Dans le système olfactif des moustiques, les protéines liants les molécules odorantes ou odorant binding proteins (OBPs) interviennent dans les toutes premières étapes permettant d'aboutir à la reconnaissance de leurs hôtes et font l'objet d'un intérêt croissant dans les recherches sur la transmission des maladies infectieuses par ces insectes. Le travail présenté a pour objet d'approfondir les connaissances sur ces OBPs dans trois génomes de moustiques, tous vecteurs de maladies infectieuses : Anopheles gambiae, Aedes aegypti et Culex quinquefasciatus. Une analyse à l'échelle de ces génomes a été réalisée et a permis d'identifier un nombre important de nouveaux gènes d'OBPs notamment chez les espèces de moustiques Aedes aegypti et Culex quinquefasciatus. Complétée par une étude phylogénétique du répertoire complet de ces gènes dans les trois génomes étudiés, cette analyse a permis d'établir une nouvelle classification des sous familles des OBPs. Ce résultat démontre l'extraordinaire multiplicité et diversité des gènes impliqués dans l'olfaction chez ces espèces de moustiques tout en mettant en lumière certaines propriétés des séquences des OBPs qui sont hautement conservés chez les moustiques. Grâce à la disponibilité de certaines structures d'OBPs de moustiques ou d'autres insectes apparentées, des modèles structuraux de tous les OBPs de la sous famille dites Classic dans les trois génomes, soit au total 137 structures, ont été construits. Ces structures ont servi de base pour le criblage à grande échelle par docking moléculaire d'une chimiothèque de 126 molécules odorantes connues pour leurs propriétés attractives ou répulsives vis-à-vis des moustiques. Ces résultats fournissent pour la première fois, les bases structurales et fonctionnelles pour la compréhension au niveau moléculaire de l'efficacité de certains agents répulsifs tout comme de l'attractivité de certains agents provenant des émanations humaines. Par simulation de dynamique moléculaire, les changements qui s'opèrent dans une de ces OBPs lorsque celle ci, liée à une molécule odorante, se retrouve dans des conditions de pH modifiée ont été caractérisée et un mécanisme probable par lequel ces OBPs participeraient à la reconnaissance et la libération des molécules odorantes est proposée. Cette thèse fournit des éléments de réponses importants quant à la caractérisation génomique, structurale et fonctionnelle des OBPs de moustiques et peut servir de base de départ pour des recherches expérimentales plus approfondies sur ces aspects. / The role of odorant binding proteins in the olfaction of mosquitoes, the primary mechanism of human host recognition, has been an important focus of biological research in the field of infectious disease transmission by these insects. This thesis provides an in depth knowledge of these proteins in three mosquito species Anopheles gambiae, Aedes aegypti and Culex quinquefasciatus. A large scale analysis on these genomes has been carried out towards the identification of the odorant binding proteins in the mosquito genomes. Identification of many new OBP members, in particular in the Aedes aegypti and Culex quinquefasciatus species, and an extensive phylogenetic analysis presenting a novel classification of the OBP subfamilies of these mosquito species has been proposed. This results further demonstrates the extraordinary multiplicity and diversity of the OBP gene repertoire in these three mosquito genomes and highlights the striking sequence features that are nevertheless highly conserved across all mosquito OBPs. Owing to the availability of homologous structures from mosquitoes or related species, the 3D structure modelling of all the Classic OBPs from the three genomes (representing in total 137 structures) has been performed. This was completed by large scale docking studies on these structures by screening a large set of compounds that are known to be mosquito attractants or repellents. These provide many exciting new insights into the structural and functional aspects towards understanding the efficacy of some repellents and of some attractants from human emanations. Through molecular dynamics simulation, the structural changes observed in an OBP bounded to an odorant when pH conditions are modified were characterized and the probable mechanism of ligand binding and release is presented. This work provides the first insights to many of the long awaited questions on the genomic, structural and functional characterization of mosquito OBPs and can be viewed as a reliable starting point for further experimental research focussed on these aspects.

