No description available.

The research presented in this dissertation integrates data and theory to examine three important topics in biology. In the first chapter, I investigate genetic variation at two loci involved in a genetic incompatibility in the genus Xiphophorus. In this genus, hybrids develop a fatal melanoma due to the interaction of an oncogene and its repressor. Using the genetic variation data from each locus, I fit evolutionary models to test for coevolution between the oncogene and the repressor. The results of this study suggest that the evolutionary trajectory of a microsatellite element in the proximal promoter of the repressor locus is affected by the presence of the oncogene. This study significantly advances our understanding of how loci involved in both a genetic incompatibility and a genetically determined cancer evolve. Chapter two addresses the role polyploidy, or whole genome duplication, has played in generating flowering plant diversity. The question of whether polyploidy events facilitate diversification has received considerable attention among plant and evolutionary biologists. To address this question, I estimated the speciation and genome duplication rates for 60 genera of flowering plants. The results suggest that diploids, as opposed to polyploids, generate more species diversity. This study represents the broadest comparative analysis to date of the effect of polyploidy on flowering plant diversity. In the final chapter, I develop a computational method for designing disease surveillance networks. The method is a data-driven, geographic optimization of surveillance sites. Networks constructed using this method are predicted to significantly outperform existing networks, in terms of information quality, efficiency, and robustness. This work involved the coordinated efforts of researchers in biology, epidemiology, and operations research with public health decision makers. Together, the results of this dissertation demonstrate the utility of applying quantitative theory and statistical methods to data in order to address complex, biological processes. / text

Les parasites exercent une pression de sélection quasiment universelle. Cette thèse aborde les relations hôte-parasite dans le système Lymnaeidae (Gastropoda) Fasciolidae (Trematoda, douves) sous différents aspects, afin de brosser une image de cette interaction et de son évolution. J'ai tout d'abord établi les relations phylogénétiques entre les espèces de Lymnaeidae, puis retracé l'évolution de différents caractères, tels que la susceptibilité à l'infestation par Fasciola hepatica et F. gigantica. Alors que F. hepatica est un parasite généraliste, capable d'infester des mollusques de presque tous les clades de la famille Lymnaeidae, l'infestation par F. gigantica est plus restreinte à un clade. J'ai ensuite étudié plus finement la coévolution entre le parasite F. hepatica et deux de ses hôtes Lymnaeidae (Galba truncatula et Omphiscola glabra) au sein d'une métapopulation, ce qui a confirmé la stratégie généraliste de F. hepatica. En plus, il semblerait que les mollusques parasités et non parasités de G. truncatula aient des différences génétiques, au moins dans cinq des huit populations étudiées. J'ai caractérisé la diversité génétique de deux espèces de mollusques envahissantes, préférentiellement autogames et impliquées dans la transmission de F. hepatica : Pseudosuccinea columella et Lymnaea sp. On trouve une diversité génétique très réduite, chez ces deux espèces, ce qui pourrait faciliter leur expansion géographique et leur infestation par F. hepatica. Ce travail m'a ensuite conduit à mesurer le temps d'attente avant l'autofécondation et la dépression de consanguinité chez ces deux espèces. J'ai trouvé que ces deux espèces sont caractérisées par une dépression de consanguinité très faible et un temps d'attente nul, ce qui confirme les résultats obtenus lors d'une collaboration dans une étude à plus large échelle. Cette thèse souligne l'importance des études en évolution pour comprendre l'épidémiologie des maladies parasitaires. / Parasites constitute a selective pressure to almost all living beings. This thesis addresses the host-parasite interaction in the Lymnaeidae (Gastropoda) Fasciolidae (Trematoda; liver flukes) system through different approaches, with the aim to give a comprehensive image of this interaction and its evolution. First, I established the phylogenetic relationships among Lymnaeidae species, and then mapped the evolution of different characters such as the susceptibility to the infection by Fasciola hepatica and F. gigantica. While F. hepatica is a generalist parasite, capable to infect snails from almost all clades of the Lymnaeidae, infection by F. gigantica is restricted to one clade. Next, I studied the co-evolution between the parasite F. hepatica and two of its intermediate host species (Galba truncatula and Omphiscola glabra) at a finer scale: within a metapopulation. This study confirmed the generalist strategy of F. hepatica. In addition, it seems that parasitized and non-parasitized G. truncatula snails exhibit genetic differences, at least in five out of eight studied populations.I also characterized the genetic diversity of two species of invasive snails involved in the transmission of F. hepatica: Pseudosuccinea columella and Lymnaea sp. We discuss the possible reasons of invasion success in these snails, despite their low genetic diversity, which could facilitate their infection by F. hepatica. Their capacity to respond to parasitism is certainly reduced, all the more that these species are preferential selfers. This work has then led me to measure the waiting time before self-fertilization and inbreeding depression in these two snails. I found that these two species are characterized by low inbreeding depression and present no waiting time, which confirms the results obtained in a collaborative project at larger phylogenetic scale. This thesis strengthens the importance of evolutionary studies to understand the epidemiology of parasitic diseases.

