Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

En raison des relations complexes entre les variables des systèmes biologiques, l’hétérogénéité des données biologiques pose un défi pour leur modélisation par des modèles mathématiques et statistiques. En réponse, étant conçus pour traiter des données multiniveaux et bruitées, les modèles à effets mixtes deviennent de plus en plus populaires en modélisation quantitative de systèmes biologiques. L'objectif de cette thèse est de présenter l’application de modèles à effets mixtes à différents systèmes biologiques. Le deuxième chapitre de ce mémoire vise à déterminer la relation entre la cote de qualité du sirop d'érable, divers indicateurs de qualité couramment obtenus par les producteurs ainsi qu'un nouvel indicateur, le COLORI, et la concentration en acides aminés (AA). Pour cela, nous avons créé deux modèles à effets mixtes : le premier est un modèle ordinal qui prédit directement la cote de qualité du sirop d'érable en utilisant la transmittance, COLORI et AA ; le deuxième modèle est un modèle non linéaire qui prédit la concentration en AA en utilisant COLORI avec le pH comme approximation temporelle. Nos résultats montrent que la concentration en AA est un bon prédicteur de la qualité du sirop d'érable et que COLORI est un bon prédicteur de la concentration en AA. Le troisième chapitre traite de l’utilisation d’un modèle de la pharmacocinétique de population (PopPK) pour décrire la dynamique de l'estradiol dans un modèle de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP) de la différenciation des cellules mammaires en cellules myoépithéliales afin de capturer l'hétérogénéité de la population de patients. Nous avons trouvé que la composante PopPK du modèle QSP n’a pas ajoutée de grande variation dans la dynamique de patients virtuels, ce qui suggère que le modèle QSP inclut intrinsèquement l'hétérogénéité. Dans l'ensemble, ce mémoire démontre l'application de modèles à effets mixtes au systèmes biologiques pour comprendre l'hétérogénéité des données biologiques. / Modelling biological systems with mathematical models has been a challenge due to the tendency for biological data to be heavily heterogeneous with complex relationships between the variables. Mixed effects models are an increasingly popular choice as a statistical model for biological systems since it is designed for multilevel data and noisy data. The aim of this thesis is to showcase the range of usage of mixed effects modelling for different biological systems. The second chapter aims to determine the relationship between maple syrup quality rating and various quality indicator commonly obtained by producers as well as a new indicator, COLORI, and amino acid (AA) concentration. For this, we created two mixed effects models: the first is an ordinal model that directly predicts maple syrup quality rating using transmittance, COLORI and AA; the second model is a nonlinear model that predicts AA concentration using COLORI with pH as a time proxy. Our models show that AA concentration is a good predictor for maple syrup quality, and COLORI is a good predictor for AA concentration. The third chapter involves using a population pharmacokinetics (PopPK) model to estimate estradiol dynamics in a quantitative systems pharmacokinetics (QSP) model for mammary cell differentiation into myoepithelial cells in order to capture population heterogeneity among patients. Our results show that the QSP model inherently includes heterogeneity in its structure since the added PopPK estradiol portion of the model does not add large variation in the estimated virtual patients. Overall, this thesis demonstrates the application of mixed effects models in biology as a way to understand heterogeneity in biological data.