L'augmentation du nombre de génomes totalement séquencés rend de plus en plus efficace l'étude des mécanismes évolutifs à partir de la comparaison de génomes contemporains. L'un des principaux problèmes réside dans la reconstruction d'architectures de génomes ancestraux plausibles afin d'apporter des hypothèses à la fois sur l'histoire des génomes existants et sur les mécanismes de leur formation. Toutes les méthodes de reconstruction ancestrale ne convergent pas nécessairement vers les mêmes résultats mais sont toutes basées sur les trois mêmes étapes : l'identification des marqueurs communs dans les génomes contemporains, la construction de cartes comparatives des génomes, et la réconciliation de ces cartes en utilisant le critère de parcimonie maximum. La qualité importante des données à analyser nécessite l'automatisation des traitements et résoudre ces problèmes représente de formidables challenges computationnels. Affiner le modèles et outils mathématiques existants par l'ajout de contraintes biologiques fortes rend les hypothèses établies biologiquement plus réalistes. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode permettant d'identifier des marqueurs communs pour des espèces évolutivement distantes. Ensuite, nous appliquons sur les cartes comparatives reconstituées une nouvelle méthode pour la reconstruction d'architectures ancestrales basée sur les adjacences entre les marqueurs calculés et les distances génomiques entre les génomes contemporains. Enfin, après avoir corrigé l'algorithme existant permettant de déterminer une séquence optimale de réarrangements qui se sont produits durant l'évolution des génomes existants depuis leur ancêtre commun, nous proposons un nouvel outil appelé VIRAGE qui permet la visualisation animée des scénarios de réarrangements entre les espèces / Abstract

Les tilapias (espèces Oreochromis) sont le second groupe le plus important de poissons dans l'aquaculture mondiale ainsi qu'une des premières sources de protéines animales pour des millions de personnes dans les pays en cours de développement. En effet, Les tilapias ont la plupart des qualités requises dans le monde aquacole comme un taux de croissance important et une résistance aux maladies. Cependant leurs reproductions précoces et continues provoquent une surpopulation des bassins et un nanisme des individus. Pour surmonter ces difficultés, il s'agit de créer de nouvelles méthodes de contrôle du sexe (génétique et température) pour une meilleure compréhension de la détermination du sexe chez le tilapia. La détermination sexuelle chez les tilapias est complexe. En effet, le sexe est influencé par des facteurs génétiques majeurs (XX/XY), des facteurs génétiques mineur (sur les autosomes : LG3, LG23) et la température. Au cours des dernières années, de nombreuses ressources génomiques ont été progressivement développées (Bac End Sequences, Expressed sequence Tag, physical map, RH map…). Dans ce travail de thèse nous avons cherché à identifier, par des approches in silico, des gènes liés au sexe, en nous intéressant, en particulier, à ceux localisés sur LG3. Nous avons divisé notre travail en deux étapes. La première recouvre des travaux préliminaires de collecte et de comparaison d'informations existantes. Elle s'est concrétisée par la création d'une carte physique comparée entre le génome complet de l'épinoche et des BES du tilapia ainsi que d'une carte RH du tilapia. La deuxième étape porte sur l'analyse du chromosome correspondant au LG3 (Chr3). Nous avons pu grâce aux méthodes, outils et données développés lors de la première étape, reconstituer le Chr3, l'annoter et faire une liste de gènes impliqués dans la cascade du sexe chez le tilapia du Nil. / Tilapias (Oreochromis spp.) are the second most important fish group in aquaculture and a primary source of animal protein for millions of people in developing countries. Indeed, Tilapias have most of the qualities required in aquaculture such as a good growth-rate and resistance to diseases. Nevertheless, their early and constant reproduction leads to tank overpopulation and dwarfism of individuals. To overcome this, new sex controlling methods (genetics and temperature) are being studied to better understand the sex determination in tilapia. Sex determination in tilapia is complex since sex is influenced by major genetic factors (XX/XY), minor genetic factors (on an autosome: LG3, LG23) and temperature factors. Over the past years a great effort has been done to increase the genomic tools in tilapia by obtaining data on Bac End Sequences (BES), Expressed Sequence tags (EST), physical map, RH map.... The objective of our work is to identify, by in silico approaches, genes associated to sex, especially the ones located on the linkage group LG3. We divided our work in two steps. The first work is to collect heterogeneous and available information existing on tilapia using comparative genomic analyses. This step led to the creation of a comparative physical map between the complete genome of stickleback and the BES of tilapia along with a tilapia RH map. The second step is to analyse the chromosome corresponding to the LG3 (Chr3). Using methods, tools and data developed during the first step, we recreated the Chr3, annotated it and listed the genes involved in the sex cascade in Nile tilapia.