Avian brood parasitism is an ideal system for the study of coevolution. Brood parasites and their hosts have developed interesting adaptations during co-evolution allowing them to maximize their fitness. The evolution of these adaptations has a character of an "arms race" where the evolution of one trait in the host is tied with the evolution of another trait in the parasite. In my doctoral thesis, I deal with two of these adaptations: recognition of parasitic eggs by hosts and mimicry of eggs in parasites. Since both these adaptations are influenced by birds' visual system, in all my studies I used an objective method to measure the colour and the modelling of avian visual system that is quite different from the human visual system. For instance, humans in contrast to birds cannot perceive ultraviolet (UV) light. However, this part of spectrum influences behaviour of birds substantially (e.g. courtship or foraging). We found that the hosts of brood parasites can use UV light when recognizing parasitic eggs. However, it seems that this part of spectrum is not the main cue in egg recognition (manuscript 1). Ambient light has also an important impact on colour perception. We determined whether the light conditions in nests influence host responses to alien eggs. The Red Bishop (Euplectes orix) was an ideal...

Les Machines de Boltzmann restreintes (RBM) sont des modèles graphiques capables d’apprendre simultanément une distribution de probabilité et une représentation des données. Malgré leur architecture relativement simple, les RBM peuvent reproduire très fidèlement des données complexes telles que la base de données de chiffres écrits à la main MNIST. Il a par ailleurs été montré empiriquement qu’elles peuvent produire des représentations compositionnelles des données, i.e. qui décomposent les configurations en leurs différentes parties constitutives. Cependant, toutes les variantes de ce modèle ne sont pas aussi performantes les unes que les autres, et il n’y a pas d’explication théorique justifiant ces observations empiriques. Dans la première partie de ma thèse, nous avons cherché à comprendre comment un modèle si simple peut produire des distributions de probabilité si complexes. Pour cela, nous avons analysé un modèle simplifié de RBM à poids aléatoires à l’aide de la méthode des répliques. Nous avons pu caractériser théoriquement un régime compositionnel pour les RBM, et montré sous quelles conditions (statistique des poids, choix de la fonction de transfert) ce régime peut ou ne peut pas émerger. Les prédictions qualitatives et quantitatives de cette analyse théorique sont en accord avec les observations réalisées sur des RBM entraînées sur des données réelles. Nous avons ensuite appliqué les RBM à l’analyse et à la conception de séquences de protéines. De part leur grande taille, il est en effet très difficile de simuler physiquement les protéines, et donc de prédire leur structure et leur fonction. Il est cependant possible d’obtenir des informations sur la structure d’une protéine en étudiant la façon dont sa séquence varie selon les organismes. Par exemple, deux sites présentant des corrélations de mutations importantes sont souvent physiquement proches sur la structure. A l’aide de modèles graphiques tels que les Machine de Boltzmann, on peut exploiter ces signaux pour prédire la proximité spatiale des acides-aminés d’une séquence. Dans le même esprit, nous avons montré sur plusieurs familles de protéines que les RBM peuvent aller au-delà de la structure, et extraire des motifs étendus d’acides aminés en coévolution qui reflètent les contraintes phylogénétiques, structurelles et fonctionnelles des protéines. De plus, on peut utiliser les RBM pour concevoir de nouvelles séquences avec des propriétés fonctionnelles putatives par recombinaison de ces motifs. Enfin, nous avons développé de nouveaux algorithmes d’entraînement et des nouvelles formes paramétriques qui améliorent significativement la performance générative des RBM. Ces améliorations les rendent compétitives avec l’état de l’art des modèles génératifs tels que les réseaux génératifs adversariaux ou les auto-encodeurs variationnels pour des données de taille intermédiaires. / Restricted Boltzmann machines (RBM) are graphical models that learn jointly a probability distribution and a representation of data. Despite their simple architecture, they can learn very well complex data distributions such the handwritten digits data base MNIST. Moreover, they are empirically known to learn compositional representations of