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Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2024 / L'évolution est souvent perçue comme un processus lent, s'étalant sur de très longues périodes. Cependant, un phénomène qui peut jouer un rôle rapide dans l'évolution adaptative est l'hybridation, car elle entraîne une augmentation instantanée de nouveaux génotypes au sein des populations. Il n'est pas étonnant que l'hybridation ait captivé les scientifiques pendant des décennies. Tout d'abord, en raison de son attrait mystérieux, d'autant plus qu'autrefois, les organismes hybrides étaient perçus comme des « créatures monstrueuses » incapables de se reproduire. Cependant, le rôle de l'hybridation dans des processus évolutifs majeurs, tels que la spéciation ou la radiation adaptative, a remis en question cette vision passéiste et a ravivé l'intérêt pour comprendre leurs dynamiques évolutives. Certains hybrides peuvent coloniser des niches écologiques inaccessibles aux parents, probablement grâce à la plasticité accrue de leur génome favorisant une exploration rapide de nouveaux phénotypes. Cependant, la majorité des études comparant la valeur adaptative des hybrides à celle des espèces parentales ont examiné les effets immédiats après l'hybridation, négligeant leur évolution sur le long terme. Par conséquent, les répercussions négatives de l'hybridation ont principalement été axées sur l'isolement reproductif, avec moins d'attention portée à l'incidence sur leur potentiel adaptatif. Pour combler ces lacunes, cette thèse vise à explorer les dynamiques évolutives des hybrides depuis leur formation jusqu'à leur éventuelle adaptation à des environnements extrêmes. Pour atteindre cet objectif, nous avons exploité la prédisposition des espèces de levure à s'hybrider naturellement, en utilisant ce système pour croiser *Saccharomyces cerevisiae* et *Saccharomyces paradoxus*. Ces deux espèces, qui ont divergé il y a entre cinq et dix millions d'années, occupent des niches écologiques similaires et montrent des signes d'introgression, avec un potentiel adaptatif dans certains cas, révélant un historique naturel d'hybridation. En raison de la diversité génétique accrue offerte par l'hybridation, nous avançons l'hypothèse que les hybrides s'adapteront plus rapidement que les espèces parentales. Nous avons ainsi évalué leur potentiel adaptatif dans un environnement contenant une molécule toxique qui endommage directement l'ADN, simulant l'effet du rayonnement UV (dorénavant désigné comme conditions mimétiques UV), un défi en termes d'adaptation. Nous avons exposé 180 populations, incluant des hybrides ainsi que leurs souches parentales, aux conditions mimétiques UV et, en parallèle, aux conditions contrôle, pendant environ 100 générations, suivant une approche d'évolution expérimentale. Contrairement à notre hypothèse initiale, nous avons constaté que les taux d'adaptation étaient inférieurs chez les hybrides par rapport aux espèces parentales. Les conditions mimétiques UV accroissent l'instabilité génomique et pourraient davantage affecter les génomes hybrides intrinsèquement instables. Par conséquent, nous avons émis l'hypothèse que la moindre adaptation des hybrides pourrait résulter d'une accumulation plus rapide de changements génomiques, mais aucune telle association n'a été trouvée. Alternativement, les hybrides pourraient manquer d'accès aux mêmes mutations que les espèces parentales en raison de leur architecture génomique particulière. Cependant, nous avons remarqué que l'un des gènes les plus mutés (*PDR1*) était le même pour les trois génotypes, révélant ainsi un parallélisme évolutif remarquable et suggérant des mécanismes d'adaptation moléculaire similaires. Nous avons constaté que les mutations dans ce gène étaient principalement homozygotes chez les parents, mais hétérozygotes chez les hybrides, ce qui pourrait limiter le potentiel d'adaptation des hybrides. Nous avons donc avancé l'hypothèse qu'un taux de perte d'hétérozygotie (LOH) plus faible chez les hybrides pourrait entraver l'augmentation de leur valeur adaptative. Pour tester cette hypothèse: 1) nous avons utilisé l'édition du génome pour démontrer que les mutations présentent une dominance incomplète, nécessitant l'homozygotie pour être pleinement bénéfiques. C'est seulement ainsi que les mutations deviennent visibles pour la sélection et peuvent contourner le tamis de Haldane, qui favorise la fixation des mutations dominantes; et 2) nous avons remonté dans le temps à l'aide de « fossiles » congelés, afin de suivre la fréquence des mutations homozygotes et hétérozygotes dans nos trois génotypes. Nos résultats confirment que la LOH se produit à un rythme plus faible chez les hybrides que chez les