Élucider l'importance relative des processus neutres ou sélectifs à la base de la variation génétique et phénotypique demeure une problématique fondamentale en écologie évolutive. Un sujet d'intérêt dans ce domaine de recherche tourne autour du rôle de la plasticité phénotypique: est-ce que la plasticité représente une alternative neutre à l'adaptation aux environnements divergents ou est-ce que la plasticité peut même faciliter le processus d'évolution adaptative? Dans cette thèse, j'essaie d'explorer ces thèmes en étudiant les dèmes parapatriques d'épinoche à trois épines. L'épinoche (Gasterosteus aculeatus) est devenu une organisme modèle en écologie évolutive, grâce aux exemples répliqués de divergence morphologique, suite à sa colonisation en eau douce partout dans son aire de répartition. Cependant, la divergence adaptative n'est pas un phénomène universel, et le potentiel plastique chez ce modèle semble avoir été négligé dans des études récentes. L'estuaire du fleuve St-Laurent se présente comme un système idéal pour étudier les dynamiques évolutives sur une échelle contemporaine, grâce à son age relativement récent et son écosystème défini par une variation environnementale clinale et discrète. Pour ces recherches, j'utilise une combinaison d'observations et d'expériences pour décrire la variation au sein d'une population naturelle, ainsi qu'inférer les mécanismes responsables. Une analyse des données multi-locus et géoréférencées à l'aide d'un modèle bayésien a révélé que le paysage génétique est divisé prinicpalement en deux zones, eau douce et eau salée. Une modélisation des données écologiques a démontrée aussi que la plus grande proportion de la variation génétique (31,5%) est associée avec la co-variation environnementale. Les normes de réaction pour la survie confirment que les dèmes sont adaptés aux conditions de salinité locale. Des analyses comparatives en génétique quantitative du niveau d'expression des gènes candidats pour l'osmorégulation suggèrent un mécanisme putatif responsable pour la divergence adaptative. L'enzyme ATP-ase sodium-potassium (ATP 1 Al) est ciblée comme un candidat pour l'osmorégulation en eau douce. En plus de la variation héréditaire pour son expression, le niveau d'expression pour ce gène semble être corrélé avec un indice de fitness. Les dèmes se différencient aussi dans la fréquence des alleles, ainsi que dans les fréquences de divers groupes de parasites. Une analyse des substitutions nucléotidiques a indiqué de forts signaux de sélection naturelle, surtout chez le dème eau douce. Les relations entre les données par rapport aux niveaux de parasitisme ainsi que de diversités génétique en gènes immunitaires étaient indicatrices de sélection balancée. Par contre, les signaux pour la sélection des partenaires en fonction de la diversité CMH étaient faibles, et sembleraient être dépendants du contexte environnemental. Les individus provenant des deux dèmes, eau douce ou maritime, ressemblent à la forme ancestrale pour le nombre de plaques latérales. La morphologie corporelle différait entre les dèmes, mais plus entre les sexes. Quoiqu'il y ait de la variation héréditaire pour la morphologie, j'ai trouvé aucun indice de sélection diversifié entre dèmes, ce qui suggère que la variation entre dèmes était en relation avec de la plasticité phénotypique. Ensemble, ces données soulignent l'importance de considérer les traits autre que morphologiques, surtout les traits intrinsèquement plastiques tels que la physiologie, en écologie évolutive.

L'objectif de ce travail de thèse est de prendre en compte à la fois l'hétérogénéité, l'anisotropie et des incertitudes dans la simulation 3D de la propagation d'ondes élastiques. Pour ce faire, dans un premier temps, on modélise le champ de propriétés mécaniques, ici le champ de tenseur d'élasticité, par un modèle de champ stochastique 3D des matrices définie-positives. La construction de ce modèle de champ est essentiellement fondée sur celle de Soize [2008]. Notre modèle conserve ainsi les propriétés principales du modèle de Soize comme le paramétrage minimal contrôlant l'amplitude de la fluctuation et la taille caractéristique de la variabilité spatiale, le comportement local a priori arbitrairement anisotrope (anisotropie triclinique) et les propriétés mathématiques fondamentales. De plus, un nouveau paramètre est introduit dans ce modèle pour imposer un niveau d'anisotropie moyen souhaité. Dans un deuxième temps, on effectue des adaptations du code de calcul d'éléments finis spectraux, à savoir le code parallèle SPEC3D, afin d'une part de générer les réalisations du champ stochastique du tenseur d'élasticité et d'autre part de prendre en compte l'anisotropie dans la résolution numérique du problème élastodynamique. Des études paramétriques utilisant SPEC3D sont ensuite réalisées mettant en évidence les influences de l'anisotropie et des paramètres d'hétérogénéité sur la propagation d'ondes sismiques. En particulier, elles démontrent une dépendance directe entre la longueur de corrélation du champ de propriétés et le temps caractéristique d'apparition de la diffusion. Ce régime se manifeste par l'équipartition d'énergie entre les mouvements irrotationnels et rotationnels.