data, i.e. representations that effectively decompose configurations into their constitutive parts. However, not all variants of RBM perform equally well, and little theoretical arguments exist for these empirical observations. In the first part of this thesis, we ask how come such a simple model can learn such complex probability distributions and representations. By analyzing an ensemble of RBM with random weights using the replica method, we have characterised a compositional regime for RBM, and shown under which conditions (statistics of weights, choice of transfer function) it can and cannot arise. Both qualitative and quantitative predictions obtained with our theoretical analysis are in agreement with observations from RBM trained on real data. In a second part, we present an application of RBM to protein sequence analysis and design. Owe to their large size, it is very difficult to run physical simulations of proteins, and to predict their structure and function. It is however possible to infer information about a protein structure from the way its sequence varies across organisms. For instance, Boltzmann Machines can leverage correlations of mutations to predict spatial proximity of the sequence amino-acids. Here, we have shown on several synthetic and real protein families that provided a compositional regime is enforced, RBM can go beyond structure and extract extended motifs of coevolving amino-acids that reflect phylogenic, structural and functional constraints within proteins. Moreover, RBM can be used to design new protein sequences with putative functional properties by recombining these motifs at will. Lastly, we have designed new training algorithms and model parametrizations that significantly improve RBM generative performance, to the point where it can compete with state-of-the-art generative models such as Generative Adversarial Networks or Variational Autoencoders on medium-scale data.

Les ARNs non-codants régulateurs (ARNnc) regroupent des acteurs majeurs de la régulation de l'expression des gènes, retrouvés de manière ubiquitaire dans l'ensemble des domaines du vivant. Chez les bactéries ils sont également appelés sRNAs, jouent des rôles clefs dans de nombreuxprocessus physiologiques et adaptatifs. Ces sRNAs ont été mis en évidence par des méthodes expérimentales haut-débit (microarray, tilling-array...) dans plusieurs espèces bactériennes d'intérêt. Ils agissent majoritairement au niveau post-transcriptionnel via une interaction physique avec un ou plusieurs ARNs messagers(s) cibles(s). Cependant, les informations sur les ARNmet les fonctions potentielles de ces sRNAs restent très parcellaires à ce jour. De plus, les profils d'évolution des sRNAs ont été peu étudiés chez les bactéries pathogènes. Le travail réalisé dans cette thèse repose sur l'hypothèse que l'évolution des sRNAs et leur coévolution avec d'autres éléments fonctionnels dans un ensemble de génomes, peut permettre de mieux comprendre leurs histoires évolutives, mais également de caractériser leurs fonctions potentielles et peut-être d'aider à identifier le ou les ARNm cibles avec lesquels ils interagissent. Dans ce but, nous avons conçu et implémenté une stratégie de phylogénomique robuste et géné- rique permettant d'analyser l'évolution et la coévolution des sRNAs et des ARNm cibles dans un ensemble de génomes bactériens annotés, à partir de leur profil de présence-absence. Cette méthode a été appliquée à l'analyse de l'évolution et de la coévolution de 154 sRNAs trans régulateurs de Listeria monocytogenes EGD-e. Elle nous a permis d'identifier 52 sRNAs accessoires dont la majo- rité étaient présents dans l'ancêtre commun des souches de Listeria et ont été perdus au cours de l'évolution. Nous avons ensuite détecté une coévolution significative entre 23 sRNAs et 52 ARNm et nous avons reconstruit le réseau de coévolution des sRNAs et ARNm de Listeria. Ce réseau contient un hub principal de 12 sRNAs qui coévoluent avec des ARNm codant pour des protéines de la paroi ainsi que des facteurs de virulence. Parmi eux nous avons pu identifier 4 sRNAs coévoluant avec 7 gènes codant pour des internalines qui sont connues pour regrouper d'importants facteurs de virulence chez Listeria. De plus, l'ARN rli133, qui coévolue avec plusieurs gènes impliqués dans le pouvoir pathogène de Listeria, contient des régions compatibles avec des interactions physiques directes inhibitrices pour la majorité de ses partenaires de coévolution. / Non coding RNAs (ncRNA) are main actors of gene expression regulation and are found