Cette thèse expose la problématique récente concernant la résolution de problèmes de grande dimension. Nous présentons les méthodes permettant de les résoudre ainsi que leurs applications, notamment pour la sélection de variables dans le domaine de la fouille de données. Dans la première partie de cette thèse, nous exposons les enjeux de la résolution de problèmes de grande dimension. Nous nous intéressons principalement aux méthodes de recherche linéaire, que nous jugeons particulièrement adaptées pour la résolution de tels problèmes. Nous présentons ensuite les méthodes que nous avons développées, basées sur ce principe : CUS, EUS et EM323. Nous soulignons en particulier la très grande vitesse de convergence de CUS et EUS, ainsi que leur simplicité de mise en oeuvre. La méthode EM323 est issue d'une hybridation entre la méthode EUS et un algorithme d'optimisation unidimensionnel développé par F. Glover : l'algorithme 3-2-3. Nous montrons que ce dernier algorithme obtient des résultats d'une plus grande précision, notamment pour les problèmes non séparables, qui sont le point faible des méthodes issues de la recherche linéaire. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons aux problèmes de fouille de données, et plus particulièrement l'analyse de données de puces à ADN. Le but est de classer ces données et de prédire le comportement de nouveaux exemples. Dans un premier temps, une collaboration avec l'hôpital Tenon nous permet d'analyser des données privées concernant le cancer du sein. Nous développons alors une méthode exacte, nommée delta-test, enrichie par la suite d'une méthode permettant la sélection automatique du nombre de variables. Dans un deuxième temps, nous développons une méthode heuristique de sélection de variables, nommée ABEUS, basée sur l'optimisation des performances du classifieur DLDA. Les résultats obtenus sur des données publiques montrent que nos méthodes permettent de sélectionner des sous-ensembles de variables de taille très faible,ce qui est un critère important permettant d'éviter le sur-apprentissage

Asf1 est une protéine chaperon d'histone, qui participe à l'assemblage et au désassemblage des histones H3/H4 sur l'ADN. Asf1 n'est pas essentiel pour la viabilité cellulaire chez S. cerevisiae, mais les voies de surveillance des dommages à l'ADN sont activées de façon constitutive dans les cellules dépourvues d'Asf1 et celles-ci sont hypersensibles à plusieurs types de stress génotoxiques. Chez S. cerevisiae, Asf1 forme un complexe stable avec Rad53 en absence de stress génotoxique. Nos résultats suggèrent qu'au moins trois surfaces d'interaction sont impliquées dans le complexe Asf1-Rad53. Le domaine FHA1 de Rad53 fixe Asf1 phosphorylé sur T270, l'extrémité C-terminale de Rad53 fixe la même surface d'Asf1 impliquée dans la fixation des co-chaperones HirA/CAF-1, et un troisième site putative est constituée de la surface d'Asf1 impliquée dans la fixation de l'histone H3 avec le domaine kinase de Rad53. Lors des stress génotoxiques, Rad53 est phosphorylée et activée. Mes résultats montrent une dissociation totale du complexe Rad53-Asf1 après traitement HU, mais la préservation du complexe après traitement des cellules avec une gamme de concentration de MMS. Nous pensons que la régulation du complexe traduisent des réponses cellulaires distinctes adaptées à des stress génotoxiques spécifiques. Par ailleurs, grâce à la structure du complexe formé par un peptide C-terminal de Rad53 et le domaine N-terminal d'Asf1, nous avons isolé une mutation rad53_A806R-L808R. Nous avons constaté que cette mutation déstabilise l'interaction entre Asf1 et Rad53 et augmente la viabilité des mutants rad9 et rad24 aux stress génotoxiquex. Ce mutant rad53_A806R-L808R semble retourne plus vite dans le cycle cellulaire et/ou traverse plus vite la phase S par rapport à Rad53-WT, et augmente la réparation de l'ADN ou l'adaptation aux dommages du simple mutant rad24Δ.

