Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive. / Evolution is a gradual process that gives rise to changes in the form of mutations that are reflected at the protein level. We propose that evolution of new pathways occurs by switching binding partners, hence creating new functions. The different functions encountered in a given family of related proteins have emerged from a common ancestor that has been duplicated and mutated to become implicated in new interactions and to gain new functions. In this study, we will use native and constitutive active mutant variants of the Ras-like family of small GTPases as working model, to explore such gene duplications, followed by neo / sub-functionalization. The reason for choosing this family resides in the fact that it is a defined set of proteins with well known functions that are mediated through multiple protein-protein interactions. The aim of this master is to perform a classification of budding yeast phenotypes using different approaches in order to statistically determine at which level of the population these constitutively active mutations are capable to affect cell morphology. Working with a subset of the Ras-like small GTPases family, we recently developed an approach to catalogue and classify these proteins based on multiple physical and chemical criteria. Using microscopic and bioinformatics methods, we characterized phenotypes associated with over-expression of the native small GTPases of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, showing that an established classification is not very clear. We are interested to investigate how point mutations in small GTPases can affect the cell morphology and their level of impact on asynchronous population. We want to establish a method to determine and quantify mutant and wild type-like phenotypes on these populations using Differential interference contrast microscopy (DIC) images only. As for the first aim of this study, we hypothesize that clustering algorithms can partition mutant cells from wild type cells based on cell shape factor measurements. To prove this hypothesis, we proposed to implement different clustering algorithms to analyze datasets which combines measurements from wild type and respective mutant populations. We created constitutively active forms of these small GTPases and used Cdc42, Rho5, Ras1 and Rsr1 to validate our results. We observed that Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L and Rsr1 G12V mutations induced characteristic amorphous, clumped/elongated, rounded and discrete large phenotypes respectively. This classification allowed us to define a phenotypical classification related to functions. Phenotype classification of the small GTPases has been confirmed using shape factor formulas accompanied with bioinformatics approaches. These approaches which involved different clustering methods allowed an automated quantitative characterization of the phenotypes of up to 7293 mutant cells. Sequence alignment of Cdc42 and Rho5 showed 46.1% identity as well as 62.6% for Ras1 and Rsr1 allowing the identification of diverged residues potentially involved in specific functions and protein-protein interactions. Directed mutagenesis and substitution of these sites from one gene to another have been performed in some positions to test for specificity and involvement in morphology changes. In parallel, interactions observed for native and constitutively active mutants Cdc42 and Rho5 will be assayed with protein-fragment complementation assay (PCA). This will enable us to determine whether a high correlation exists between functions switches and binding partner’s switches. We propose to expand this approach to the whole Ras-like small GTPases family and monitor protein-protein interactions and functions at a network scale. This research will confirm whether enrichment or depletion of residues in specific sites induces a switch of function due to switching binding partners. Understanding the mechanism underlying such correlation is important to gain insight in the biological mechanisms underlying the Ras-like small GTPases and other proteins evolution. Such knowledge is of fundamental importance in biomedical and pharmaceutical fields, since Ras-like small GTPases represent important targets for therapeutic interventions and for the evolutionary biology field.

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Les agrégats de suie émis par les processus de combustion dans les turbines aéronautiques contribuent à modifier le bilan radiatif de l'atmosphère et la qualité de l'air. La connaissance de leurs caractéristiques physiques et chimiques est indispensable pour évaluer leur rôle dans les processus physico-chimiques atmosphériques et leur impact sur l'environnement et la santé publique. Dans ce contexte, notre étude vise à déterminer la taille et la morphologie d'agrégats de suie aéronautique à partir de mesures expérimentales menées en microscopie électronique en transmission (MET) et en tomographie électronique.Nous avons réalisé des clichés MET d'agrégats de suie émis par des turboréacteurs aéronautiques. Nous avons établi une méthode pour caractériser la morphologie des agrégats en déterminant leur allongement, leur compacité et la tortuosité de leur contour en analysant leur projection. Nous avons également développé un logiciel de traitement et d'analyse des images MET qui permet de reconstruire en 3D un agrégat à partir de ses projections et l'analyse de ses caractéristiques dimensionnelles et morphologiques à partir de sa reconstruction. Les résultats obtenus nous ont permis d'étudier la validité des relations liant les caractéristiques microphysiques 2D et 3D proposées dans la littérature et d'en proposer de nouvelles pour les agrégats étudiés.Ces résultats constituent la première caractérisation morphologique 3D d'agrégats de suie aéronautique à partir d'analyses par MET et tomographie électronique. Ils montrent que les propriétés morphologiques de ces agrégats ne permettent pas d'utiliser la méthode d'ensemble pour déterminer la dimension fractale massique. / Soot aggregates emitted by aircraft engines' combustion processes are involved in the modification of the global radiative budget and the air quality. The knowledge of their physical and chemical characteristics is a prerequisite to any evaluation of the way they may act in the atmospheric physical and chemical processes and their impact on the environment and public health. In this context, our study aims at determining the size and morphological characteristics of aircraft soot aggregates on the basis of experimental measurements by transmission electron microscopy (TEM) and electron tomography.We have acquired TEM pictures of soot aggregates emitted by aircraft engines. We have established a method to characterize the morphology of these aggregates by determining their elongation, their compacity and the tortuosity of their edge. This method is based on the analysis of their TEM projection. Besides, we have developed a software to process and analyse TEM pictures. It allows to reconstruct aggregates from their projections and to determine their size and morphological characteristics. Our results have lead us to study the validity of the relationships linking the 2D and 3D microphysical characteristics presented in the literature and to suggest new ones for the studied aggregates.These results constitute the first 3D morphological and size characterizations of aircraft soot aggregates using TEM and electron tomography. They highlight the fact that the morphological properties of these aggregates do not fulfil the hypotheses required for the use of the collective method to determine the mass fractal dimension.