ubiquitously in all domains of life. In bacteria, ncRNAs play key roles in a wide range of physiological and adaptive processes. These "small non coding RNAs" (sRNAs) are identified by high-throughput experimental methods (microarray, tilling-array, ...) in several bacteria species of interest. They mainly act at post-transcriptional level through physical interactions with one or several mRNA(s). Nevertheless, the available informations about mRNA targets and sRNAs functions, remain very limited. In addition, evolutionary patterns of sRNAs have been poorly studied in pathogenic bacteria. The main hypothesis of my PhD work is therefore that analysis of evolution and coevolution between sRNAs and other functional elements in a given genomes set, may allow to understand their evolutionary histories, to better characterize their putative functions, and may also help to identify their potential mRNA(s) target(s). For this purpose, we designed and developed a robust and generic phylogenomic approach to analyze evolution and coevolution between sRNAs and mRNA from their presence-absence profiles, in a set of annotated bacterial genomes. This method was thereafter used to analyze evolution and coevolution of 154 Listeria monocytogenes EGD-e trans regulatory sRNAs in 79 complete genomes of Listeria. This approach allowed us to discover 52 accessory sRNAs, the majority ofwhich were present in the Listeria common ancestor and were subsequently lost during evolution of Listeria strains. We then detected significant coevolutions events between 23 sRNAs and 52 mRNAs and reconstructed the coevolving network of Listeria sRNA and mRNA. This network contains a main hub of 12 sRNAs that coevolves with mRNA encoding cell wall proteins and virulence factors. Among them, we have identified 4 sRNAs coevolving with 7 internalin-coding genes that are known to group important virulence factors of Listeria. Additionaly, rli133, a sRNA that coevolve with several genes involved in Listeria pathogenicity, exhibits regions compatible with direct translational inhibitory physical interactions for most of its coevolution partners.

[néant] / [néant]

Le degré de spécialisation d'hôte des parasites peut considérablement modifier la nature des interactions interspécifiques. Lorsque les parasites sont également vecteurs, leur capacité d'adaptation et leur réponse aux changements dans la communauté d'hôtes aura des conséquences importantes sur la dynamique de leurs populations, mais aussi sur les microparasites qu'ils transmettent. Une première étape pour mieux appréhender l'importance de ce phénomène sur l'écologie et l'évolution des systèmes vectoriels est d'étudier la divergence génétique associée à l'hôte. Nous avons utilisé cette approche dans le système hôte-vecteur-pathogène impliquant la tique européenne Ixodes ricinus, ses différents hôtes vertébrés et les bactéries responsables de la maladie de Lyme (Borrelia burgdorferi sl). Ce travail a notamment consisté à tester si les communautés les plus anciennes montraient des divergences associées à l'hôte plus importantes que celles récemment colonisées. Nous avons combiné des échantillonnages de terrain sur un transect européen (comprenant la distribution historique d'I. ricinus et des zones nouvellement colonisées) et, des analyses moléculaires basés sur 14 marqueurs microsatellites (dont 9 nouvellement développés). Comme un obstacle majeur pour aborder la question de la spécificité d'hôte dans le système I. ricinus, ainsi que chez d'autres vecteurs, est de déterminer l'utilisation des hôtes, nous avons également testé expérimentalement les biais rencontrés lors de la détection moléculaire de l'hôte. Nos résultats révèlent un schéma complexe de l'adaptation des tiques à travers l'Europe ; la spécialisation d'hôte peut évoluer, mais l'âge de la communauté ne semble pas être un facteur décisif. Plus généralement, les résultats de cette thèse soulignent que l'écologie des vecteurs en eux-mêmes (et pas seulement les interactions hôtes-pathogènes) doit être considérée avec attention si on veut améliorer notre compréhension de ces systèmes. / The degree of host specialization in parasites can greatly modify the nature of interspecific interactions. When parasites are also vectors, their ability to adapt to new hosts and their response to changes in the host community will have important consequences for both their population dynamics and evolution, but may also cascade down to the microparasites they transmit. A first step to better apprehend the importance of this