Un enjeu majeur de la génétique évolutive est de comprendre comment l'adaptation locale se développe en population naturelle, et comment les différentes forces évolutives y contribuent. Les études expérimentales d'adaptation locale utilisent couramment les gradients altitudinaux présentant une variation spatiale marquée des conditions environnementales. Dans ces conditions, on s'attend à ce que la différentiation génétique pour les caractères (traditionnellement mesurée par QST) et pour les gènes déterminant ces caractères (traditionnellement mesurée par FSTq) le long du gradient soit gouvernée de façon prédominante par la sélection et les flux de gènes, et peu influencée en revanche par la dérive génétique et la mutation. En particulier, des études théoriques ont montré un découplage entre QST et FST lorsque que les flux de gènes sont forts et/ou que la sélection est récente. Dans cette étude, nous avons testé cette hypothèse en combinant une approche de génomique expérimentale et des simulations dans des populations naturelles de hêtre commun (F. sylvatica) séparées de ~trois kilomètres et soumis à des environnements contrastés.Pour l'approche expérimentale, nous avons échantillonné 4 populations sur deux gradients altitudinaux sur le Mont Ventoux (avec une population à haute altitude et une à basse altitude sur chaque gradient). Cinquante huit gènes potentiellement impliqué dans la réponse aux stress abiotiques et dans le débourrement ont été séquencés sur un total de quatre-vingt seize individus, révélant 581 SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms). Différentes approches ont été utilisées pour identifier les SNP outlier, présentant une différentiation plus forte qu'attendu sous un modèle neutre sans sélection. Le nombre de SNPs outlier identifié comme étant sous sélection s'est révélé être grandement dépendant de la méthode utilisé. La méthode fréquentiste a détecté de nombreux outliers alors que l'approche bayésienne n'a pu permettre de détecter des SNPs sous sélection. Par ailleurs, nous avons utilisé un modèle mécaniste individu-centré pour simuler les patrons de diversité phénotypique et génétique attendus le long du gradient pour la phénologie du débourrement végétatif, un caractère généralement adaptatif dans la réponse aux variations de température. Les résultats des simulations confirment que la différentiation génétique observée pour le caractère (QST) est généralement plus forte que celle observée au gène (FSTq), et que cette différentiation génétique au trait intervient dès la première génération. Toutefois, les tests d'outlier conduits sur le le modèle simulé ont révélé que plus de 95% des SNPs outlier sont des faux positifs. Comme dans l'approche expérimentale, l'approche Bayésienne ne s'est pas révélé suffisamment fiable pour détecter des QTLs dans des populations spatialement proche et génétiquement faiblement différentiée. Néanmoins une approche multi-locus basée sur un estimateur peu utilisé en génétique (le Zg) a révélé la forte corrélation inter-populations inter-gènes des QTLs confirmant les attendus théoriques. Toutefois, cette approche ne permet pas de détecter précisément les QTLs sans connaissance a priori sur les QTLs. En conclusion, les travaux de cette thèse mettent en évidence la rapidité des changements génétique qui interviennent en moins de 5 générations pendant la modification du climat, et la difficulté de détecter les gènes codant pour des traits complexes. / A major challenge in population genetics is to understand the local adaptation process in natural population and so to disentangle the various evolution forces contributing to local adaptation. The experimental studies on local adaption generally resort to altitudinal gradients that are characterized by strong environmental changes across short spatial scales. Under such condition, the genetic differentiation of the functional trait (measured by the Qst) as well as the genes coding for trait (measured by Fstq) are expected to be mainly driven by selection and gene flow. Genetic drift and mutation are expected to have minor effect. Theoretic studies showed a decoupling between Qst and Fst under strong gene flow and / or recent selection. In this study, I tested this hypothesis by combining experimental and modelling genomic approach in natural population of Fagus sylvatica separated by ~3 kilometres and under contrasted environments.Sampling was conducted in south-eastern France, a region known to have been recently colonised by F.sylvatica. Four naturally-originated populations were sampled at both high and low elevations along two altitudinal gradients. Populations along the altitudinal gradients are expected to be subjected to contrasting climatic conditions. Fifty