Durant les millions d'années qu'ont duré leurs évolutions, les génomes ont subi de nombreux réarrangements chromosomiques. Les plus fréquents sont les inversions, les translocations réciproques, les fissions et les fusions de chromosomes. Pour étudier ces évènements nous avons premièrement développé une méthode, Phyldiag, qui, à partir de l'ordre des gènes dans les génomes modernes, identifie les segments de chromosomes qui ont été conservés sans être cassé par les réarrangements. Dans un deuxième temps nous avons développé Magsimus, un simulateur réaliste qui fait évoluer in silico un génome ancestral artificiel en lui faisant subir des réarrangements chromosomiques ainsi que des évènements géniques : des duplications, des naissances de novo et des délétions de gènes. Avec ce simulateur nous avons tenté de reproduire des évolutions équivalentes à l'évolution réelle qui, à partir d'un ancêtre commun vivant il y a environ 325 million d'années, a abouti à l'humain, la souris, le chien, l'opossum et le poulet. Nous avons utilisé les segments conservés entre les espèces réelles pour calculer une première estimation des nombres de réarrangements le long des branches de l'arbre des espèces. En comparant les génomes modernes simulés aux génomes modernes réels nous avons quantifié le réalisme de ce paramétrage initial puis nous l'avons affiné par une procédure d'optimisation, ce qui nous a simultanément permis d'estimer une distribution des tailles des inversions. Enfin nous montrons avec un exemple simple qu'il sera nécessaire de forcer la réutilisation de points de cassures pour améliorer le simulateur. / In the course of evolution genomes have been restructured by massive chromosomal rearrangements. The most common rearrangements are inversions, reciprocal translocations, fissions and fusions of chromosomes. To study these events we first developed a tool, PhylDiag, that uses the conservation of gene order in extant genomes to uncover chromosomal segments that remained unbroken from rearrangements. This tool deals with gene duplications, clusters of duplications, annotation errors, segmental duplications and is able to identify small segments, even those that contain a unique gene. Subsequently, we developed Magsimus, a realistic simulator that evolves in silico an artificial genome through chromosomal rearrangements and genic events -- gene duplications, de novo gene births and gene deletions. With this simulator we made an attempt to reproduce evolutions analogous to the real evolution that happened from a common ancestor, that lived 325 million years ago, to the human, the mouse, the dog, the opossum and the chicken. Conserved segments between these species were used to infer a first estimation of the number of rearrangements that occurred along the branches of the species tree. The realism of this initial parameterisation has been quantified by comparing our simulated extant genomes to the real ones. We then used an optimisation process to correct our estimation while we also estimated the shape of a probabilistic distribution of the lengths of inverted segments. At last, with a simple example, we describe why it will be necessary to enforce breakpoints reuses if we want to improve our simulator.

Notre étude porte sur les transporteurs ABC dans les génomes bactériens complets. L'analyse bioinformatique du répertoire de ces systèmes comprend l'identification des partenaires, l'assemblage, la reconstruction des systèmes incomplets, la classification en sous-familles, et l'identification du substrat transporté. Cette thèse propose des outils permettant l'étude de ces problèmes par l'utilisation de méthodes informatiques. Les hypothèses biologiques employées sont que : (i) des gènes voisins sur le chromosome peuvent être impliqués dans un même processus métabolique s'ils ont été conservés au cours de l'évolution, et (ii) des gènes présentant des similarités de séquence peuvent permettre la synthèse de protéines de même fonction. Trois études ont été menées sur le répertoire des transporteurs ABC : * L'exploration du voisinage chromosomique. D'après l'hypothèse selon laquelle plus les gènes conservés dans le voisinage d'un transporteur sont proches, plus leur lien fonctionnel avec le transporteur est fort, on essaye d'identifier le substrat transporté ou des associations de gènes. Ce problème est traité par une méthode de résolution issue des problèmes de satisfaction de contraintes. * La classification. Les transporteurs ABC sont classés par grandes catégories en fonction des molécules qu'ils transportent (sucres, ...). Pour chaque domaine, en représentant les relations d'homologie par un graphe, la recherche des zones de forte densité permet de déterminer des sous-classes de substrat. * La reconstitution des systèmes incomplets. Les transporteurs ABC sont assemblés en utilisant la proximité chromosomique des gènes codant pour les domaines et la compatibilité des sous-familles de domaines. Lorsque la proximité n'est pas respectée, on utilise une stratégie développée à partir d'une méthode d'analyse de graphes pour assembler les domaines et prédire des systèmes actifs. Ces méthodes, en complément de l'identification des partenaires et de l'assemblage, permettent une étude fonctionnelle des transporteurs ABC. Elles pourraient être appliquées à d'autres systèmes biologiques.