phenomenon for the evolution and ecology of vector-borne disease systems is to study patterns of host-associated genetic divergence across diverse vector populations. We used this approach in the host-vector-pathogen system involving the European tick Ixodes ricinus, its various vertebrate hosts and the bacteria responsible for Lyme disease Borrelia burgdorferi sl. We predicted that longer established interactions would show stronger patterns of host-associated divergence than more recently established ones. We tested this prediction by combining field samples from a European-wide transect (including both historical and newly colonized zones) and molecular analyses based on 14 microsatellite markers (9 newly developed). As a major obstacle for tackling the question of host associations in the I. ricinus system is determining local host use, we also experimentally tested for biases in molecular host detection. Our results reveal a complex pattern of tick adaptation across the European landscape; host specialization does evolve, but not in a predictable way in relation to the evolutionary age of the interaction. More generally, the results of this thesis highlight that vector ecology (and not just host-pathogen interactions) require careful consideration, if we are to improve our understanding of these systems.

Les mécanismes à l’origine du maintien de la forte diversité locale des arbres des forêts tropicales humides constituent encore une énigme pour les scientifiques. Cette thèse a pour but d’étudier et de comprendre certains facteurs biotiques et abiotiques qui influencent l’assemblage des communautés des forêts tropicales humides d’Amazonie. A l’aide d’une approche empirique conduite dans les forêts tropicales de Guyane française et du Loreto au Pérou, de nombreuses expériences de terrain ont été mises en place dans le but d’apporter des éléments de réponse sur les mécanismes impliqués dans le maintien de la diversité des communautés d’arbres et d’insectes des forêts amazoniennes. Dans un premier temps, cette thèse permet de souligner l’importance des pressions biotiques exercées sur les communautés d’arbres. En effet, les communautés d’insectes peuvent influencer la composition des communautés d’arbres le long d’un gradient environnemental conduisant à des compromis entre la défense et la croissance. Ces compromis ou tradeoff permettent de maintenir la coexistence des espèces de forêts tropicales humides en favorisant la spécialisation des arbres à leur habitat (Chapitre 1, Annexe 3). Cependant, de nombreux facteurs peuvent engendrer des variations dans les compromis d’allocation exhibés par les plantes, ce qui peut compliquer la validité de ces résultats. Dans ce sens, nous avons souligné l’influence du rôle de la cascade trophique et l’existence chez certaines espèces d’arbres de stratégies d’évitement des insectes (Chapitre 2). Dans un second temps, nous avons montré que les filtres environnementaux et les distances géographiques favorisent un fort turnover de la composition des arthropodes des forêts tropicales (chapitre 3, Annexe 2). Les résultats de cette étude ont des implications fondamentales sur les mécanismes qui expliquent la structuration des communautés d’insectes herbivores. Nous avons souligné l’importance de l’interaction des communautés des insectes herbivores et de leurs plantes associées. De plus, des prédictions sont présentées sur le degré de spécialisation des insectes à leur plante-hôte (Annexe 3), notamment sur les implications possibles dans les compromis d’allocation chez les plantes. Finalement, des perspectives de recherche sont proposées en vue de poursuivre ces travaux de recherche, et notamment des extensions de mes expériences vers d’autres régions tropicales et tempérées et l’intégration de la phylogénie pour comprendre des mécanismes de coévolution entre communautés d’arbres et insectes. Nous proposons également une intégration des résultats de cette thèse dans les stratégies locales et régionales de conservation des forêts tropicales du bassin amazonien. / The mechanisms underlying the maintenance of local diversity of trees in tropical rainforests remain under debate. This dissertation aims to study and understand some biotic and abiotic factors that may influence both tree and insect community assembly in lowland tropical forests of Amazonia. I used an empirical approach to study communities of trees and insects in tropical forests of French Guiana and Peru, to address the extent to which insect herbivores contribute to the turnover of tree species