Pour mieux saisir les liens complexes entre génotype et phénotype, une méthode utilisée consiste à étudier les relations entre différents éléments biologiques (entre les protéines, entre les métabolites...). Celles-ci forment ce qui est appelé un réseau biologique, que l'on représente algorithmiquement par un graphe. Nous nous intéressons principalement dans cette thèse au problème de la recherche d'un motif (multi-ensemble de couleurs) dans un graphe coloré, représentant un réseau biologique. De tels motifs correspondent généralement à un ensemble d'éléments conservés au cours de l'évolution et participant à une même fonction biologique. Nous continuons l'étude algorithmique de ce problème et de ses variantes (qui admettent plus de souplesse biologique), en distinguant les instances difficiles algorithmiquement et en étudiant différentes possibilités pour contourner cette difficulté (complexité paramétrée, réduction d'instance, approximation...). Nous proposons également un greffon intégré au logiciel Cytoscape pour résoudre efficacement ce problème, que nous testons sur des données réelles.Nous nous intéressons également à différents problèmes de génomique comparative. La démarche scientifique adoptée reste la même: depuis une formalisation d'un problème biologique, déterminer ses instances difficiles algorithmiquement et proposer des solutions pour contourner cette difficulté (ou prouver que de telles solutions sont impossibles à trouver sous des hypothèses fortes)

L'élucidation des liens réciproques unissant le génotype et le phénotype constitue un objectif central de la biologie moderne. De nombreux aspects de l'évolution à l'échelle moléculaire sont ainsi connus pour répondre aux caractéristiques démographiques ou d'histoire de vie des espèces. En particulier, la théorie quasi-neutre postule que les petites populations accumulent davantage de substitutions faiblement délétères dans leur génome, en raison d'une dérive génétique accrue. La composition en bases, à travers le mécanisme de la conversion génique biaisée, s'est également révélée obéir à l'influence de paramètres macroscopiques. Cependant, l'élaboration et la vérification empirique de ces théories se sont bien souvent fondées sur une gamme limitée de groupes d'organismes, incluant principalement les mammifères. Dans cette thèse, sur la base de l'étude comparative de plusieurs dizaines de transcriptomes, nous avons étendu à l'échelle des amniotes la compréhension des déterminants des patrons moléculaires observés. Grâce à l'analyse simultanée des principaux clades de reptiles, oiseaux et mammifères, nous avons pu confirmer et généraliser le rôle majeur de la taille efficace des populations sur la capacité des espèces à purger les changements d'amino-acide désavantageux, tout en exhibant un comportement inattendu du ratio dN/dS chez les oiseaux – soulevant au passage une énigme stimulante. La conversion génique biaisée est apparue comme le principal moteur de l'évolution du taux de GC des séquences codantes chez les vertébrés, y compris chez les reptiles et les poissons, dont la composition génomique homogène en avait masqué l'action. En parallèle, l'exploitation des relations entre traits d'histoire de vie et paramètres moléculaires nous a permis de réaliser de nouvelles avancées concernant l'objectif de reconstruction des masses ancestrales, pour lequel nous nous sommes focalisés sur l'ordre des cétartiodactyles, qui se caractérise aujourd'hui par une majorité de grosses espèces (comme le chameau, la girafe ou les cétacés). L'analyse combinée du marqueur mitochondrial, encore jamais testé, et des marqueurs nucléaires, incluant une vingtaine de transcriptomes nouvellement séquencés, a témoigné en faveur du résultat singulier d'un ancêtre cétartiodactyle de petite taille, comme suggéré par la paléontologie, démontrant ainsi le potentiel prometteur des données de séquence à dévoiler le passé des organismes. / Understanding the reciprocal influence between genotype and phenotype has been a long-standing goal of modern biology. Many aspects of evolution at the molecular level are well known to respond to demographic or life history characteristics of species. In particular, the nearly-neutral theory postulates that small populations accumulate a heavier load of slightly deleterious substitutions in their genome as a result of increased genetic drift. Base composition has also been shown to reflect the influence of macroscopic parameters through the mechanism of GC-biased gene conversion. However, the development and empirical validation of these theories are mostly based on a restricted diversity of organisms, in which mammals stand as a major contributor. In this thesis, using a comparative approach and tens of transcriptomes, we aimed at extending to Amniota our understanding of the determinants of molecular evolutionary patterns. With the incorporation of all clades of reptiles, we confirmed the major role of the effective population size on species ability to purge deleterious amino-acid changes, while revealing a paradoxical response of the dN/dS ratio in birds, raising a stimulating enigma. The biased gene conversion also emerged as the main driver of coding sequence GC content in vertebrates, including reptiles and fishes, whose genomic homogeneity had kept its signal hidden for long. In parallel, the relations between life-history traits and molecular parameters have enabled us to investigate and make progress in the field of ancestral body mass reconstruction. We focused on the Cetartiodactyla order, a group which is mainly characterized by large extant species (such as camel, giraffe or whales). The combined analysis of the yet untested mitochondrial marker and nuclear genes, including 21 newly sequenced transcriptomes, testified in favor of the singular result of a small cetartiodactyl ancestor, in agreement with the palaeontological record, demonstrating the strong potential of DNA sequences to reveal the past of organisms.