parents. Globalement, nos découvertes révèlent que le tamis de Haldane entrave l'adaptation hybride, mettant en lumière une contrainte inhérente de leur architecture génomique qui peut restreindre l'impact de l'hybridation dans l'évolution adaptative. Dans l'ensemble, nos recherches soulignent l'impact de la LOH sur les taux d'adaptation, tout en illustrant comment les interactions alléliques limitent les dynamiques évolutives des hybrides. / Evolution is often perceived as a slow process, spanning very long periods. However, a phenomenon that can play a rapid role in adaptive evolution is hybridization, as it leads to an instantaneous increase in new genotypes within populations. It is not surprising that hybridization has captivated scientists for decades, initially due to its mysterious appeal, especially considering that hybrid organisms were once perceived as « monstrous creatures » incapable of reproduction. However, the role of hybridization in major evolutionary processes, such as speciation or adaptive radiation, has challenged this antiquated view and reignited interest in understanding their evolutionary dynamics. Some hybrids can colonize ecological niches inaccessible to parents, likely due to the increased plasticity of their genome favoring the rapid exploration of new phenotypes. However, most studies comparing the adaptive value of hybrids to that of parental species have focused on immediate post-hybridization effects, overlooking their long-term evolution. Consequently, the negative impacts of hybridization have primarily focused on reproductive isolation, with less attention paid to their adaptive potential. To address these gaps, this thesis aims to explore the evolutionary dynamics of hybrids from their formation to their eventual adaptation to extreme environments. To achieve this goal, we leveraged the predisposition of yeast species to naturally hybridize, using this system to cross *Saccharomyces cerevisiae* and *Saccharomyces paradoxus*. These two species, which diverged between five and ten million years ago, occupy similar ecological niches and show signs of introgression, with adaptive potential in some cases, revealing a natural history of hybridization. Due to the increased genetic diversity offered by hybridization, we hypothesize that hybrids will adapt more rapidly than parental species. We thus assessed their adaptive potential in an environment containing a toxic molecule that directly damages DNA, mimicking the effect of UV radiation (hereafter referred to as UV mimetic conditions), which poses a challenge in terms of adaptation. We exposed 180 populations, including hybrids and their parental strains, to UVmimicking conditions and, in parallel, to control conditions, for about 100 generations, following an experimental evolution approach. Contrary to our initial hypothesis, we found that adaptation rates were lower in hybrids compared to parental species. UV mimetic conditions increase genomic instability, potentially exerting a greater impact on inherently unstable hybrid genomes. Therefore, we next hypothesized that the lower adaptation of hybrids could result from a faster accumulation of genomic changes, although no such association was found. Alternatively, hybrids may lack access to the same mutations as parental species because of their unique genomic architecture. However, we observed that one of the most mutated genes (*PDR1*) was the same for all three genotypes, revealing a remarkable evolutionary parallelism and suggesting similar molecular adaptation mechanisms. We found that mutations in this gene were mainly homozygous in parents but heterozygous in the hybrids, which could limit the adaptive potential of the hybrids. We thus hypothesized that a lower rate of loss of heterozygosity (LOH) in hybrids could hinder the increase in their adaptive value. To test this hypothesis: 1) we used genome editing to demonstrate that mutations exhibit incomplete dominance, requiring homozygosity to be fully beneficial. Only then do mutations become visible to selection and can bypass Haldane's sieve, which favors the fixation of dominant mutations; and 2) we traced back in time using frozen « fossils » to track the frequency of homozygous and heterozygous mutations in our three genotypes. Our results confirm that LOH occurs at a slower pace in hybrids than in parents. Together, our results show that Haldane's sieve slows down adaptation in hybrids, revealing an intrinsic constraint of their genomic architecture that can limit the impact of hybridization in adaptive evolution. In summary, our studies emphasize the impact of the LOH on adaptation rates, while illustrating how allelic interactions limit the evolutionary dynamics of hybrids.