eight candidate genes were chosen from a databank of 35,000 ESTs according to their putative functional roles in response to drought, cold stress and leaf phenology and sequenced for 96 individuals from four populations that revealed 581 SNPs. Classical tests of departure of site frequency spectra from expectation and outlier detection tests that accounted for the complex demographic history of the populations were used. In contrast with the mono-locus tests, an approach for detecting selection at the multi-locus scale have been tested.The results from experimental approaches were highly contrasted according the method highlighting the limits of those method for population loosely differentiated and spatially close. The modelling approach confirmed the results from the experimental data but revealed that up to 95% of the SNPs detected as outliers were false positive. The multi-locus approach revealed that the markers coding for the trait are differentially correlated compared to the neutral SNPs. But this approach failed to detect accurately the markers coding for the trait if no a priori knowledge is known about them. The modelling approach revealed that genetic changes may occur across very few generation. But while this genetic adaptation is measurable at the trait level, the available method for detecting genetic adaptation at the molecular level appeared to be greatly inaccurate. However, the multi-locus approach provided much more promise for understanding the genetic basis of local adaptation from standing genetic variation of forest trees in response to climate change.

Afin de caractériser les voies de signalisation du système immunitaire inné, nous étudions l'interaction entre le ver C. elegans et le champignon Drechmeria coniospora. Une des réponses du ver à l'infection consiste en une augmentation de la production de peptides antimicrobiens (PAM) dans l'épiderme. Des vers transgéniques exprimant le gène rapporteur de la GFP sous le contrôle du promoteur d'un PAM, fluorescent vert après infection. Si un gène nécessaire à l'expression des PAM est inactivé, alors les vers transgéniques ne fluorescent plus après infection. Nous avons effectué un crible pour identifier les molécules de signalisation nécessaires à l'expression des PAM en utilisant une approche quantitative et semi-automatique par ARN interference (ARNi). Deux banques d'ARNi couvrant 95% du génome, soit 20 000 gènes, ont été criblées et 360 candidats bloquant l'induction de la GFP après infection ont été obtenus, correspondant à 343 gènes. Une caractérisation phénotypique a permis de placer les candidats dans différentes catégories fonctionnelles et permis d'identifier d'une part un récepteur agissant en amont de la voie de signalisation p38 nécessaire à l'activation des gènes PAM, d'autre part une implication des granules de stress lors de l'infection. Ces analyses sont le fondement pour l'établissement d'une description compréhensive du réseau génétique régulant le système immunitaire inné du ver et permettront de révéler les interactions complexes entre l'immunité et les processus physiologiques au niveau moléculaire, cellulaire et au niveau de l'organisme. / To investigate innate immune signaling, we study the interaction of C. elegans with the fungus Drechmeria coniospora. One of the responses of the worm to this infection is the up-regulation of a variety of antimicrobial peptide (AMP) genes in the epidermis. Transgenic worms carrying a GFP reporter gene under the control of an AMP promoter fluoresce green after infection by D. coniospora. If a gene required for AMP gene expression is inactivated, the reporter strain will not turn green upon infection. Using this fluorescent read-out, we have been able to screen for signaling molecules required for AMP gene expression using a quantitative semi-automated RNAi approach. We have screened two RNAi libraries that together cover 95% of the ca. 20,000 genes in the C. elegans genome and we obtained 360 high-confidence candidates that reduced the level of induction of green fluorescence after infection, and correspond to 343 genes. A further phenotypic characterization allowed the candidates to be grouped into distinct functional categories and allowed the identification of both a receptor acting upstream the p38 MAPK pathway necessary for the activation of the AMPs, and the implication of stress granules during infection. Altogether, the screen data and its analysis represent the foundation for the establishment of a comprehensive description of the signaling network regulating the innate immune system of the worm and will shed light on the complex interactions between immunity and other physiological processes at the molecular, cellular and organismal level.