La maladie de la rouille foliaire du peuplier causée par des champignons du genre Melampsora (Pucciniales, Basidiomycètes) affecte largement les peupleraies en France. Ces champignons possèdent des cycles de vie complexes et infectent deux hôtes différents. La sécrétion de molécules appelées effecteurs est nécessaire lors du processus d'infection par le champignon afin de manipuler les processus de l’hôte et de contourner son immunité. La compréhension de leur rôle est centrale en phytopathologie moléculaire. Au cours de cette thèse, l’analyse du transcriptome de Melampsora larici-populina (Mlp) au cours de son cycle sexué lors de l'infection des deux hôtes, le peuplier et le mélèze, révèle la présence d'une majorité de gènes exprimés communément chez les deux hôtes et d'une fraction exprimée spécifiquement chez chaque hôte, notamment des gènes codant des effecteurs candidats. Des cribles fonctionnels réalisés sur un répertoire d’effecteurs candidats de Mlp ont révélé deux candidats d’intérêt. L’effecteur MLP124017 interagit avec des protéines de la famille TOPLESS-RELATED PROTEINS et présente une structure similaire à des protéines NUCLEAR TRANSPORT FACTOR 2 LIKE. L'effecteur MLPCTP1 est localisé dans les chloroplastes en système hétérologue tabac et chez le peuplier. Les fonctions de ces effecteurs restent à élucider mais ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives quant à la diversité et au rôle des effecteurs chez les Pucciniales. L'analyse préliminaire du génome de M. allii-populina montre des répertoires comparables en gènes et en effecteurs candidats par rapport à Mlp ainsi qu'une expansion de la taille du génome due à l’invasion par des éléments transposables / The poplar rust disease is caused by fungi belonging to the Melampsora genus (Pucciniales, Basiodiomycota) that cause important damages in poplar plantations in France. These fungi achieve their complex life cycles on two different host plants. The secretion of molecules called effectors that alter cell processes and impair immunity are required to set a successful infection. A central theme of molecular phytopathology is to understand how these molecules function in the host cell. In this PhD thesis, the transcriptome analysis of M. larici-populina (Mlp) during its sexual cycle while infecting its two host plants, poplar and larch, revealed a majority of genes commonly expressed on both hosts and a fraction specifically expressed on each host, including genes encoding candidate effectors. Effectoromic screens developed on a panel of Mlp candidate effectors revealed two candidates of interest. The candidate effector MLP124017 interacts with proteins of the TOPLESS-RELATED PROTEINS family and presents a structure similar to NUCLEAR TRANSPORT FACTOR 2 LIKE proteins. The MLPCTP1 effector is translocated inside chloroplasts of the heterologous plant tobacco and poplar. The functions of these two effectors remain to be determined but the functional characterization initiated in this thesis opens new perspectives in term of diversity and roles of effectors in Pucciniales. The preliminary analysis of the M. allii-populina genome shows similar repertoires of genes and candidate effector genes compared with Mlp as well as an increased genome size due to transposable elements invasion

Xanthomonas albilineans est la bactérie responsable de l'échaudure des feuilles, une maladie vasculaire et létale de la canne à sucre. Cette plante, domestiquée depuis plus de 5000 ans, est aujourd'hui cultivée sur près de 26 millions d'hectares. Depuis le début du 20ème siècle, les variétés naturelles de canne à sucre ont été remplacées par des variétés hybrides issues de croisements artificiels et présentant des caractères agronomiques plus intéressants. La transmission de X. albilineans est essentiellement liée au mode de multiplication par bouturage de la canne à sucre, les boutures produites à partir d'un plant infecté ayant de fortes chances d'être contaminées. L'utilisation d'outils de coupe favorise également la transmission de la bactérie à partir d'un plant infecté. Une transmission aérienne a toutefois été décrite pour au moins un groupe génétique de souches de X. albilineans appelé PFGE-B et caractérisé à l'aide de la technique d'électrophorèse en champ pulsé. Mon sujet de thèse visait, par une étude de génomique comparative et évolutive sur plusieurs souches de X. albilineans, à, d'une part, comprendre l'histoire de l'association de cette bactérie avec la canne à sucre, et, d'autre part, identifier