L'objectif de ce travail de thèse est de prendre en compte à la fois l'hétérogénéité, l'anisotropie et des incertitudes dans la simulation 3D de la propagation d'ondes élastiques. Pour ce faire, dans un premier temps, on modélise le champ de propriétés mécaniques, ici le champ de tenseur d'élasticité, par un modèle de champ stochastique 3D des matrices définie-positives. La construction de ce modèle de champ est essentiellement fondée sur celle de Soize [2008]. Notre modèle conserve ainsi les propriétés principales du modèle de Soize comme le paramétrage minimal contrôlant l'amplitude de la fluctuation et la taille caractéristique de la variabilité spatiale, le comportement local a priori arbitrairement anisotrope (anisotropie triclinique) et les propriétés mathématiques fondamentales. De plus, un nouveau paramètre est introduit dans ce modèle pour imposer un niveau d'anisotropie moyen souhaité. Dans un deuxième temps, on effectue des adaptations du code de calcul d'éléments finis spectraux, à savoir le code parallèle SPEC3D, afin d'une part de générer les réalisations du champ stochastique du tenseur d'élasticité et d'autre part de prendre en compte l'anisotropie dans la résolution numérique du problème élastodynamique. Des études paramétriques utilisant SPEC3D sont ensuite réalisées mettant en évidence les influences de l'anisotropie et des paramètres d'hétérogénéité sur la propagation d'ondes sismiques. En particulier, elles démontrent une dépendance directe entre la longueur de corrélation du champ de propriétés et le temps caractéristique d'apparition de la diffusion. Ce régime se manifeste par l'équipartition d'énergie entre les mouvements irrotationnels et rotationnels.

L’explosion du nombre de séquences permet à la phylogénomique, c’est-à-dire l’étude des liens de parenté entre espèces à partir de grands alignements multi-gènes, de prendre son essor. C’est incontestablement un moyen de pallier aux erreurs stochastiques des phylogénies simple gène, mais de nombreux problèmes demeurent malgré les progrès réalisés dans la modélisation du processus évolutif. Dans cette thèse, nous nous attachons à caractériser certains aspects du mauvais ajustement du modèle aux données, et à étudier leur impact sur l’exactitude de l’inférence. Contrairement à l’hétérotachie, la variation au cours du temps du processus de substitution en acides aminés a reçu peu d’attention jusqu’alors. Non seulement nous montrons que cette hétérogénéité est largement répandue chez les animaux, mais aussi que son existence peut nuire à la qualité de l’inférence phylogénomique. Ainsi en l’absence d’un modèle adéquat, la suppression des colonnes hétérogènes, mal gérées par le modèle, peut faire disparaître un artéfact de reconstruction. Dans un cadre phylogénomique, les techniques de séquençage utilisées impliquent souvent que tous les gènes ne sont pas présents pour toutes les espèces. La controverse sur l’impact de la quantité de cellules vides a récemment été réactualisée, mais la majorité des études sur les données manquantes sont faites sur de petits jeux de séquences simulées. Nous nous sommes donc intéressés à quantifier cet impact dans le cas d’un large alignement de données réelles. Pour un taux raisonnable de données manquantes, il appert que l’incomplétude de l’alignement affecte moins l’exactitude de l’inférence que le choix du modèle. Au contraire, l’ajout d’une séquence incomplète mais qui casse une longue branche peut restaurer, au moins partiellement, une phylogénie erronée. Comme les violations de modèle constituent toujours la limitation majeure dans l’exactitude de l’inférence phylogénétique, l’amélioration de l’échantillonnage des espèces et des gènes reste une alternative utile en l’absence d’un modèle adéquat. Nous avons donc développé un logiciel de sélection de séquences qui construit des jeux de données reproductibles, en se basant sur la quantité de données présentes, la vitesse d’évolution et les biais de composition. Lors de cette étude nous avons montré que l’expertise humaine apporte pour l’instant encore un savoir incontournable. Les différentes analyses réalisées pour cette thèse concluent à l’importance primordiale du modèle évolutif. / The explosion of sequence number allows for phylogenomics, the study of species relationships based on large multi-gene alignments, to flourish. Without any doubt, phylogenomics is essentially an efficient way to eliminate the problems of single gene phylogenies due to stochastic errors, but numerous problems remain despite obvious progress realized in modeling evolutionary process. In this PhD-thesis, we are trying to characterize some consequences of a poor model fit and to study their impact on the accuracy of the phylogenetic inference. In contrast to heterotachy, the variation in the amino acid substitution process over time did not attract so far a lot of attention. We demonstrate that this heterogeneity is frequently observed within animals, but also that its existence can interfere with the quality of phylogenomic inference. In absence of an adequate model, the elimination of heterogeneous columns, which are poorly handled by the model, can eliminate an artefactual reconstruction. In a phylogenomic framework, the sequencing strategies often result in a situation where some genes are absent for some species. The issue about the impact of the quantity of empty cells was recently relaunched, but the majority of studies on missing data is performed on small datasets of simulated sequences. Therefore, we were interested on measuring the impact in the case of a large alignment of real data. With a reasonable amount of missing data, it seems that the accuracy of the inference is influenced rather by the choice of the model than the incompleteness of the alignment. For example, the addition of an incomplete sequence that breaks a long branch can at least partially re-establish an artefactual phylogeny. Because, model violations are always representing the major limitation of the accuracy of the phylogenetic inference, the improvement of species and gene sampling remains a useful alternative in the absence of an adequate model. Therefore, we developed a sequence-selection software, which allows the reproducible construction of datasets, based on the quantity of data, their evolutionary speed and their compositional bias. During this study, we did realize that the human expertise still furnishes an indispensable knowledge. The various analyses performed in the course of this PhD thesis agree on the primordial importance of the model of sequence evolution.