Les processus de diversification adaptative, qui sont au cœur de la diversité du monde vivant, ont été étudiés grâce à une stratégie d'évolution expérimentale, initiée par le Pr Richard Lenski en 1988. Douze populations, fondées à partir d'un ancêtre commun d'Escherichia coli, sont propagées indépendamment depuis plus de 55 000 générations par transferts journaliers dans un milieu minimum limité en glucose. Un événement de diversification a émergé après 6500 générations d'évolution dans une seule des douze populations, appelée Ara-2, conduisant à deux lignées cellulaires différenciées, appelées S et L, qui continuent de co-exister depuis notamment grâce à des interactions négatives dépendant de leur fréquence. Deux propriétés confèrent à ce polymorphisme une grande originalité et donc un intérêt d'étude important : sa durée car il s'agit du plus long polymorphisme jamais identifié lors d'expériences d'évolution en laboratoire, et son unicité puisqu'il ne s'est produit qu'une seule fois au sein des douze populations initiées à partir d'un ancêtre commun. L'objectif de ce travail a été d'identifier les mécanismes du maintien au long terme des lignées S et L, ainsi que les bases génétiques de leur émergence. Le maintien du polymorphisme est lié à une forte dynamique des relations écologiques entre S et L, l'une des lignées envahissant systématiquement les niches écologiques de l'autre, qui réagit en conséquence pour éviter l'extinction. L'émergence de la lignée S est due à une succession précise de trois mutations, nécessaires et suffisantes pour établir les phénotypes de la lignée S. Les trois mutations affectent toutes des gènes codant des régulateurs globaux de la transcription, dont deux sont impliqués dans la régulation du métabolisme central. Pour l'un d'entre eux, l'allèle évolué altère les propriétés de liaison à l'ADN de la protéine évoluée. Bien que ce polymorphisme soit unique, ces trois gènes sont pourtant les cibles de la sélection naturelle dans la majorité des autres populations de l'expérience d'évolution. Pour deux d'entre eux, seul l'allèle substitué dans la population Ara-2 confère en fait les phénotypes de la lignée S. Ainsi, l'unicité de cet événement de diversification est liée à une succession d'événements mutationnels très précis, qui affectent par ailleurs les réseaux globaux de l'expression des gènes. Ces modifications graduelles ont ainsi conduit à l'émergence du plus long polymorphisme mis en évidence à ce jour dans des expériences d'évolution en laboratoire.

La bio-informatique est essentielle aujourd'hui dans de nombreux domaines comme par exemple la gestion et l'analyse des données, la génomique avec l'assemblage et l'annotation de génomes, la phylogénie, la métagénomique, la recherche de nouvelles espèces bactériennes et la classification taxonomique. Mon premier travail a porté sur l'assemblage et l'analyse d'un génome bactérien à partir de données de métagénomique. Le génome de Akkermansia muciniphila a pu être assemblé par mapping directement à partir de données issues d'échantillons de selle humaine. En 2012, la culturomics a permis de décrire le plus grand génome d'une bactérie isolée chez l'homme ; Microvirga massiliensis (9.3 Mb). Mon deuxième travail a permis d'assembler ce génome. Par la suite, nous avons essayé de comprendre pourquoi cette bactérie a un génome si grand. En effet, on observe qu'elle possède un plasmide, un nombre important d'ORFans et d'ARNr 16S ainsi que des gènes de grande taille. Elle comporte également un nombre important de transposons. Enfin, la troisième et dernière partie de mon travail se base sur les analyses de pan-génome pour la taxonomie bactérienne. La taxonomie est sujette à de nombreux changements selon les données disponibles et les méthodes utilisées, et suit l'évolution des techniques d'identification des bactéries. Nous avons alors redéfinit la notion d'espèce à l'aide du pan-génome pour le genre Klebsiella. En effet, une différence trop importante entraînant une cassure au niveau du ratio core/pan-génome, révèle l'apparition d'une nouvelle espèce. Cette découverte nous amène à utiliser le pan-génome comme outils novateur pour la taxonomie bactérienne. / Since the introduction of DNA sequencing by Sanger and Coulson in 1977, considerable progress has been made. A growing number of data is being generated in several areas and requires more and more advances in computing. Bio-informatics is essential today in many fields such as data