L’acquisition de données génomiques ne cesse de croître, ainsi que l’appétit pour les interpréter. Mais déterminer les processus qui ont façonné l’évolution des séquences codantes (et leur importance relative) est un défi scientifique passant par le développement de modèles statistiques de l’évolution prenant en compte de plus en plus d’hétérogénéités au niveau des processus mutationnels et de sélection. Identifier la sélection est une tâche qui nécessite typiquement de détecter un écart entre deux modèles : un modèle nulle ne permettant pas de régime évolutif adaptatif et un modèle alternatif qui lui en permet. Lorsqu’un test entre ces deux modèles rejette le modèle nulle, on considère avoir détecter la présence d’évolution adaptative. La tâche est d’autant plus difficile que le signal est faible et confondu avec diverses hétérogénéités négligées par les modèles. La détection de la sélection sur l’usage des codons spécifiquement est controversée, particulièrement chez les Vertébrés. Plusieurs raisons peuvent expliquer cette controverse : (1) il y a un biais sociologique à voir la sélection comme moteur principal de l’évolution, à un tel point que les hétérogénéités relatives aux processus de mutation sont historiquement négligées ; (2) selon les principes de la génétique des populations, la petite taille efficace des populations des Vertébrés limite le pouvoir de la sélection sur les mutations synonymes conférant elles-mêmes un avantage minime ; (3) par contre, la sélection sur l’usage des codons pourrait être très localisée le long des séquences codantes, à des sites précis, relevant de contraintes de sélection relatives à des motifs utilisés par la machinerie d’épissage, par exemple. Les modèles phylogénétiques de type mutation-sélection sont les outils de prédilection pour aborder ces questions, puisqu’ils modélisent explicitement les processus mutationnels ainsi que les contraintes de sélection. Toutes les hétérogénéités négligées par les modèles mutation-sélection de Yang and Nielsen [2008] peuvent engendrer de faux positifs allant de 20% (préférence site-spécifique en acides aminés) à 100% (hypermutabilité des transitions en contexte CpG) [Laurin-Lemay et al., 2018b]. En particulier, l’hypermutabilité des transitions du contexte CpG peut à elle seule expliquer la sélection détectée par Yang and Nielsen [2008] sur l’usage des codons. Mais, modéliser des phénomènes qui prennent en compte des interdépendances dans les données (par exemple l’hypermutabilité du contexte CpG) augmente de beaucoup la complexité des fonctions de vraisemblance. D’autre part, aujourd’hui le niveau de sophistication des modèles fait en sorte que des vecteurs de paramètres de haute dimensionnalité sont nécessaires pour modéliser l’hétérogénéité des processus étudiés, dans notre cas de contraintes de sélection sur la protéine. Le calcul bayésien approché (Approximate Bayesian Computation ou ABC) permet de contourner le calcul de la vraisemblance. Cette approche diffère de l’échantillonnage par Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) communément utilisé pour faire l’approximation de la distribution a posteriori. Nous avons exploré l’idée de combiner ces approches pour une problématique spécifique impliquant des paramètres de haute dimensionnalité et de nouveaux paramètres prenant en compte des dépendances entre sites. Dans certaines conditions, lorsque les paramètres de haute dimensionnalité sont faiblement corrélés aux nouveaux paramètres d’intérêt, il est possible d’inférer ces mêmes paramètres de haute dimensionnalité avec la méthode MCMC, et puis les paramètres d’intérêt au moyen de l’ABC. Cette nouvelle approche se nomme CABC [Laurin-Lemay et al., 2018a], pour calcul bayésien approché conditionnel (Conditional Approximate Bayesian Computation : CABC). Nous avons pu vérifier l’efficacité de la méthode CABC en étudiant un cas d’école, soit celui de l’hypermutabilité des transitions en contexte CpG chez les Eutheria [Laurin-Lemay et al., 2018a]. Nous trouvons que 100% des 137 gènes testés possèdent une hypermutabilité des transitions significative. Nous avons aussi montré que les modèles incorporant l’hypermutabilité des transitions en contexte CpG prédisent un usage des codons plus proche de celui des gènes étudiés. Ceci suggère qu’une partie importante de l’usage des codons peut être expliquée à elle seule par les processus mutationnels et non pas par la sélection. Finalement nous explorons plusieurs pistes de recherche suivant nos développements méthodologiques : l’application de la détection de l’hypermutabilité des transitions en contexte CpG à l’échelle des Vertébrés ; l’expansion du modèle pour reconnaître des contextes autres que seul le CpG (e.g., hypermutabilité des transitions et transversions en contexte CpG et TpA) ; ainsi que des perspectives méthodologiques d’amélioration de la performance du CABC. / The acquisition of genomic data continues to grow, as does the appetite to interpret them. But determining the processes that shaped the evolution of coding sequences (and their relative importance) is a scientific challenge that requires the development of statistical models of evolution that increasingly take into account heterogeneities in mutation and selection processes. Identifying selection is a task that typically requires comparing two models: a null model that does not allow for an adaptive evolutionary regime and an alternative model that allows it. When a test between these two models rejects the null, we consider to have detected the presence of adaptive evolution. The task is all the more difficult as the signal is weak and confounded with various heterogeneities neglected by the models. The detection of selection on codon usage is controversial, particularly in Vertebrates. There are several reasons for this