Notre travail se penche sur le financement de la formation professionnelle continue tel qu'il a été négocié par les partenaires sociaux dans les pays européens post-fordistes. A travers une approche des associations patronales centrée sur la distribution inégale des ressources entre grandes firmes et PME, nous montrons que l'émergence d'une gestion corporatiste (les fonds de mutualisation) peut s'interpréter comme le résultat d'alliances inter-classes entre les syndicats, les associations patronales et les PME, contre les grandes entreprises. Bien que nous mobilisions un corpus centré sur les employeurs à l’image de ce que fait l'approche en termes de Variétés du Capitalisme (VoC – Hall et Soskice, 2001), la thèse soutenue est plus proche de l’institutionnalisme historique de l'Ecole française de la Régulation. En effet, l'attention accordée à l'hétérogénéité des firmes et au rôle du politique est difficilement compatible avec l’institutionnalisme rationnel de la VoC et sa conception des associations patronales comme simples outils de coordination des firmes / Our work tackles the issue of the financing of the continuous vocational training as it has been negotiated by social partners in the post-fordist European countries. The reflection is centered on the unequal distribution of resources among the large and small firms affiliated to employer associations. It is shown that the emergence of a corporatist governance (the training funds) can be interpreted as the result of cross-class coalitions between trade unions, employer association and SMEs, against big companies. Although we mobilize a theoretical corpus centered on employers as the ‘Varieties of Capitalism’ approach does (VoC – Hall and Soskice, 2001), our dissertation is closer to the historical institutionalism of the French Régulation School. Indeed, the attention granted to the firms’ heterogeneity and to the role of politics is hardly compatible with the VoC rational institutionalism and its conception of employer organizations as mere employer coordination instruments.

Il a été démontré que l’hétérotachie, variation du taux de substitutions au cours du temps et entre les sites, est un phénomène fréquent au sein de données réelles. Échouer à modéliser l’hétérotachie peut potentiellement causer des artéfacts phylogénétiques. Actuellement, plusieurs modèles traitent l’hétérotachie : le modèle à mélange des longueurs de branche (MLB) ainsi que diverses formes du modèle covarion. Dans ce projet, notre but est de trouver un modèle qui prenne efficacement en compte les signaux hétérotaches présents dans les données, et ainsi améliorer l’inférence phylogénétique. Pour parvenir à nos fins, deux études ont été réalisées. Dans la première, nous comparons le modèle MLB avec le modèle covarion et le modèle homogène grâce aux test AIC et BIC, ainsi que par validation croisée. A partir de nos résultats, nous pouvons conclure que le modèle MLB n’est pas nécessaire pour les sites dont les longueurs de branche diffèrent sur l’ensemble de l’arbre, car, dans les données réelles, le signaux hétérotaches qui interfèrent avec l’inférence phylogénétique sont généralement concentrés dans une zone limitée de l’arbre. Dans la seconde étude, nous relaxons l’hypothèse que le modèle covarion est homogène entre les sites, et développons un modèle à mélanges basé sur un processus de Dirichlet. Afin d’évaluer différents modèles hétérogènes, nous définissons plusieurs tests de non-conformité par échantillonnage postérieur prédictif pour étudier divers aspects de l’évolution moléculaire à partir de cartographies stochastiques. Ces tests montrent que le modèle à mélanges covarion utilisé avec une loi gamma est capable de refléter adéquatement les variations de substitutions tant à l’intérieur d’un site qu’entre les sites. Notre recherche permet de décrire de façon détaillée l’hétérotachie dans des données réelles et donne des pistes à suivre pour de futurs modèles hétérotaches. Les tests de non conformité par échantillonnage postérieur prédictif fournissent des outils de diagnostic pour évaluer les modèles en détails. De plus, nos deux études révèlent la non spécificité des modèles hétérogènes et, en conséquence, la présence d’interactions entre différents modèles hétérogènes. Nos études suggèrent fortement que les données contiennent différents caractères hétérogènes qui devraient être pris en compte simultanément dans les analyses phylogénétiques. / Heterotachy, substitution rate variation across sites and time, has shown to be a frequent phenomenon in the real data. Failure to model heterotachy could potentially cause phylogenetic artefacts. Currently, there are several models to handle heterotachy, the mixture branch