Le transport des protéines dans la voie de sécrétion est un phénomène hautement régulé. Pour les protéines GPI (glycosylphosphatidylinositol), une étude menée avec Gaslp a démontré que ce type de protéines bourgeonnait à un endroit spécifique du reticulum endoplasmique (RE). De plus, une étude antérieure avait permis d'établir la présence de deux types de vésicules de sécrétion qui peuvent fusionner avec la membrane plasmique, les HDSV (High density secretory vesicle) (contenant des protéines solubles et membranaires) et les LDSV (Low density secretory vesicle) (contenant des protéines GPI), sans décrire leurs provenances. Dernièrement, une étude de Gagnon-Arsenault et al., menée avec différentes formes de Ypslp, a montré qu'une forme tronquée de Ypslp est susceptible au clivage par Kex2p, une endopetidase résidante du réseau trans-golgien (TGN), mais non la forme sauvage ayant un GPI. Puisque ces deux formes étaient maturées différement, nous avons décidé d'étudier le transport des protéines GPI. Pour se faire, nous avons utilisé Ypslp comme protéine modèle. Nous avons débuté l'étude par la création et la caractérisation d'un mutant simplifiant l'analyse de Ypslp. Par la suite, nous avons analysé l'effet de l'endopeptidase Kex2 sur ce mutant en fonction de son ancrage. Pour terminer, nous avons analysé la sécrétion de deux substrats de Ypslp dans la banque de deletion de S. cerevisiae. Nous avons démontré, grâce à notre mutant, que l'accès au site actif de Ypslp était régulé par la boucle d'insertion. Cette régulation peut être affectée en diminuant la glycosylation sur les substrats de Ypslp. Pour notre objectif principal qui était d'analyser le transport des protéines GPI, nous n'avons pu discrimer entre un évitement du TGN ou une ségrégation latérale à l'intérieur du TGN. Nous avons toutefois appuyé les résultats de Gagnon-Arsenault et al, comme quoi la forme tronquée est susceptible à un clivage Kex2p-dépendant ce qui n'est par le cas de la forme GPI. Nous avons également observé le même phénomène que pour la forme tronquée, mais cette fois avec une forme ancrée aux membranes par un domaine transmembranaire exclu des radeaux lipidiques. Le dernier objectif de cette étude, le criblage de la banque de deletion, nous a permis d'identifier 5 mutants affectant la stabilité des protéines GPI avec la membrane plasmique. De ce groupe, trois sont connues pour jouer un rôle dans le remodelage de l'ancrage GPI.

Les yapsines représentent une famille d'aspartyl peptidases fongiques nouvellement identifiées qui ont la propriété particulière d'être ancrées aux membranes par un groupement glycosylphosphatidylinositol (GPI). Ces enzymes localisées à la surface cellulaire sont importantes pour le maintien de l'intégrité de la paroi cellulaire et contribueraient même à la virulence des levures pathogènes. Nous avons décidé d'utiliser Yps1p, première yapsine découverte chez la levure Saccharomyces cerevisiae, comme modèle d'étude afin de mieux comprendre le rôle et le mécanisme d'action de ces enzymes. Dans ce but, trois objectifs spécifiques ont été posés : 1) mieux comprendre les événements de protéolyse limitée qui régulent l'activité de Yps1p, 2) étudier la fonction de Yps1p en identifiant ses substrats naturels et 3) étudier le transport intracellulaire de Yps1p. En réponse à ces objectifs, nous avons premièrement identifié par immunobuvardage et par séquençage en N-terminal des sites précis où Yps1p subit des clivages protéolytiques pour enlever son propeptide et pour générer une enzyme à deux sous-unités. Nous avons établi que ces événements protéolytiques avaient lieu à la surface cellulaire et qu'il existait une corrélation directe entre le choix des sites de clivage et le pH environnemental. Deuxièmement, en effectuant des tests d'activité in vivo, nous avons mis en évidence un rôle régulateur important pour la boucle de Yps1p. En effet, la mutation de résidus basiques contenus dans cette région augmente la capacité de Yps1p à corriger les phénotypes d'un mutant présentant des défauts de paroi cellulaire. Troisièmement, par séquençage en N-terminal de protéines retrouvées dans le milieu extracellulaire, nous avons observé que Yps1p était responsable de sa propre relâche de la surface cellulaire et nous avons identifié un premier substrat naturel pour l'enzyme : Gas1p, une enzyme impliquée dans le remodelage de la paroi cellulaire. Enfin, en comparant différentes formes de Yps1p dont l'association aux membranes a été modifiée (soluble, transmembranaire et GPI), nous avons pu établir que l'ancre GPI conférait un mode de transport particulier à Yps1p qui permet son acheminement à la membrane plasmique sans passer par le réseau trans-Golgien et les endosomes. Ce contournement est essentiel pour réguler les événements de maturation de Yps1p précédemment décrits et pour assurer son rôle à la surface cellulaire.

L’étude qui suit est une caractérisation de certains mutants chez Saccharomyces cerevisiae qui augmentent le « shedding » de l’endopeptidase Yps1, localisée à la surface externe de la membrane plasmique, dans les radeaux lipidiques, via un ancrage GPI. Ces mutants relâchent une forme de plus haut poids moléculaire de Yps1p dans le milieu extracellulaire. L’objectif du projet était donc de caractériser 5 mutants selon plusieurs critères : la dépendance de l'activité de Yps1p pour son « shedding », l’association aux radeaux lipidiques, la composition des ancrages GPI et la présence de radeaux lipidiques. Notre étude a mis en évidence que le « shedding » des protéines GPI chez la levure ne dépend pas simplement de l'activité de Yps1p, mais que selon certaines conditions des phospholipases sont également impliquées. Ce mécanisme de clivage de protéines GPI par des phospholipases serait la conséquence du déclenchement d’une voie particulière de l’UPR.