Les microsporidies, parasites intracellulaires obligatoires, forment des spores délimitées par une paroi épaisse, qui renferment un appareil invasif original, le tube polaire à l'origine du transfert du matériel infectieux dans une cellule hôte. PTP1 et PTP2, protéines du tube polaire ont été décrites au sein du genre Encephalitozoon. Pour améliorer nos connaissances sur la composition du tube polaire, de nouvelles PTP ont été recherchées. L'identification des protéines PTP1 et PTP2 chez Antonospora locustae a été facilitée par la conservation de l'organisation des gènes (synténie) entre E. cuniculi et A. locustae. L'analyse du protéome d'E. cuniculi a permis d'identifier deux nouvelles PTP conservées chez A. locustae. Des études de co-expression chez E. coli ont montré des interactions entre PTP1 et PTP2. Chez E. hellem, les séquences complètes de 2 protéines localisées au niveau de l'exospore ont été caractérisées. Enfin, des essais de transfection d'E. cuniculi ont été réalisés

Au cours de ces trois dernières années, le génome du chien a bénéficié d'avancées majeures à sa connaissance. Les projets de cartographie et de séquençage de son génome, motivés par le formidable potentiel qu'offre le chien en tant que modèle génétique, ont généré de grandes quantités de données à analyser. Dans ce contexte, mes travaux de thèse se sont d'abord focalisés sur la conception d'outils bioinformatiques d'intégration de plusieurs ressources afin d'évaluer et de comparer les informations issues des projets de cartographie et de séquence du génome du chien. Avec la disponibilité d'un nombre croissant de génomes séquencés, nous avons développé le programme AutoGRAPH pour formaliser la conservation de l'ordre des gènes orthologues entre les génomes mammifères, automatiser la construction de cartes de synténie entre ces génomes et, enfin, faciliter l'annotation du génome du chien. Un première application de notre méthode a permis de redéfinir la localisation d'une centaine de gènes préalablement assignés au chromosome canin non-assemblé ou "chromosome Unknown". Dans un second projet, nous avons combiné notre approche de conservation de l'ordre des gènes entre deux génomes avec des alignements de séquences ciblés afin d'identifier des nouvelles structures de gènes canins codant pour des protéines. À partir d'un ensemble de 412 gènes orthologues entre quatre génomes de référence (homme - chimpanzé - rat - souris) et présumés absents chez le chien, nous identifions 285 nouveaux gènes canins et/ou nouvelles relations d'orthologie avec les génomes de référence. Enfin, différents mécanismes évolutifs sont suggérés mettant en relation la nature des gènes, la présence de famille de gènes et la composition en séquences pour expliquer la perte de gènes chez le chien.

Notre objectif a été d'étudier l'origine et l'évolution du système kisspeptine, un nouvel acteur du contrôle de la reproduction. L'analyse de génomes d'espèces occupant des positions clés dans la classification des vertébrés nous a permis de réévaluer la diversité des kisspeptines (Kiss) ainsi que celle de leurs récepteurs (Kissr). A partir des données obtenues, nous avons pu proposer une nouvelle classification des familles Kiss et Kissr, basée sur des critères phylogénétiques et synténiques. De plus, nous avons montré que la diversité des Kiss, d'une part, et celle des Kissr, d'autre part, résultent des deux événements de duplication génomique (1R et 2R) survenus à la base des vertébrés. Des pertes de gènes ont ensuite diminué le nombre de Kiss et Kissr chez les vertébrés, notamment en annulant l'impact de la 3R, propre aux téléostéens. Nos résultats ont révélé des histoires évolutives complexes ayant conduit à la perte ou à la conservation de Kiss et Kissr différents selon les lignées de vertébrés. Afin d'aborder les mécanismes évolutifs qui ont pu mener à la conservation de plusieurs Kiss et Kissr chez un même organisme, nous nous sommes intéressés à l'anguille européenne qui possède, comme nous l'avons montré, deux Kiss et trois Kissr. L'étude de ce modèle a apporté un éclairage nouveau sur la fonctionnalité de ce système chez les vertébrés, avec la découverte d'un effet inhibiteur sur l'expression de la LHβ hypophysaire, alors que certains composants du système pourraient avoir un rôle stimulateur classique sur la GnRH cérébrale. Cette thèse a permis d'illustrer la complexité du système kisspeptine, tout en clarifiant sa classification et son histoire évolutive