En Afrique, les fièvres récurrentes à Borrelia sont des pathologies négligées transmises par les arthropodes et responsables de septicémie mortelle et d'autres manifestations cliniques, en particulier d'avortement chez les femmes enceintes. Quatre Borrelia différentes sont actuellement cultivées de prélèvements cliniques et de vecteurs, il s'agit de Borrelia crocidurae, Borrelia duttonii, Borrelia recurrentis et Borrelia hispanica. Ces différentes espèces ont été initialement séparées les unes des autres sur la base de leur répartition géographique et de leur vecteur. Au cours de ce travail de thèse, nous avons réalisé le séquençage et l'annotation du génome de Borrelia crocidurae. Ceci nous a permis de comparer le génome de trois espèces séquencées: Borrelia crocidurae, Borrelia duttonii et Borrelia recurrentis. Cette comparaison indique que ces trois espèces sont extrêmement proches comme cela avait déjà été montré par la comparaison de la séquence du gène 16S ARN ribosomal de chacune de ces espèces, montrant une similarité comprise entre 99,7 et 99,9%. L'analyse de données génomiques permet de conforter les résultats antérieurs basés sur l'analyse de quelques gènes et de proposer que ces trois espèces ne forment qu'une seule espèce génomique présentant trois écotypes avec une relative spécificité de vecteur, de répartition géographique et d'évolution clinique. La très grande similitude entre Borrelia crocidurae, Borrelia duttonii et Borrelia recurrentis constitue un obstacle pour la mise au point de techniques de diagnostic direct de ces espèces dans les prélèvements de vecteur ou dans les prélèvements humains. / In Africa, relapsing fever borreliae are neglected arthropod-borne pathogens causing mild to deadly septicemia. Borrelia crocidurae, Borrelia duttonii, Borrelia hispanica and Borrelia recurrentis are the currently cultured causative agents in Africa. The relapsing fever borreliae species were initially distinguished one from another on the basis of geography and vector. we performed the genome sequencing of Borrelia crocidurae. At the genomic level the four species are highly similar as illustrated by the 16S rRNA gene sequence of each species, resulting in an overall high sequence similarity of 99.7 to 99.9% between the four species. Genomic analyses of Borrelia crocidurae, Borrelia duttonii and Borrelia recurrentis further indicated that they in fact forming an unique bacterial species, each one of the three species could be regarded as an ecotype of an unique species with preferential arthropod vector, geographic distribution and clinical outcome, rather than an unique bacterial species. The high similarity between species remained an obstacle for the diagnosis at the species level. Currently the identification of relapsing fever borreliae relies upon a few phenotypic traits and the detection of single nucleotide polymorphisms in the 16S rRNA and flabB, glpQ genes and the 16S-23S ribosomal RNA intergenic spacer (IGS). In this study, based on comparative genomic anaylsis between the published genomic sequence and partial sequence in the genbank, we developed multiplex, quantitative real-time PCR detecting any relapsing fever Borrelia and specifically B. crocidurae, B. hispanica and B. duttonii/B. recurrentis.