des gènes candidats qui pourraient expliquer la pathogénie de X. albilineans et la capacité des souches du groupe PFGE-B à être transmises par voie aérienne.En comparant 12 souches de X. albilineans appartenant à neuf groupes PFGE différents, j’ai construit une phylogénie solide proposant l'existence de huit lignées regroupées en deux clades. Cette phylogénie a été confirmée en utilisant trois méthodes de phylogénomique différentes. De façon intéressante, cette phylogénie permet de proposer des hypothèses sur l'évolution de X. albilineans et sur l'introduction de cette bactérie chez la canne à sucre. L'analyse des gènes présents dans le génome de ces 12 souches appartenant à neuf groupes PFGE différents m'a également permis d'identifier un système RM (restriction/modification) qui n'est présent que chez les souches PFGE-B et qui pourrait expliquer pourquoi ces souches sont plus résistantes aux phages que celles appartenant aux autres groupes PFGE. En facilitant la survie des bactéries dans l'environnement, cette résistance aux phages pourrait jouer un rôle important dans la transmission aérienne.La comparaison de 11 souches de X. albilineans appartenant au groupe PFGE-B m'a permis de construire, à partir de 67 SNP (Single Nucleotide Polymorphism), une phylogénie qui indique que les Caraïbes, où la canne à sucre n'a été introduite qu'à la fin du 15ème siècle, pourraient être un centre de dispersion des souches PFGE-B. Cette étude a également mis en évidence un polymorphisme au niveau des spacers d'un locus CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats system). L'étude de ce polymorphisme sur 18 souches de X. albilineans non séquencées a permis de démontrer que les souches de Floride sont originaires des Caraïbes et de proposer des hypothèses concernant l'origine des souches PFGE-B d’autres régions du monde, même si le séquençage d'un plus grand nombre de souches sera nécessaire pour confirmer ces hypothèses.En analysant la séquence du génome de deux souches qui avaient été initialement classées dans l'espèce X. albilineans mais qui n'avaient pas été isolées à partir de tiges de canne à sucre, j’ai mis en évidence une nouvelle espèce que nous avons appelée 'Xanthomonas pseudalbilineans'. Enfin, la comparaison du génome fini et annoté de la souche PFGE-B GPE PC73 avec le génome d'autres espèces bactériennes phytopathogènes m'a permis de proposer des hypothèses pour expliquer la pathogénie de X. albilineans. / Xanthomonas albilineans is the bacterium causing leaf scald, a vascular disease being lethal for sugarcane. This plant, domesticated for over 5,000 years, is nowadays grown across almost 26 million hectares. Since the beginning of 20th century, natural varieties of sugarcane have been replaced by hybrid varieties resulting from artificial crossings. The transmission of X. albilineans is mainly linked to the fact that sugarcane is propagated by taking cuttings, with the cuttings from an infected plant likely to be contaminated. The use of cutting instruments also facilitates transmission of the bacteria from an infected plant. An aerial transmission has nevertheless been described, at least for one genetic group of strains from X. albilineans, namely PFGE-B, characterized using the pulsed-field gel electrophoresis technique. My thesis topic consisted in performing a comparative and evolutive genomic study of several strains of X. albilineans in order, on one hand, to better understand the history of association of this bacterium with the sugarcane, and, on the other hand, to identify candidate genes which may explain the pathogenicity of X. albilineans as well as the ability of PFGE-B strains to be aerially transmitted. Comparing 12 strains of X. albilineans belonging to nine different PFGE groups, I built a robust phylogeny which proposes the existence of eight lineages clustered in two clades. This phylogeny has been confirmed by three different phylogenomic methods. Interestingly, this phylogeny allows to propose hypotheses about the evolution of X. albilineans and the introduction of this bacterium in sugarcane. The analysis of genes from the genomes of these 12 strains belonging to nine different PFGE groups also allowed me to identify a RM (Restriction/Modification) system which is present only in PFGE-B strains and which may explain why these strains are more resistant to phages that those belonging to other PFGE groups. By facilitating the survival of bacteria in the environment, this resistance to phages may play an important role