length model (MBL) and several variant forms of the covarion model. In this project, our objective is to find a model that efficiently handles heterotachous signals in the data, and thereby improves phylogenetic inference. In order to achieve our goal, two individual studies were conducted. In the first study, we make comparisons among the MBL, covarion and homotachous models using AIC, BIC and cross validation. Based on our results, we conclude that the MBL model, in which sites have different branch lengths along the entire tree, is an over-parameterized model. Real data indicate that the heterotachous signals which interfere with phylogenetic inference are generally limited to a small area of the tree. In the second study, we relax the assumption of the homogeneity of the covarion parameters over sites, and develop a mixture covarion model using a Dirichlet process. In order to evaluate different heterogeneous models, we design several posterior predictive discrepancy tests to study different aspects of molecular evolution using stochastic mappings. The posterior predictive discrepancy tests demonstrate that the covarion mixture +Γ model is able to adequately model the substitution variation within and among sites. Our research permits a detailed view of heterotachy in real datasets and gives directions for future heterotachous models. The posterior predictive discrepancy tests provide diagnostic tools to assess models in detail. Furthermore, both of our studies reveal the non-specificity of heterogeneous models. Our studies strongly suggest that different heterogeneous features in the data should be handled simultaneously.

L’impact de la religion sur la violence demeure à ce jour ambivalent dans la littérature. D’un côté, les religions et leurs préceptes de paix sont identifiés comme des facteurs de dissuasion dans la commission d’actes violents. D’un autre côté, l’identité religieuse est historiquement décriée comme une source majeure de guerres. Cette étude propose de comparer dans 163 pays du monde l’influence sur le taux d’homicide de quatre aspects religieux : la religion principale, l’hétérogénéité religieuse, la liberté religieuse et la religiosité. Les taux d’homicide sont fournis par l’Organisation mondiale de la santé alors que les variables religieuses proviennent de sources variées. Les analyses de régressions linéaires tiennent également compte de quelques facteurs socio-économiques. Certains sont considérés dans la littérature comme des facteurs majeurs influant sur l’homicide et d’autres sont plutôt soupçonnés d’interaction sur la relation ici étudiée. Les résultats indiquent qu’il y a modérément plus d’homicides dans les pays qui présentent une forte hétérogénéité religieuse ou une faible religiosité dans la population. Par ailleurs, les pays musulmans, notamment chiites, présentent les taux d’homicide les plus bas, surpassant les pays bouddhistes et hindouistes, alors que les pays chrétiens, notamment catholiques, présentent des taux d’homicide très élevés. Ce constat s’oppose à la théorie libérale chrétienne qui démonise les États religieux musulmans. Néanmoins, l’interprétation des conclusions de cette étude invite à la prudence étant donné son aspect délicat et exploratoire. / The impact of religion on violence remains ambivalent in the litterature. On the one hand, religions and their teachings of peace or compassion are identified as deterrents in the commission of violent acts. On the other hand, religious identity has historically been criticized as a major source of violence and war. This study proposes to compare in 163 countries worldwide the impact on violence of four religious factors : religious denomination, religiosity, religious heterogeneity and religious freedom. The analysis is based on the homicide rates, supplied mainly by the World Health Organization, while religious variables are taken from various sources. Linear regression analysis also take into consideration few socio-economic factors. Some of these are considered in the literature as major factors in homicide and others are suspected of interaction in the relationship studied here. The results indicate that there is moderately more homicides in countries that have strong religious heterogeneity or low religiosity among the population. In addition, muslim countries, especially chiites, presents the lowest homicide rates, surpassing buddhist and hindu countries, while christian countries, especially catholics, have the higher homicide rates. This finding opposes the christian liberal theory that demonizes muslim religious states. Nevertheless, interpretation of findings from this study suggest caution in view of its exploratory and delicate aspect.