Le genre Rickettsia, sont des petites bactéries Gram-négatives et symbiotes intracellulaires obligatoires des eucaryotes. Les Rickettsia sont surtout connus pour leur pathogénicité et pour provoquer des maladies graves chez l'homme et les autres animaux. À ce jour, 26 espèces valides de Rickettsies ont été identifiées dans le monde entier, dont 20 sont des agents pathogènes éprouvées. Toutes les espèces de Rickettsies validées sont associées à des arthropodes. Les phylogénies basées sur divers marqueurs moléculaires ont présenté des topologies discordantes, avec seulement R. bellii et R. canadensis qui ne sont classées ni parmi la fièvre boutonneuse groupe rickettsies, ni parmi le typhus groupe rickettsies. En utilisant les méthodes avancées de séquençage de génomes entiers, nous avons obtenu et analysé quatre séquences génomiques de Rickettsies : R. helvetica, R. honei, R. australis et R. japonica. Via la phylogénomique qui constitue une nouvelle stratégie permettant de mieux comprendre leur évolution, l'on remarque que ces micro-organismes ont subi une évolution génomique réduite au cours de spécialisation en intracellulaire. Plusieurs caractéristiques évolutives, comme le réarrangement des gènes, la réduction génomique, le transfert horizontal de gènes et l'acquisition d'ADN égoïste, ont formé les génomes Rickettsia d'aujourd'hui. Ces processus peuvent jouer un rôle important pour équilibrer la taille du génome afin de l'adapter au mode de vie intracellulaire. En outre, la pathogénicité des rickettsies peut être associée à la réduction génomique. / The Rickettsia genus is composed of small, Gram-negative, bacteria that are obligate intracellular eukaryotic symbionts. Members of the genus Rickettsia are best known for infecting and causing severe diseases in humans and other animals. To date, 26 valid Rickettsia species have been identified worldwide, including 20 that are proven pathogens. All validated Rickettsia species are associated to arthropods that act as vectors and/or reservoirs. The phylogenies based on various molecular markers have resulted in discrepant topologies, with R. bellii and R. canadensis being classified neither among spotted fever nor typhus group rickettsiae. In this thesis, using the advanced whole genomic sequencing methods, we have and analyzed the genomic sequences from four Rickettsia species, including R. helvetica, R. honei, R. australis and R. japonica. Phylogenomics constitute a new strategy to better understand their evolution. These microorganisms underwent a reductive genomic evolution during their specialization to their intracellular lifestyle. Several evolutive characteristics, such as gene rearrangement, reduction, horizontal gene transfer and aquisition of selfish DNA, have shaped Rickettsia genomes. These processes may play an important role in free-living bacteria for balancing the size of genome in order to adapt the intracellular life style. In addition, in contrast with the concept of bacteria becoming pathogens by acquisition of virulence factors, rickettsial pathogenecity may be linked to genomic reduction of metabolism and regulation pathways.

Des analyses de génomes avaient suggéré que de nombreux îlots génomiques bactériens seraient des éléments intégratifs conjugatifs (ICE) ou des éléments en dérivant. Les ICE s'excisent sous forme circulaire par la recombinaison site-spécifique, se transfèrent par conjugaison et s'intègrent chez une cellule réceptrice. Les éléments de ce type sont très abondants aux seins des génomes de bactéries et d'archées. Divers îlots génomiques apparentés sont intégrés dans l'extrémité 3' de l'ORF fda chez plusieurs souches de Streptococcus thermophilus. Cette famille inclut 2 éléments intégratifs potentiellement conjugatifs, dont ICESt3, et 4 éléments qui dérivent d'ICE par délétion, les CIME (cis mobilizable elements). Ce travail a montré qu'ICESt3 se transfère entre souches de S. thermophilus et entre espèces proches. Cet élément est le premier élément conjugatif identifié chez ce streptocoque. Le transfert d'ICESt3 vers une cellule portant un ICE ou un CIME intégré a conduit à l'accrétion site-spécifique d'ICESt3 et d'un îlot génomique apparenté. À partir de cellules portant un tandem CIME-ICE, le co-transfert du CIME et de l'ICE ainsi que le transfert du CIME seul ont été obtenus, démontrant la mobilisation conjugative d'un CIME par ICESt3. Ainsi, les îlots génomiques de S. thermophilus évoluent par accrétion site-spécifique