in aerial transmission. The comparison of 11 strains of X. albilineans belonging to the PFGE-B group allowed me to build, based on 67 SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), a phylogeny which indicates that the Caribbean area, where sugarcane was introduced not before the end of the 15th century, might be a center for dispersion of PFGE-B strains. This study also revealed a polymorphism of spacers of a CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats system) locus. The study of this polymorphism in 18 non-sequenced strains of X. albilineans allowed to demonstrate that strains from Florida originated in the Caribbean region, and to propose hypotheses regarding the origin of PFGE-B strains from other regions of the world, even if the sequencing of a higher number of strains will be required to confirm these hypotheses.Analyzing the sequence of the genome of two strains, initially thought to belong to the X. albilineans species but which weren’t isolated from sugarcane stalks, I revealed a new species that we called ‘Xanthomonas pseudalbilineans’. Finally, the comparison of the finished and annotated genome of the PFGE-B strain GPE PC73 with the genome of other phytopathogenic bacteria allowed me to propose hypotheses to explain X. albilineans’ pathogenicity.

Le complexe Burkholderia cepacia (Bcc) englobe 17 espèces retrouvées dans les infections pulmonaires d'individus atteints de mucoviscidose. Les bactéries de ce complexe sont présentes dans les sols, la rhizosphère de grandes cultures, les eaux usées et peuvent également être rencontrées dans le cadre d'infections nosocomiales. En France, les espèces B. multivorans et B. cenocepacia (Bcen) sont les espèces majoritaires au niveau des infections de patients atteints de mucoviscidose. Divers clones épidémiques ont été décrits au sein de l’espèce Bcen dont le clone ET12 associé au "syndrome cepacia". En 2004, une épidémie nosocomiale impliquant un clone du Bcc est survenue dans un hôpital de l’Ain. Durant ce travail, l’origine de ce clone (B&B), sa classification au sein du Bcc et certains phénomènes génétiques liés à son émergence ont été étudiés. Cela a permis d’identifier ce clone comme appartenant à l’espèce Bcen et une forte proximité de celui-ci avec la lignée ET12. L’étude des facteurs transcriptionnels de la famille σ70 au sein du Bcc a mis en évidence une structure génétique similaire entre la lignée ET12 et ce clone, mais différente de celle observée chez les autres espèces du Bcc. L’analyse d’éléments génétiques répétés de la famille des séquences d’insertion (IS) a cependant permis d’observer une organisation génomique distincte de la lignée ET12. Celle-ci a été reliée à des phénomènes d’instabilité génétique notamment à des phénomènes d’acquisition d’éléments génétiques mobiles de type îlot génomique. L’ensemble de ce travail a permis de caractériser un ensemble de phénomènes génétiques pouvant expliquer l’émergence de clones épidémiques tels que le clone B&B. / The Burkholderia cepacia complex (Bcc) comprises 17 species found in lung infections of individuals with cystic fibrosis. The bacteria of this complex are present in the soil, the rhizosphere of field crops, wastewater and may also be encountered in nosocomial infections. In France, the B. multivorans and B. cenocepacia species are the major species in infections of cystic fibrosis patients. Various epidemic clones have been described within the B. cenocepacia species whose ET12 clone associated with "cepacia syndrome". In 2004, a nosocomial outbreak involving a clone of Bcc occurred in a French hospital. During this outbreak, origin of this clone (B&B clone), its classification within the Bcc and several genetic events associated with its emergence have been studied. These investigations have identified this clone as belonging to the species B. cenocepacia with a strong proximity with the ET12 lineage. The study of transcriptional factors of σ70 family within the Bcc has revealed a similar genetic structure between the ET12 lineage and this clone, but different from that observed in other species of Bcc. Analysis of genetic elements repeated family of insertion sequences (IS), however, allowed to observe a distinct genomic organization of the ET12 lineage. It has been linked to phenomen of genetic instability including acquisition of mobile genetic elements like genomic island (GI). All of this work has helped to characterize a set of genetic events may explain the emergence of epidemic clones such as clone B&B.