across strong environmental gradients. In Chapter 1, I studied how herbivorous insect communities can influence the composition of tree communities along an environmental gradient by reinforcing tradeoffs between defense and growth that promote habitat specialization (Chapter 1, Appendix 3). The complicated variation in the patterns of growth and defense from this study led me to pursue further observations of an alternative plant defense strategy of time-avoidance of herbivores, which I examined in detail in Chapter 2. I found evidence for coordinated leaf production in some tree species that was consistent with the satiation of herbivores, suggesting that multiple interactions between plants and their herbivores may be responsible for patterns of habitat specialization in trees. In the second part of the dissertation, I examined insect herbivore communities in detail to test for turnover in species composition across geographic and environmental gradients. In Chapter 3, I present evidence for substantial beta-diversity in arthropod communities throughout lowland Amazonian forests. In the discussion I propose research perspectives to complete this research, including the extension of observations to compare tropical and temperate regions and the integration of molecular phylogenetics information to study coevolution of plant lineages and their insect herbivores. I conclude with suggestions for the integration of the results of this thesis in local and regional strategies for the preservation and conservation of tropical forests in the Amazon basin.

La conception d’un langage de modélisation pour domaine spécifique (DSML) implique la conception d’un outillage dédié qui met en oeuvre des fonctionnalités de traitement et d’analyse pour ce langage. Dans bien des cas, les fonctionnalités à mettre en oeuvre existent déjà , mais elles s’appliquent à des portions ou à des variantes du DSML que le concepteur manipule. Réutiliser ces fonctionnalités existantes est un moyen de simplifier la production de l’outillage d’un nouveau DSML. La réutilisation implique que les données du DSML soient adaptées afin de les rendre valides du point de vue de la fonctionnalité à réutiliser. Si l’adaptation est faite et les données sont placées dans le contexte de la fonctionnalité, elle peut être réutilisée. Le résultat produit par l’outil reste dans le contexte de l’outil et il doit être adapté afin de le placer dans le contexte du DSML (migration inverse). Dans ce cadre, la réutilisation n’a de sens que si les deux adaptations de données sont peu coûteuses. L’objectif de cette thèse est de proposer un mécanisme qui intègre la migration, la réutilisation et la migration inverse. La principale contribution est une approche qui facilite la réutilisation de fonctionnalités existantes via des migrations de modèles. Cette approche facilite la production de l’outillage d’un DSML. Elle permet de faire des migrations réversibles entre deux DSMLs sémantiquement proches. L’utilisateur est guidé lors du processus de réutilisation pour fournir rapidement l’outillage complet et efficace d’un DSML. L’approche a été formalisée et appliquée à un DSML (Orcc) dans le contexte des MPSoC. / Designers of domain specific modeling languages (DSMLs) must provide all the tooling of these languages. In many cases, the features to be developped already exist, but it applies to portions or variants of the DSML.One way to simplify the implementation of these features is by reusing the existing functionalities. Reuse means that DSML data must be adapted to be valid according to the functionality to be reused. If the adaptation is done and the data are placed in the context of the functionality, it can be reused. The result produced by the tool remains in the context of the tool and it must be adapted to be placed in the context of the DSML (reverse migration).In this context, reuse makes sense only if the migration and the reverse migration are not very expensive. The main objective of this thesis is to provide a mechanism to integrate the migration, the reuse and the reversemigration and apply them efficiently. The main contribution is an approach that facilitates the reuse of existing functionalities by means of model migrations. This approach facilitates the production of the tooling for a DSML. It allows reversible migration between two DSMLs semantically close. The user is guided during the ruse process to quickly provide the tooling of his DSML.The approach has been formalised et applied to a DSML (Orcc) in the context of the MPSoC.