management and analysis, genomics with assembly and genome annotation, comparative genomics, phylogeny, metagenomics, research new bacterial species and taxonomic classification. My first work based on assembling and analyzing bacterial genome from metagenomic data. The genome of Akkermansia muciniphila could be assembled by mapping directly from data from human stool sample. In 2012,culturomics allowed to describe the largest genome of a bacterium isolated in human; Microvirga massiliensis (9.3 Mb). My second work allowed to assemble this genome. Subsequently, we tried to understand why this bacterium has such a large genome. Indeed, it is observed that it possesses a plasmid, a large number of ORFans and 16S rRNAs as well as large genes which one is more than 14kb. It also includes a large number of transposasons. Finally, the third and last part of the work concerns pan-genome analyzes for bacterial taxonomy. Taxonomy is a set of many changes based on available data, methods used and evolution of bacterial identification techniques. We have examined the notion of species using the genome at the genus Klebsiella. Indeed, a too large difference leading to a break in the core/pan-genome ratio undoubtedly reveals the appearance of a new species. This discovery leads us to use the pan-genome as an innovative tool for bacterial taxonomy.

Les pucerons sont des hémiptères ravageurs des cultures agronomiques particulièrement adaptés à leur environnement. Acyrthosiphon pisum (le puceron du pois) présente un cycle de vie basé sur l’alternance d’une reproduction sexuée ou asexuée en réponse à la photopériode. Ils présentent ainsi un polyphénisme de reproduction aboutissant à la formation de trois phénotypes distincts : femelles asexuées, femelles sexuées, et mâles. Ces derniers étant obtenus par élimination d’un chromosome X, A. pisum est une espèce hétérogamétique mâle présentant un système chromosomique XX chez les femelles et X0 chez les mâles. Le déséquilibre du nombre de chromosome X entre mâles et femelles engendré par cette hétérogamétie nécessite chez certains organismes d’être corrigé par des mécanismes de compensation de dose. Les polyphénismes et compensation de dose impliquent chez d’autres organismes des régulations transcriptionnelles notamment régulées par l’accessibilité de la chromatine.Ma thèse vise ainsi à étudier le polyphénisme de reproduction et la compensation de dose des pucerons sous l’angle d’analyses bio-informatiques de données d’expression des gènes (RNA-seq) et d’accessibilité de la chromatine (FAIRE-seq) dans le but de caractériser l’impact des mécanismes épigénétiques dans ces deux processus biologiques fondamentaux du cycle de vie des pucerons. Les résultats développés dans ma thèse ont permis de montrer d’une part la présence d’une compensation de dose chez le puceron du pois au niveau transcriptomique, supportée par une accessibilité accrue de la chromatine de l’unique X des / Aphids are hemipterous crops pests that are particularly adapted to their environment. Acyrthosiphon pisum (pea aphid) displays a life cycle based on the alternation of sexual or asexual reproduction in response to photoperiod. They thus exhibit a reproductive polyphenism resulting in the formation of three distinct phenotypes: asexual females, sexual females, and males. The latter being obtained by elimination of an X chromosome, A. pisum is a male heterogametic species with a XX chromosomal system in females and X0 in males. The X chromosome number between males and females caused by this heterogamy requires in some organisms to be corrected by dosage compensation mechanisms. Polyphenisms and dosage compensation both involve in other organisms transcriptional regulations that are notably regulated by the chromatin accessibility regulations. My thesis aims to study the reproductive polyphenism and dosage compensation in aphids in the context of bioinformatic analyzes of gene expressioThe results developed in my thesis have shown, on one hand, the presence of dose compensation in pea aphid at the transcriptomic level, which is supported by increased chromatin accessibility of the males’ single X in somatic cells. On the other hand, specific sites of chromatin opening between sexual and asexual embryos seem to participate in the definition of their reproduction mode by modulating the expression of certain genes and by allowing the fixation of transcription factors. Their analysis shows the involvement of ecdysone as a new hormonal pathway that may trigger sexual reproducti