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique. / Phagocytosis is a cellular process by which large particulate material are internalized in a newly formed vesicule, the phagosome. Once formed, the phagosome acquires its functional properties through a complex maturation process called phagolysosome biogenesis. This pathway involves a series of rapid interactions with organelles of the endocytic apparatus, enabling the gradual transformation of newly formed phagosomes into phagolysosomes in which proteolytic degradation occurs. The amoeba Dictyostelium discoideum uses phagocytosis as a predation mechanism for feeding, whereas multicellular organisms utilize this process as an immune mechanism where specialized cells named phagocytes internalize, kill and degrade phatogens found through the host, forming the basis of innate immunity. In jawed verterbrates however, the phagosome links innate and adaptive immunity by processing and presenting antigenic peptides. Despite its crucial role in immunity, little is known about the composition and the functional organization of the phagosome. It is therefore essential to characterize in details the functional properties that are recruited to the phagosome. High-throughput proteomics analysis of isolated phagosomes has been tremendously helpful for the molecular comprehension of this organelle. Studies of our lab notably have revealed the first proteomics identification of mouse phagosomes without determining the roles of these proteins through the complex process of phagocytosis (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). In the first study of this thesis (Stuart et al, 2007), we characterized the functions of the entire drosophila phagosome proteome by combining high-throughput proteomics, interactive networks and RNAi. By applying this strategy, we’ve identified 617 phagosomal proteins by mass spectrometry from which we’ve expanded this list by building the phagosome interactome. The contribution of each protein to bacterial internalization was tested and validated by RNAi and led to the identification of a new regulator of phagocytosis, the exocyst complex. In generating this 'systems-based model', we show the power of applying this approach to the study of complex cellular processes and organelles and expect that this detailed model of the phagosome will provide a new framework for studying host-pathogen interactions and innate immunity. In the second study of this thesis (Boulais et al, 2010), we characterized some of the key steps that contributed to the remodeling of phagosomes functional properties during evolution. To do so, we isolated this organelle from three distant organisms: the amoeba Dictyostelium discoideum, the fruit fly Drosophila melanogaster, and mouse (Mus musculus) that use phagocytosis for different purposes. By performing and comparing proteomics and phosphoproteomics analyses of isolated phagosomes from the three species, we identified an ancient core of phagosomal proteins around which the immune function of this organelle have likely organized. Our data indicate that a larger proportion of the phagosome proteome, has been acquired through gene duplication at periods coinciding with the emergence of innate and adaptive immunity. Our study also characterizes in detail the acquisition of novel proteins and the significant remodeling of the phagosome phosphoproteome that contributed to modify the core constituents of this organelle in evolution. Our work thus provides the first thorough analysis of the changes that enabled the transformation of the phagosome from a phagotrophic compartment into an organelle fully competent for antigen presentation.

