Pendant plusieurs décennies, la communauté scientifique a supposé que pratiquement tous les gènes émergeaient par la duplication et la divergence de gènes préexistants. Récemment, les scientifiques ont découvert un nouveau mécanisme d'émergence des gènes, l'évolution de novo. Les gènes de novo émergent de séquences non codantes du génome et pourraient ainsi acquérir de nouvelles fonctions, à condition que leurs effets initiaux sur la valeur adaptative ne soient pas délétères. L'objectif de cette étude est d'identifier les propriétés structurales des gènes de novo qui ont un impact sur leur émergence. Nous nous intéressons aux très jeunes gènes de novo apparus au cours des 200 000 dernières années en utilisant des levures bourgeonnantes sauvages comme espèces modèles. Pour évaluer l'impact des gènes de novo sur la valeur adaptative, nous avons effectué un test de compétition de masse et une analyse de croissance différentielle avec des souches exprimant artificiellement 396 gènes de novo insérés sur un plasmide dans la levure bourgeonnante. Nous avons également analysé les propriétés structurales de ces séquences. Nous avons constaté que les gènes plus longs ont plus d'impact sur le taux de croissance. Nous avons également observé que les gènes de novo ayant un effet délétère ont tendance à être moins intrinsèquement désordonnés et ont un plus grand potentiel de formation d'agrégats. Enfin, nous avons découvert que les gènes de novo ayant un effet positif sur la valeur adaptative ont une propension plus élevée pour les domaines transmembranaires. Nous concluons qu'il existe une variation substantielle dans les propriétés structurelles des protéines codées par les gènes de novo et, par leur effet sur la valeur adaptative, ces propriétés pourraient déterminer quels gènes sont les plus susceptibles d'être maintenus sur une longue période et ainsi contribuer à la diversité du protéome. / For several decades, the scientific community assumed that virtually all genes emerged through the duplication and divergence of pre-existing genes. Recently, scientists have discovered a new mechanism of gene emergence, de novo evolution. De novo genes emerge from non-coding sequences of the genome and could thus acquire novel functions, provided their initial effects on fitness are not deleterious. The objective of this study is to identify structural properties of de novo genes that have an impact on their emergence. We are interested in very young de novo genes that appeared in the last 200 thousand years using wild budding yeasts as model species. To assess the impact of de novo genes on fitness, we performed a bulk competition assay and differential growth analysis with strains overexpressing 396 de novo genes inserted on a plasmid in budding yeast. We also analyzed the structural properties of these sequences. We found that longer genes have more impact on fitness. We also observed that de novo genes with a deleterious effect tend to be less intrinsically disordered and are predicted to have a greater potential to form aggregates. Finally, we discovered that de novo genes with a positive effect on fitness have a higher propensity for transmembrane domains. We conclude that there is substantial variation in the structural properties of the proteins encoded by de novo genes and, through their effect on fitness, these properties could determine which genes are more likely to be maintained and thus contribute to proteome diversity.

Les changements des niveaux d'expression au cours de l'évolution sont d'une grande importance biologique et sont notamment influencés par des évènements récurrents de duplication de gènes. Ce projet de maîtrise visait donc à caractériser et à expliquer la divergence d'expression à l'intérieur des paires de paralogues de la levure Saccharomyces cerevisiae, qui en possède des centaines. Étant donné que l'abondance d'une protéine reflète l'effet combiné de la transcription et de la traduction, nous nous sommes intéressés à l'évolution de l'efficacité de ces deux processus. L'analyse d'un ensemble de données publié a révélé une prédominance de la divergence transcriptionnelle chez les gènes dupliqués. De tels patrons d'évolution pourraient être dus à l'effet de la sélection, ou encore à un biais dans l'apparition des mutations. Nous avons donc considéré deux causes potentielles : un compromis évolutif récemment décrit entre le coût et la précision de l'expression ainsi qu'une plus grande fréquence - ou de plus grands effets - des mutations agissant sur la transcription. L'évolution in silico de paires de paralogues a montré que l'un et l'autre de ces mécanismes pourraient expliquer la divergence observée. Nous avons aussi exploré l'impact potentiel d'une variété de contraintes mutationnelles, soulignant ainsi l'importance de les mesurer afin de comprendre l'évolution de l'expression génique. En mettant en évidence que les paralogues divergent principalement au niveau de la transcription, ces travaux contribuent à améliorer notre compréhension de l'évolution de l'expression génique et du rôle qu'y jouent les duplications de gènes, tout en identifiant plusieurs directions futures de recherche. / Expression level changes throughout evolution are of great biological significance and for instance occur through recurrent gene duplication events. This project's objective was thus to characterize and explain the expression divergence within the paralog pairs of the yeast Saccharomyces cerevisiae. As the cellular abundance of a protein is influenced by both transcription and translation, we studied these two processes. The analysis of a published set of transcription and translation efficiencies first revealed that the divergence of yeast duplicates was mostly transcriptional. Such evolutionary patterns could either be due to selection or to a mutational bias. Accordingly, we considered two potential causes: a recently described evolutionary trade-off between the cost and the precision of expression, and a higher frequency - or larger effects - for mutations acting on transcription. The in silico evolution of paralog pairs showed that both mechanisms are consistent with the observed divergence patterns. We also explored the potential impact of a few types of mutational constraints, thus underscoring the importance of measuring them to fully understand the evolution of gene expression. By highlighting that paralogs mostly diverge in transcription, this work improves our understanding of the evolution of gene expression, especially regarding how gene duplication contributes to it, while also identifying future research directions.