Les plantes prélèvent des ressources dans leur environnement. Elles sont également exposées à de nombreux signaux, dont des molécules qui modifient profondément leur comportement et leur morphologie. La prédiction des flux de nutriments du sol vers la plante requiert une intégration de la régulation des flux par les signaux qui déterminent la cinétique des adaptations des plantes. Au cours de cette thèse, différentes approches expérimentales et analytiques (split-root, marquage isotopique, analyse racinaire) ont permis d’étudier le couplage signaux-flux dans les interactions entre plantes, microorganismes et vers de terre. Nous avons démontré dans un premier temps, que les vers de terre ont un effet systémique sur la croissance et le développement des plantes (Hordeum Vulgare L. et Oryza sativa L.) et que cet effet est dépendant de l’abondance des vers. Un travail méthodologique d’optimisation du dispositif split-root (séparation des racines d’une même plante entre deux compartiments) nous a permis d’améliorer la survie des plantes (Brachypodium distachyon L.) et leur émission de racines. Ce dispositif a été utilisé pour déterminer l’importance de la présence de turricules et de leur localisation spatiale sur le prélèvement d’azote par la plante. L’absence d’effet observé au cours de cette expérimentation nous a conduits à aborder les mécanismes pouvant survenir en présence de vers selon leur dimension temporelle. Nous avons ainsi démontré qu’une proportion importante de turricules entraîne une adaptation du système racinaire seulement lorsque la plante y est exposée pendant une durée suffisante. Ces résultats sont la première démonstration que la cinétique des différents mécanismes ayant lieu dans les turricules est déterminante pour expliquer l’effet positif des turricules sur la croissance des plantes / Plants take up resources in their environment. They are also exposed to many signals, including molecules that profoundly alter their behavior or morphology. The prediction of the flow of nutrients from the soil to the plant requires an integration of flux regulation by signals which determine the kinetics of plant adaptations. During this thesis, different experimental and analytical approaches (split-root, isotopic labeling, root analysis) allowed us to study the coupling between signals and flows in the interactions between plants, microorganisms and earthworms. We first demonstrated that earthworms have a systemic effect on the growth and development of plants (Hordeum Vulgare L. and Oryza sativa L.) and that this effect is dependent on the abundance of earthworms. A methodological study aiming at optimizing the split-root device (the sharing of roots of a single plant into two compartments) helped us to improve plant (Brachypodium distachyon L.) survival and their emission of roots. This experimental set up was used to determine the importance of the presence of casts and their spatial localization on the N uptake by the plant. The lack of effect observed during this experiment lead us to address the mechanisms that may occur in the presence of worms according to their temporal dynamics. We then demonstrated that an important proportion of casts was responsible for root system adaptation only when the plant was exposed to casts for a sufficient period of time. These results are the first demonstration that the kinetics of the different mechanisms occurring in casts is crucial to explain the positive effect of casts on plants growth

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La région fos de la souche d’Escherichia coli pathogène aviaire BEN2908 permet le métabolisme des fructanes, des prébiotiques largement utilisés en alimentation humaine et animale. Ce métabolisme contribue à l’implantation de BEN2908 dans son réservoir, l’intestin. La région fos, située au sein de l’îlot génomique AGI-3, est composée de 6 gènes codant pour un transporteur de sucre et des enzymes impliquées dans le métabolisme des fructanes, et d’un gène transcrit de façon divergente codant pour FosR, un régulateur transcriptionnel de la famille LacI/GalR. Nous avons montré que l’expression des gènes fos est réprimée par FosR, contrôlée par la répression catabolique et induite en présence de fructanes. FosR se lie à 2 séquences opératrices de la région promotrice de l’opéron fos et cette liaison est inhibée en présence de fructanes, surtout par le 1-kestose. La