controversy: (1) there is a sociological bias in seeing selection as the main driver of evolution, to such an extent that heterogeneities relating to mutation processes are historically neglected; (2) according to the principles of population genetics, the small effective size of vertebrate populations limits the power of selection over synonymous mutations conferring a minimal advantage; (3) On the other hand, selection on the use of codons could be very localized along the coding sequences, at specific sites, subject to selective constraints related to DNA patterns used by the splicing machinery, for example. Phylogenetic mutation-selection models are the preferred tools to address these issues, as they explicitly model mutation processes and selective constraints. All the heterogeneities neglected by the mutation-selection models of Yang and Nielsen [2008] can generate false positives, ranging from 20% (site-specific amino acid preference) to 100% (hypermutability of transitions in CpG context)[Laurin-Lemay et al., 2018b]. In particular, the hypermutability of transitions in the CpG context alone can explain the selection on codon usage detected by Yang and Nielsen [2008]. However, modelling phenomena that take into account data interdependencies (e.g., hypermutability of the CpG context) greatly increases the complexity of the likelihood function. On the other hand, today’s sophisticated models require high-dimensional parameter vectors to model the heterogeneity of the processes studied, in our case selective constraints on the protein. Approximate Bayesian Computation (ABC) is used to bypass the calculation of the likelihood function. This approach differs from the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) sampling commonly used to approximate the posterior distribution. We explored the idea of combining these approaches for a specific problem involving high-dimensional parameters and new parameters taking into account dependencies between sites. Under certain conditions, when the high dimensionality parameters are weakly correlated to the new parameters of interest, it is possible to infer the high dimensionality parameters with the MCMC method, and then the parameters of interest using the ABC. This new approach is called Conditional Approximate Bayesian Computation (CABC) [Laurin-Lemay et al., 2018a]. We were able to verify the effectiveness of the CABC method in a case study, namely the hypermutability of transitions in the CpG context within Eutheria [Laurin-Lemay et al.,2018a]. We find that 100% of the 137 genes tested have significant hypermutability of transitions. We have also shown that models incorporating hypermutability of transitions in CpG contexts predict a codon usage closer to that of the genes studied. This suggests that a significant part of codon usage can be explained by mutational processes alone. Finally, we explore several avenues of research emanating from our methodological developments: the application of hypermutability detection of transitions in CpG contexts to the Vertebrate scale; the expansion of the model to recognize contexts other than only CpG (e.g., hypermutability of transitions and transversions in CpG and TpA context); and methodological perspectives to improve the performance of the CABC approach.

La protéine p53 répond à divers stress cellulaires pour induire l'apoptose et l'arrêt du cycle cellulaire. Cela permet à p53 de maintenir l'intégrité du génome, et la fonction de p53 est d'une importance capitale dans la suppression de l'oncogenèse cellulaire. En réponse à divers stress, p53 induit une activation transcriptionnelle par stabilisation, tétramérisation et activation. C'est pourquoi des mutations du gène TP53 sont fréquemment trouvées dans tumeurs. L'homotétramérisation de la protéine p53 via le domaine de tétramérisation est essentielle pour l'expression fonctionnelle de p53, et l'activité transcriptionnelle de p53 est fortement corrélée à la stabilité de la structure tétramérique. p53 a été exprimée depuis les premiers vertébrés jusqu'aux mammifères et aux oiseaux. p53 est en équilibre entre les formes monomériques et tétramériques, et le domaine de tétramérisation de p53 (p53TD) forme une structure ba. En revanche, les poissons tels que le poisson zèbre ont une deuxième hélice dans leurs protéines p63 et p73. p63 et p73 sont des homologues de p53, et il a été démontré que p63 est impliqué dans le développement et la différenciation des organes ectodermiques, et p73 dans le développement du système nerveux. On sait également que p63 et p73 forment des hétérotetrameres pour se réguler négativement l'un l'autre, alors que p53 ne forme pas. Malgré l'importance du rôle de la famille p53 dans l'évolution, les changements dans la stabilité de sa structure tétramérique et leur effet sur sa fonction ne sont pas clairs. C'est pourquoi nous avons tenté d'élucider le mécanisme moléculaire basé sur la structure tétramérique de p53. Dans cette étude, nous avons analysé les effets des mutations dans les tumeurs malignes et des substitutions dans la séquence du domaine de tétramérisation de p53 au cours de l'évolution sur la formation du tétramère, sa stabilité structurelle et la formation d'hétérotétramères, et nous avons étudié le rôle de la fonction de tétramérisation dans les fonctions spécifiques des protéines de la famille p53. La thèse contient cinq chapitres. Le chapitre 1 décris le rôle de la protéine p53 et du domaine de tétramérisation dans la régulation de son activité. Dans le chapitre 2, je détermine l'importance des effets négatifs dominants des mutations du domaine de tétramérisation de p53 dans le syndrome de Li-Fraumeni (LFS). Chapitre 3 discute des différences entre les espèces en ce qui concerne la stabilité structurelle de p53TD au cours de l'évolution des mammifères