L'organisation du cytosquelette d'actine chez Saccharomyces cerevisiae nécessite plusieurs protéines dont la profiline, impliquée dans la polymérisation des filaments d'actine. Les cellules pfy1 [delta] présentent un phénotype anormal; les granules corticaux sont dépolarisés et il y a absence de câbles d'actine visibles. Le gène SYP1 a été identifié en tant que suppresseur de la souche pfy1 [delta]. Nous avons étudié SYP1 dans le but de lui attribuer une fonction cellulaire. La surexpression de SYP1 dans les souches bni1 [delta], cdc10 [delta], chs5 [delta], end3 [delta] et sla2 [delta] provoque un retard important de la croissance tandis qu'elle corrige le défaut de bourgeonnement de la souche arf3 [delta] ainsi que le défaut d'endocytose des souches ede1 [delta], sla1 [delta] et sac6 [delta]. La localisation cellulaire dans des souches mutantes révèle que Syp1p est délocalisée dans les souches bni1 [delta], cdc10 [delta], cdc12-6, chs1 [delta] et cla4 [delta]. Ces résultats nous permettent de conclure que Syp1p joue un rôle dans l'organisation du cytosquelette d'actine ainsi que dans l'endocytose.

Cette étude visait à vérifier la capacité de deux levures utilisées dans certaines applications alimentaires à dégrader le xylène commercial; deux approches ont été envisagées à savoir l'utilisation du xylène comme seule source de carbone ou encore la biotransformation du xylène en présence d'une autre source de carbone facilement assimilable par les levures. Pour ce faire, l'influence du xylène sur la croissance de Saccharomyces cerevisiae et de Kluyveromyces marxianus ainsi que la tolérance de ces levures en présence de cet hydrocarbure aromatique toxique ont été déterminées. Nos résultats ont démontré que les deux souches pouvaient croître jusqu'à une concentration de 25% (v/v) de xylène dans le milieu. Cette tolérance n'a été observée que lorsque le milieu contenait une source de carbone facilement métabolisable par les levures. Pour ce qui est de vérifier la capacité des levures à dégrader le xylène, un système à deux phases a été conçu et il était composé d'huile de silicone pour la phase organique et d'un milieu à base de sels minéraux (MBS) et de perméat de lactosérum ou de glucose (selon la souche testée) pour la phase aqueuse. Malheureusement, les conditions expérimentales utilisées dans cette étude n'ont pas permis de démontrer la capacité des levures à dégrader le xylène.

L’évolution par la duplication de gènes est maintenant reconnue comme un des mécanismes les plus importants dans l’évolution et plusieurs évidences ont été retrouvées dans le génome des organismes. Ce qui est moins connu, et plus débattu, est l’implication respective de la divergence de la régulation transcriptionnelle et de la divergence de la séquence codante dans l’évolution phénotypique. Nous avons établi une méthode nous permettant d’évaluer le rôle de la régulation transcriptionnelle dans la divergence des interactions protéine-protéine sur les gènes dupliqués chez l’organisme Saccharomyces cerevisiae. Nos résultats démontrent que cette méthode peut être utilisée pour vérifier si la différence d’interactions protéine-protéine peut être expliquée par la divergence de la régulation transcriptionnelle ou par la divergence de séquence codante. Nous avons identifié des cas où la divergence de régulation transcriptionnelle joue un rôle important, un rôle mineur ou aucun rôle dans la divergence des interactions protéine-protéine. La méthode développée peut être transposée à grande échelle, ce qui pourrait faire de la lumière sur l’importance de la régulation transcriptionnelle durant l’évolution. / Evolution by gene duplication is considered one of the most important mechanisms of evolutionary innovation. What is less known and highly debated is the relative role of the divergence of transcriptional regulation and the divergence of protein coding sequence in the evolution of molecular networks. We developed a method aimed at evaluating the role of transcriptional regulation in the divergence of protein-protein interactions among duplicated genes in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. Our results demonstrate that our approach can be used effectively to test if divergence of protein-protein interaction profiles can be explained by the divergence of transcriptional regulation or the divergence of coding sequences. We found evidence supporting different scenarios, whereby expression regulation has a large effect, no effect or little effect on protein-protein interaction profiles of paralogous proteins. Our method can be brought to large scale and help elucidate the importance of gene transcriptional regulation in evolution of complex cellular networks.