région fos confère un avantage de croissance en présence de contenu cæcal et contribue à la colonisation des cæca in vivo. De plus, AGI-3 est mobile et transférable, ce qui suggère une possible diffusion du métabolisme des fructanes au sein de l’espèce E. coli. / The fos region of the avian pathogenic Escherichia coli strain BEN2908 is involved in fructan metabolism, prebiotics widely used commercially in food products for both humans and animals. This metabolism contributes to the establishment of BEN2908 in its reservoir, the intestine. The fos region, located within the genomic island AGI-3, is composed of six genes encoding a sugar transporter and enzymes involved in fructan metabolism, and of a divergently transcribed gene encoding a transcriptional regulator, FosR, belonging to the LacI/GalR family. We demonstrated that the expression of fos genes is repressed by FosR, controlled by catabolite repression and induced in the presence of fructans. FosR binds to two operator sequences of the fos operon promoter region. This binding to DNA is inhibited in the presence of fructans, especially by 1-kestose. The fos region strongly benefits growth on cecal content and colonization of the ceca in vivo. Moreover, AGI-3 is mobile and transferable, suggesting a possible dissemination of fructan metabolism within the species E. coli.

Les changements globaux ont en partie pour effet de modifier les aires de répartition géographique des espèces. Les interactions nouvelles entre espèces n’ayant jamais été en contact peuvent potentiellement mener à des cas atypiques de reproduction, notamment l’hybridation. Ce phénomène peut avoir des implications épidémiologiques fortes car il peut conduire à la genèse de pathogènes hybrides. La combinaison du matériel génétique d’espèces distinctes peut conférer de meilleures capacités à la progéniture (vigueur hybride ou hétérosis), pouvant à terme potentiellement mener à des changements adaptatifs et à l'émergence de pathogènes dans des zones non endémiques, ce qui en fait une menace émergente à l’échelle mondiale. Ce travail de thèse se focalise sur la schistosomiase, seconde maladie parasitaire humaine et sa récente émergence en Europe (Corse, France). Après l’identification et la caractérisation génomique d’un parasite hybride entre deux agents distincts de la maladie, S. haematobium chez l’homme et S. bovis chez les bovins, nous avons mené une approche intégrative afin de caractériser à plusieurs échelles les capacités invasives et la virulence de tels parasites. A partir de souches du terrain, nous avons mis en place un protocole d’évolution expérimentale visant à générer des hybrides de première et deuxième générations au laboratoire. Nous avons analysé les modifications de traits d’histoire de vie de ces parasites ainsi que les conséquences moléculaires (génomique et transcriptomique) de ce « clash génomique » et nous montrons que l’hybridation peut être une force évolutive majeure pour les parasites. / Global changes contribute in modifying species geographical distribution. New interactions between species that have never been in contact before can potentially lead to atypical cases of reproduction, including hybridization. This phenomenon can have strong epidemiological consequences as it can potentially lead to the genesis of hybrid pathogens. The combination of genetic material of distinct species can confer increased capacities to the offspring (hybrid vigor or heterosis), eventually leading to adaptive changes and the emergence of pathogens in non-endemic areas, making them an emerging global threat. This thesis work focuses on schistosomiasis, the second human parasitic disease after malaria and its recent emergence in Europe (Corsica, France). After the identification and genomic characterization of a hybrid parasite between two distinct agents of the disease, S. haematobium in humans and S. bovis in cattle, we conducted an integrative approach to characterize at several scales the invasive capacities and virulence of such parasites. Starting from the field, we set up an experimental evolution protocol aimed at generating first- and second-generation hybrids in the laboratory. We analysed life history trait modifications of these parasites as well as the molecular consequences (genomics and transcriptomics) of this "genomic clash" and we show that hybridization can be a major evolutionary force for parasites.

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