ne cause pas d’épidémies de grande ampleur. L’objectif général de la thèse était d’étudier l’épidémiologie des EV-A en Europe et nous avons utilisé une approche phylogénétique bayésienne pour analyser un échantillon de 500 souches. Nous montrons la circulation discontinue de l’EV-A71 de deux populations virales principales (sous génogroupes C1 et C2), ce qui explique la rareté des épidémies en Europe. L’épidémiologie de ce virus est aussi caractérisée par des transports de souches entre les pays Européens et sporadiquement entre l’Europe et l’Asie (sous génogroupes B5 et C4). La recombinaison génétique intertypique survient rarement parmi les populations d’EV-A71 en circulation et ne contribue pas significativement à leur diversité génétique. Cependant, ce mécanisme génétique est relié à l’émergence d’un sous génogroupe CV-A16 qui circule en France depuis 2011. Comparés à l’EV-A71, les sérotypes CV-A2, CV-A4, CV-A6 sont plus fréquemment sujets à des événements de recombinaison intertypiques. L’analyse de la sélection à l’échelle moléculaire indique que la fixation des mutations dans les protéines de capside de l’EV-A71 est lente, probablement à cause des contraintes structurales et fonctionnelles. La surveillance des infections à EV-A71 en Europe devrait être renforcée à cause de la neurovirulence de ce virus, de l’introduction récente et répétée de souches variantes « asiatiques » et de l’existence d’une grande diversité de génogroupes en Afrique et en Inde encore peu explorée. / Hand-Foot and Mouth Disease (HFMD) and Herpangina are two benign pediatric diseases caused by Enteroviruses (EV), especially enterovirus A species serotypes (EV-A). Infections caused by the EV-A71 serotype are monitored in countries of South East Asia because they are associated with severe neurological symptoms in young children and may be fatal (cardiopulmonary failure). Infections caused by the other EV-A serotypes, e.g. coxsackievirus A16 (CV-A16), rarely induce severe symptoms. In Europe, EV-A71 HFMD cases are not notifiable because this virus does not cause large-scale epidemics. The overall objective of this thesis was to study the EV-A epidemiology in Europe and we used a Bayesian phylogenetic approach to analyze 500 viral strains. We show a discontinued circulation of two EV-A71 populations (C1 and C2 subgenogroups), which explains the rare outbreaks in Europe. The epidemiology of this virus is characterized by transportation events of viral strains between European countries and sporadically between Europe and Asia (C4 and B5 subgenogroups). Intertypic genetic recombination occur rarely among circulating EV-A71 populations and does not contribute significantly to their genetic diversity. We found that genetic mechanism was related to the emergence of a new CV-A16 subgenogroup, which is circulating in France since 2011. In comparison with EV-A71, a number of serotypes (CV-A2, CV-A4, and CV-A6) are more frequently involved in intertypic recombination events. The structural and functional constraints are possible factors involved in the slow mutation fixation in the EV-A71 capsid proteins as determined by analyses of molecular selection. Neurovirulence, the recent and repeated introductions of variants “Asian” strains, and the diversity of genogroups in Africa and India call for strengthened surveillance of EV-A71 infections among European countries.