et mobilisation conjugative. Par ailleurs, une analyse de séquences disponibles dans les bases de données et une analyse bibliographique suggèrent très fortement que les CIME sont très répandus et que les événements d'accrétion site-spécifique entre îlots génomiques jouent un rôle important dans l'évolution bactérienne. / Analyses of genomes had suggested that numerous bacterial genomic islands would be integrative conjugative elements (ICEs) or elements deriving from them. ICEs excise under a circular form by site-specific recombination, transfer by conjugation, and integrate in a recipient cell. The type of elements is very widespread in genomes of bacteria and archaea. Various related genomic islands are integrated at the 3' of the fda ORF in different Streptococcus thermophilus strains. This family includes 2 integrative and potentially conjugative elements, of which ICESt3, and 4 elements deriving from ICEs by deletion and named CIMEs (cis mobilizable elements). This work has demonstrated that ICESt3 transfers between S. thermophilus and related species. This element is the first conjugative element identified in this streptococcus. The ICESt3 transfer to a cell already carrying an ICE or a CIME leads to the characterization of site-specific accretions of ICESt3 and a related genomic island. Using donor cell harboring a CIME-ICE tandem, the co-transfer of the CIME and the ICE, the transfer of the ICE and the transfer of the only CIME were obtained, demonstrating conjugative mobilization of a CIME by ICESt3. Thus, the genomic islands from S. thermophilus evolve by site-specific accretion and conjugative mobilization. Moreover, an analysis of sequences from databases and an analysis of literature strongly suggest that CIMEs are widespread and that site-specific accretions between genomic islands play a key role in bacterial evolution.

Le paludisme est responsable de la mort de près d'un million de personnes chaque année. Cette maladie est causée par le Plasmodium, parasite protozoaire appartenant à la famille des Apicomplexes. Dans cette thèse, nous avons développé des approches de biologie de systèmes pour l'étude du métabolisme des phospholipides (PL) métabolisme et de sa régulation chez Plasmodium. Ces voies métaboliques sont d'une importance primordiale pour la survie du parasite. À l'étape intra-érythrocytaire du développement, les espèces de Plasmodium exploitent un nombre important de voies de synthèse phospholipidique, qui sont rarement trouvées ensemble dans un seul organisme : (i) la voie dépendante ancestrale CDP-diacylglycerol des procaryotes ( ii) les voies eucaryotes de novo CDP- choline et CDP-éthanolamine (Kennedy) ( iii ) de plus P.falciparum et P. knowlesi emploient des réactions supplémentaires qui relient une à l'autre certaines de ces routes. Une voie de synthèse caractéristique aux plantes, qui utilise la sérine en tant que source supplémentaire de phosphatidyl-choline (PC) et de phosphatidyl-éthanolamine (PE), est nommée la voie méthyltransférase décarboxylase - phosphoéthanolamine sérine (SDPM). Pour comprendre la dynamique d'acquisition et le métabolisme des phospholipides chez Plasmodium, nous avons construit un modèle cinétique quantitatif basé sur des données fluxomiques. La dynamique in vitro d'incorporation de phospholipides révèle plusieurs voies de synthèse. Nous avons construit un réseau métabolique détaillé et nous avons identifié les valeurs de ses paramètres cinétiques (taux maximaux et constantes Michaelis). Afin d'obtenir une recherche globale dans l'espace de paramètres, nous avons conçu une méthode d'optimisation hybride, discrète et continue. Des paramètres discrets ont été utilisés pour échantillonner le cône des flux admissibles, alors que les constantes des Michaelis et les taux maximaux ont été obtenus par la minimisation locale d'une fonction objective. Cette méthode nous a également permis de prédire la répartition des flux au sein du réseau pour différents précurseurs métaboliques. Cette analyse quantitative a également été utilisée pour comprendre les liens éventuels entre les différentes voies. La principale source de PC est la voie Kennedy CDP-choline. Des expériences de knock-out in silico ont montré l'importance comparable des voies phosphoéthanolamine-N-méthyltransférase (PMT) et de la phosphatidyléthanolamine-N-méthyltransférase (PEMT) pour la synthèse de PC. Les valeurs des flux indiquent que plus grande partie de la PE dérivée de la sérine est formée