Des souris aux baleines en passant par les humains, la diversité écologique des mammifères placentaires est des plus fascinantes. Bien qu'il s'agisse là d'un des groupes les plus étudiés, leur origine fait pourtant l'objet de bien des mystères. Leurs relations de parenté les plus basales restent en effet incertaines, et l'on ignore encore beaucoup du mode de vie qu'avaient nos ancêtres du Crétacé, ces mammifères placentaires qui auraient côtoyé les dinosaures pendant plus de 30 millions d'années.Afin d'aborder ces questions, cette thèse a utilisé l'outil de la génomique comparative. L'une de ses principales originalités est la prise en compte d'un distorteur majeur de notre évolution moléculaire: la conversion génique biaisée. Truquant la loterie génétique, ce mécanisme associé à la recombinaison méiotique avantage les nucléotides G et C au détriment des nucléotides A et T. Façonnés par son influence, nos paysages nucléotidiques présentent ainsi ponctuellement des taux de GC anormalement élevés.Jusque là, ce phénomène n'avait été étudié que chez une poignée d'organismes modèles. Son analyse chez plus d'une trentaine de génomes mammaliens a mis en évidence une série de résultats clés. En particulier, l'évolution du contenu en GC des gènes s'est avéré dépendre de la masse corporelle et la longévité des espèces. E nreliant ainsi évolution moléculaire et traits d'histoire de vie, des reconstructions de séquences ancestrales ont permis d'estimer la durée de vie des premiers mammifères placentaires à plus de 25 ans. Cette longévité va bien au delà de ce que peuvent espérer atteindre les souris ou musaraignes actuelles, des animaux au mode de vie pourtant jusqu'ici supposé comme étant proche de celui de nos ancêtres.Parallèlement à ces résultats, une tendance à produire des phylogénies inexactes a été détectée chez les gènes les plus GC-riches. Moins soumis à la conversion génique biaisée, les gènes AT-riches se sont montrés plus fiables, tout en soutenant que les espèces originaires d'Afrique sont situés à la base de l'arbre des placentaires. Ce résultat suggère ainsi la possible résolution d'un des noeuds les plus controversés de notre histoire évolutive.Du simple nucléotide à la naissance d'une infraclasse de plus de 4000espèces, ce travail révèle comment l'évolution moléculaire peut porter un nouveau regard sur nos origines les plus profondes. / From mice to whales through humans, placental mammals present astunning diversity. Despite being one of the most studied group ever,mysteries persist about their origin. Indeed, their most basalrelationships still remain uncertain, and nothing is really knownabout the lifestyle of our cretaceous ancestors, these placentalmammals which lived side by side with non-avian dinosaurs during 30My.To answer these evolutionnary questions, comparative genomic studiesof placental mammals have been conducted. One of its originalities isto take into account biased gene conversion. Rigging the geneticlottery, this recombination-associated mechanism involves a reparationbias favouring the G and C nucleotides over the A and T ones, whichmark the mammalian genomic landscapes by inducing localized peaks ofGC-content.This phenomenon has been so far studied in few model species. Theexploration of biased gene conversion in more than 30 mammal genomesled to several key results. In particular, GC content evolution hasproved to be correlated to the longevity and the body mass of species.By linking together molecular evolution and life history traits, thereconstruction of ancestral sequences allowed us to estimate alife-span above 25 years for early placental mammals. This value ismarkedly different from that of mice or shrews, although our mammalianancestors have often been represented as such. In addition to these results, GC-rich genes were found to be prone toproduce false phylogenies. Less affected by recombination associatedartifacts, AT-rich genes are shown to be more reliable, and to supportspecies of African origin as the sister group of all other placentalmammals - perhaps resolving one of the most controversial nodes of themammalian tree.From nucleotide to the birth of a 4,000 species infraclass, this workreveals how molecular evolution can shed new light onour deepest origins.

Dans cette thèse, nous explorons la complexité algorithmique de plusieurs problèmes issus de la génomique comparative, et nous apportons des solutions à certains de ces problèmes sous la forme d'algorithmes d'approximation ou paramétrés. Le dénominateur commun aux problèmes soulevés est la mise en commun d'informations génomiques provenant de plusieurs espèces dans le but de tirer des conclusions pertinentes pour l'étude de ces espèces. Les problèmes de tri par transpositions et de tri par inversions pré xes permettent de retrouver l'histoire évolutive des deux espèces. Les problèmes de distance exemplaire et de plus petite partition commune ont pour but de comparer deux génomes dans les cas algorithmiquement di ciles où chaque gène apparait avec plusieurs copies indistinguables dans le génome. En n, les problèmes d'extraction de bandes et de linéarisation visent à préciser ou corriger l'information génomique a n qu'elle soit plus pertinente pour des traitements ultérieurs. Les résultats principaux que nous présentons sont la NP-di culté des problèmes de tri (par transpositions et par inversions pré xes) dont la complexité est restée longtemps une question ouverte; une étude complète de la complexité du calcul des distances exemplaires; un algorithme paramétré pour le calcul de plus petite partition commune (avec un unique paramètre étant la taille de la partition); une étude à la fois large et approfondie des problèmes d'extraction de bandes et en n une nouvelle structure de données permettant de résoudre plus e cacement le problème de linéarisation.