Dans les dernières années, une explosion de la recherche sur les ARN a eu lieue à cause de nombreuses découvertes démontrant l’importance de l’ARN dans plusieurs processus biologiques. Ainsi, de grandes quantités d’ARN sont devenues indispensables au bon déroulement de plusieurs études, notamment pour la biologie structurale et la caractérisation fonctionnelle. Cependant, il existe encore peu de méthodes de purification simples, efficaces, fiables et produisant un ARN sous forme native. Dans les dernières années, le laboratoire Legault a mis au point une méthode de purification par affinité utilisant une étiquette ARiBo pour la purification d’ARN transcrits in vitro par la polymérase à ARN du phage T7. Cette méthode de purification d’ARN a été spécifiquement développée pour maximiser la pureté et le rendement. De plus, elle est très rapide et fonctionne avec plusieurs types d’ARN. Cependant, comme plusieurs autres méthodes de purification, cette méthode produit des ARN avec des extrémités 5′ hétérogènes. Dans ce mémoire, des solutions sont proposées pour remédier au problème d’hétérogénéité en 5ʹ′ des ARN transcrits avec la polymérase à ARN du phage T7 et purifiés par la méthode ARiBo. La première solution consiste à choisir la séquence en 5′ parmi celles des 32 séquences testées qui ne présentent pas d’hétérogénéité en 5ʹ′. La seconde solution est d’utiliser une étiquette clivable en 5ʹ′ de l’ARN d’intérêt, tel que le ribozyme hammerhead, déjà utilisée pour ce genre d’application, ou le système CRISPR/Cse3 que nous proposons dans l’article présenté dans ce mémoire. De plus, nous avons adapté la méthode ARiBo pour rendre possible la purification d’un long ARN de 614 nt, le polycistron miR-106b-25. Nous avons également démontré la possibilité d’utiliser la méthode ARiBo pour l’isolation de protéines qui se lient à un ARN donné, le précurseur de miRNA pre-miR-153-2. En conclusion, ce mémoire démontre la possibilité d’adapter la méthode ARiBo à plusieurs applications. / In recent years, the field of RNA research has exploded due to several discoveries demonstrating the importance of RNA in many biological processes. Along with the increased interest in this field, large amounts of RNA have become essential to the success of several studies, in particular for structural biology and functional characterization. However, there are still very few native purification methods that are simple, efficient and reliable. In the past few years, the Legault laboratory has established an affinity purification method using an ARiBo tag to purify RNAs produced by in vitro transcription with the T7 RNA polymerase. This RNA purification method was specifically developed to maximise purity and yield. In addition, this method is fast and works with several types of RNAs. However, like several other purification methods, this method produces RNAs with 5' heterogeneity. This Master’s thesis propose solutions to overcome the problem of 5' heterogeneity for RNAs transcribed with the T7 RNA polymerase and purified with the ARiBo method. The first solution proposed is to choose a 5' sequence among those of the 32 sequences tested that do not present 5'- heterogeneity. The other possibility is the use of a cleavable tag at the 5'-end of the RNA of interest, such as the hammerhead ribozyme, already used for this purpose or the CRISPR/Cse3 system, which is presented here. Furthermore, we have adapted the ARiBo method to purify an RNA of 614 nt, the miRNAs cluster miR- 106b-25. We also demonstrate the possibility to use the ARiBo method to isolate proteins that bind a given RNA, the miRNA precursor pre-miR-153-2. In conclusion, this Master’s thesis demonstrates the possibility of adapting the ARiBo method for several applications.