par décarboxylation, alors que la synthèse de PS est majoritairement effectuée par des réactions d'échange de base. L'analyse de sensitivité de la voie CDP- choline montre que l'entrée de choline dans le parasite et la réaction cytidylyltransferase de la phosphocholine ont les plus grands co-efficients de contrôle sur cette voie, mais ne permet pas de distinguer une réaction comme l'unique étape limitante. Ayant comme objectif la compréhension de la régulation de l'expression génique chez Plasmodium falciparum et son influence sur le fonctionnement métabolique, nous avons effectué une étude bioinformatique intégrative des données du transcriptome et du métabolome pour les principales enzymes impliquées dans le métabolisme PL. L'étude de la dépendance temporelle des variables métaboliques et transcriptomiques au cours du cycle intra-érythrocytaire, a mis en évidence deux modes d'activation des voies PL. Les voies Kennedy sont activées pendant la phase schizogonique et au début de la phase anneau, alors que les voies SDPM et d'échange de bases sont activées lors de la fin de la phase anneau cycle et lors de la phase tropozoïte. / Malaria is responsible of the death of up to one million people each year. This disease is caused by Plasmodium, a protozoan parasite. In this thesis we have developed systems biology approaches to the study of phospholipid (PL) metabolism and its regulation in Plasmodium. These pathways are of primary importance for the survival of the parasite. At the blood stage, Plasmodium species display a bewildering number of PL synthetic pathways that are rarely found together in a single organism (i) the ancestral prokaryotic CDPdiacylglycerol dependent pathway (ii) the eukaryotic type de novo CDP-choline and CDPethanolamine (Kennedy) pathways (iii) P. falciparum and P. knowlesi exhibits additional reactions that bridge some of these routes. A plant-like pathway that relies on serine to provide additional PC and PE, is named the serine decarboxylase-phosphoethanolamine methyltransferase (SDPM) pathway. To understand the dynamics of PL acquisition and metabolism in Plasmodium we have used fluxomic data to build a quantitative kinetic model. In vitro incorporation dynamics of phospholipids unravels multiple synthetic pathways. A detailed metabolic network with values of the kinetic parameters (maximum rates and Michaelis constants) has been built. In order to obtain a global search in the parameter space, we have designed a hybrid, discrete and continuous, optimisation method. Discrete parameters were used to sample the cone of admissible fluxes, whereas the continuous Michaelis and maximum rates constants were obtained by local minimization of an objective function.The model was used to predict the distribution of fluxes within the network of various metabolic precursors. The quantitative analysis was used to understand eventual links between different pathways. The major source of phosphatidylcholine (PC) is the CDP-choline Kennedy pathway. In silico knock-out experiments showed comparable importance of phosphoethanolamine-N-methyltransferase (PMT) and phosphatidylethanolamine-N-methyltransferase (PEMT) for PC synthesis. The flux values indicate that, major part of serine derived phosphatidylethanolamine (PE) is formed via serine decarboxylation, whereas the phosphatidylserine (PS) is mainly predominated by base-exchange reactions. Metabolic control analysis of CDP-choline pathway shows that the carrier-mediated choline entry into the parasite and the phosphocholine cytidylyltransferase reaction have the largest control coefficients in this pathway, but does not distinguish a reaction as an unique rate-limiting step.With a vision to understand regulation of gene expression in Plasmodium falciparum and its influence on the metabolite expression, we have performed an integrative bioinformatic studies. The study integrates transcriptome and metabolome data for the main enzymes involved in PL metabolism. The study of the correlated time dependence of metabolic and transcriptomic variables during the intraerythrocytic cycle showed that there are two modes of activation of PL pathways. Kennedy pathways are activated during schizogony and early ring stages, whereas SDPM and base exchange pathways are activated during late ring and tropozoite stages.

Thèse décrivant l'écriture d'outils spécialisés facilitant l'analyse de grandes quantités de données provenant de technologie de séquencage haut débit.