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique. / Phagocytosis is a cellular process by which large particulate material are internalized in a newly formed vesicule, the phagosome. Once formed, the phagosome acquires its functional properties through a complex maturation process called phagolysosome biogenesis. This pathway involves a series of rapid interactions with organelles of the endocytic apparatus, enabling the gradual transformation of newly formed phagosomes into phagolysosomes in which proteolytic degradation occurs. The amoeba Dictyostelium discoideum uses phagocytosis as a predation mechanism for feeding, whereas multicellular organisms utilize this process as an immune mechanism where specialized cells named phagocytes internalize, kill and degrade phatogens found through the host, forming the basis of innate immunity. In jawed verterbrates however, the phagosome links innate and adaptive immunity by processing and presenting antigenic peptides. Despite its crucial role in immunity, little is known about the composition and the functional organization of the phagosome. It is therefore essential to characterize in details the functional properties that are recruited to the phagosome. High-throughput proteomics analysis of isolated phagosomes has been tremendously helpful for the molecular comprehension of this organelle. Studies of our lab notably have revealed the first proteomics identification of mouse phagosomes without determining the roles of these proteins through the complex process of phagocytosis (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). In the first study of this thesis (Stuart et al, 2007), we characterized the functions of the entire drosophila phagosome proteome by combining high-throughput proteomics, interactive networks and RNAi. By applying this strategy, we’ve identified 617 phagosomal proteins by mass spectrometry from which we’ve expanded this list by building the phagosome interactome. The contribution of each protein to bacterial internalization was tested and validated by RNAi and led to the identification of a new regulator of phagocytosis, the exocyst complex. In generating this 'systems-based model', we show the power of applying this approach to the study of complex cellular processes and organelles and expect that this detailed model of the phagosome will provide a new framework for studying host-pathogen interactions and innate immunity. In the second study of this thesis (Boulais et al, 2010), we characterized some of the key steps that contributed to the remodeling of phagosomes functional properties during evolution. To do so, we isolated this organelle from three distant organisms: the amoeba Dictyostelium discoideum, the fruit fly Drosophila melanogaster, and mouse (Mus musculus) that use phagocytosis for different purposes. By performing and comparing proteomics and phosphoproteomics analyses of isolated phagosomes from the three species, we identified an ancient core of phagosomal proteins around which the immune function of this organelle have likely organized. Our data indicate that a larger proportion of the phagosome proteome, has been acquired through gene duplication at periods coinciding with the emergence of innate and adaptive immunity. Our study also characterizes in detail the acquisition of novel proteins and the significant remodeling of the phagosome phosphoproteome that contributed to modify the core constituents of this organelle in evolution. Our work thus provides the first thorough analysis of the changes that enabled the transformation of the phagosome from a phagotrophic compartment into an organelle fully competent for antigen presentation.

L'émergence des expériences dites à haut débit permet l'acquisition rapide de données concernant un système biologique. Les biologistes disposent ainsi, aujourd'hui, d'un nombre important de données de natures hétérogènes qu'ils cherchent à structurer et analyser. Les méthodes dites intégratives proposent de répondre à cette demande, mais la création d'une méthode générale et satisfaisant les requêtes précises des biologistes constitue une tâche ardue. Ce mémoire s'inscrit dans cette problématique. Nous y abordons diverses méthodes d'intégration des aspects omiques (métaboliques, génomiques, transcriptomiques...) d'un système bactérien et nous proposons la nôtre, nommée SIPPER, qui est une méthode générique et flexible. SIPPER permet de retrouver de l'information biologique cohérente entre les différents aspects étudiés grâce à la construction d'un modèle intégratif et l'utilisation d'une distance reposant sur des propriétés ou hypothèses biologiques choisies. Nous avons appliqué SIPPER deux fois sur les données métaboliques et génomiques d'E. coli. La première application teste l'hypothèse "les chaînes de réactions successives du réseau métabolique sont catalysées à l'aide d'enzymes produites par des gènes proches sur le génome", et la seconde teste l'hypothèse "les chaînes de réactions successives sont catalysées par des gènes dont l'expression est similaire". Nous avons découvert, par ces expériences, des mesures caractérisant certaines entités biologiques comme la densité génomique qui permet l'identification d'opérons métaboliques. L'apport de l'intégration de données supplémentaires aux approches n'utilisant traditionnellement qu'un seul type d'information a également été illustré au travers de la génomique comparative. Nous avons ainsi élaboré M&W-IISCS_M, une méthode qui calcule des intervalles communs maximaux ayant un fort intérêt omique.