et des facteurs qui contribuent à ces différences. Dans le chapitre 4, je discute de la structure et de la stabilité des domaines de tétramérisation de p53 chez plusieurs espèces de vertébrés, et en particulier chez les poissons, ainsi que de l'analyse de la formation de l'hétérotramère p53-p63. Dans le dernier chapitre 5, je donne des conclusions. En conclusion, ces études permettent de clarifier l'importance de la formation du tétramère p53 dans l'expression fonctionnelle des membres de la famille p53 et les mécanismes moléculaires de stabilité et d'hétérogénéité dans la formation du tétramère. Cette étude apporte de nouvelles perspectives sur la régulation fonctionnelle et l'évolution d'autres protéines multimériques. / The p53 protein responds to various cellular stresses to induce apoptosis and cell cycle arrest. This enables p53 to maintain genome integrity, and p53 function is of paramount importance in the suppression of cellular oncogenesis. In response to various stresses, p53 induces transcriptional activation through stabilization, tetramerization, and activation. Therefore, mutations in the gene TP53 are frequently found in tumors. 　 The homotetramerization of p53 protein via the tetramerization domain is essential for the functional expression of p53, and p53 transcriptional activity is strongly correlated with the stability of the tetrameric structure. p53 has been expressed from the early vertebrates to mammals and birds. p53 is in equilibrium between monomeric and tetrameric forms, and the p53 tetramerization domain (p53TD) forms a ba structure. In contrast, fish such as Zebrafish have a second helix in their p63 and p73 proteins. p63 and p73 are p53 homologues, and it has been shown that p63 is involved in the development and differentiation of ectodermal organs, and p73 in the development of the nervous system. It is also known that p63 and p73 form heterotetramers to negatively regulate each other, while p53 does not. Despite the importance of the role of the p53 family in evolution, changes in the stability of its tetrameric structure and its effect on its function are not clear. Therefore, we attempted to elucidate the molecular mechanism based on the p53 tetramer structure. In this study, we analyzed the effects of mutations in malignant tumors and substitutions in the p53 tetramerization domain sequence during evolution on tetramer formation, its structural stability, and heterotetramer formation, and investigated the role of the tetramerization function in the specific functions of the p53 family proteins. The thesis contains five chapters. Chapter 1 describes the role of the p53 protein and the tetramerization domain in regulating its activity. In Chapter 2, I determine the importance of dominant negative effects of mutations in the p53 tetramerization domain in Li-Fraumeni syndrome (LFS). Chapter 3 discusses the species differences in p53TD structural stability in mammalian evolution and the factors that contribute to these differences. In Chapter 4, I discuss the structure and stability of the p53 and p63 tetramerization domains in several vertebrate species, and in particularly fish species, as well the analysis of p53-p63 heterotetramer formation. In the final Chapter 5, I provide the conclusions of this study. In conclusion, these studies help to clarify the importance of the formation of the p53 tetramer in the functional expression of p53-family members and the molecular mechanisms of stability and heterogeneity in tetramer formation. This study provides new insights into the functional regulation and evolution of other multimeric proteins.

L'étude des mécanismes endocriniens est particulièrement intéressante du fait du rôle majeur des hormones dans la régulation des interactions entre la physiologie d'un organisme, son comportement, et les modifications de son environnement. Cette thèse s'est intéressée aux relations entre le statut hormonal, les performances de reproduction et le succès reproducteur d'un oiseau marin longévif, le manchot Adélie Pygoscelis adeliae, dans un contexte environnemental soumis à des changements. Le statut endocrinien de manchots mâles a été manipulé en utilisant des implants dégradables sous-cutanés diffusant l'hormone d'intérêt ou un inhibiteur de sa sécrétion. Les effets d'une modification des niveaux d'hormones sur l'investissement parental pendant l'incubation ont été mesurés à l'aide d'observations directes et d'oeufsfactices enregistrant les paramètres d'incubation. Les niveaux de corticostérone - hormone dite de stress, de prolactine - hormone des soins parentaux, et de testostérone - hormone liée aux comportements sexuels et à l'agressivité, ont été manipulés. Les effets d'une augmentation des niveaux de corticostérone sur les performances et le succès reproducteur pendant la période de l'élevage des poussins ont également été mesurés. Enfin, les conséquences d'une légère élévation des niveaux de corticostérone pendant l'ensemble de la saison de reproduction en termes de comportement et de succès reproducteur ont été examinées. Une augmentation des niveaux de corticostérone a globalement diminué les performances et le succès de reproduction. D'autre part, une modification des niveaux de prolactine ou de testostérone a affecté la durée etles paramètres d'incubation, suggérant une implication de ces deux hormones dans le contrôle de la phénologie de la reproduction. Les résultats présentés dans cette thèse mettent l'accent sur le fait que la relation entre statut endocrinien et performances de reproduction est dose, état et contexte dépendante. Nos résultats illustrent le rôle majeur des hormones étudiées dans la régulation de l'effort reproducteur, et soulignent également l'importance de considérer les interactions entre les organismes et leur environnement.