Les cultivars modernes de canne à sont de hauts polyploïdes, aneuploïdes issus de croisements interspécifiques entre deux espèces polyploïdes, une espèce sucrée domestiquée Saccharum officinarum et une espèce sauvage Saccharum spontaneum. Le gène majeur de résistance durable à la rouille brune, Bru1 a été identifié chez le cultivar de canne à sucre R570. Une approche de clonage positionnel de ce gène a été entreprise et a permis de construire une première carte physique. Elle comprend sept haplotype hom(é)ologues dont un correspond à l'haplotype cible porteur du gène Bru1 qui comprend sept clones BAC qui ne se chevauchent que partiellement laissant deux espaces non couverts. Il a été montré que cette situation résulte de la présence d'une insertion dans l'haplotype porteur de Bru1. Pour combler les deux espaces présents sur l'haplotype cible, deux stratégies utilisant l'annotation des BAC ont été employées : (i) une se basant sur la conservation des gènes existante entre les différents haplotypes hom(é)ologues de la région de Bru1 et (ii) une en utilisant des marqueurs flanquants les deux espaces. Ces stratégies no us ont permis de combler un des deux espaces, de couvrir partiellement le deuxième espace et de montrer que le gène de résistance se situerait dans l'insertion. Nous avons identifié un gène candidat correspondant à une Sérine/Thréonine kinase située dans l'insertion. Des tests d'expression ont été effectués en condition normale afin de vérifier si ce gène est exprimé mais aucune amplification n'a été obtenue. Parallèlement, la recherche de l'origine de l'insertion présente sur l'haplotype cible a été entreprise en retraçant son origine dans la généalogie de notre cultivar d'étude R570 et en criblant une banque de clones de Saccharum contenant différentes espèces de canne à sucre. Les résultats sur la généalogie tendent à nous dire que cette insertion est ancienne et aurait été transmise à R570 via S. barberi. / Modern sugarcane cultivars are high polyploids, aneuploids derived interspecific crosses between two polyploid species, domesticated sugar species Saccharum officinarum and a wild species Saccharum spontaneum. The major gene for sustainable resistance to brown rust, Bru1 was identified in the modern cultivar R570. An map-based approach has been undertaken and has built a first physical map. It includes seven haplotype hom(e)ologous which one corresponds to the haplotype carrying Bru1 which includes seven BACs that overlap only partially, including two gaps. It was shown that this situation results from the presence of an insertion in the target haplotype. To fill the two gaps, two strategies using the annotation of BACs were used: (i) Based on the good genes conservation between haplotypes hom(e)ologous and (ii) by using markers flanking the two gaps. These strategies have enabled us to fill one of two gaps, partially cover the second and show that the resistance gene would be in the insertion. We identified a candidate gene corresponding to a serine/threonine kinase located in the insertion. Expression tests were performed in normal condition to see if this gene is expressed but no amplification was obtained. Meanwhile, the search for the origin of the insertion present on the target haplotype was undertaken by tracing its origin in the genealogy of R570 and analysing a library of clones of Saccharum spp containing different types of cane sugar. Results on the genealogy we tend to say that this insertion is old and were sent to R570 via S. barberi.

Les Poaceae aussi appelées Graminées forment une importante famille botanique regroupant près de 12 000 espèces en plus de 700 genres dont les céréales. Cette famille présente un intérêt économique majeur car elle est importante dans la nutrition humaine et animale. De ce fait, cette famille a été très étudiée en génomique comparée depuis les années 1990 révélant une grande conservation de la structure de leur génome depuis leur divergence d’un ancêtre commun. Avec le séquençage de Brachypodium distachyon en 2009, nous avons réalisé l’analyse de son génome par l’identification de douze blocs de synténie avec les génomes séquencés du riz, du sorgho et du maïs ainsi que sept blocs de duplications partagées entre ces graminées. Ces données nous ont permis de suggérer que les cinq chromosomes modernes de Brachypodium sont issus de l’ancêtre commun des graminées constitué de douze chromosomes et ayant subi sept fusions au cours de l’évolution. Ces travaux nous ont permis de confirmer un possible génome ancêtre des graminées constitué de cinq chromosomes porteurs de près de 10 000 gènes et d’une taille minimale de près de 35Mb. Ensuite, sur la base des résultats de génomique comparée, nous nous sommes intéressés à l’évolution des différentes familles de micro-ARN (miARN). La comparaison de ces ARN non-codants réalisée pour le riz, le sorgho, le maïs et Brachypodium montre une conservation de cette famille chez les graminées avec 50% d’orthologues et 20% de paralogues. Sur la base des résultats de paléogénomique, nous avons proposé une modélisation de l’évolution des miARN qui corrobore l’hypothèse d’une origine très ancienne de ce mécanisme de « gene silencing ». Au-delà des nouvelles connaissances fondamentales générées au cours de ce travail de thèse sur l’évolution des génomes de graminées, les résultats que nous avons obtenus ont des applications potentielles dans le domaine de l’amélioration variétale, comme avec par exemple la possibilité de définir des marqueurs moléculaires de type COS (Conserved Orthologous Set). Ces marqueurs COS ont été mis en oeuvre pour l’étude de caractères agronomiques d’intérêt dans des espèces dont le génome n’est pas encore complètement séquencé comme le blé. / Poaceae also called Grasses are an important botanical family consisting in nearly 12,000 species in over 700 genres including cereals. This family is of major economic interest because it comprises cereals that are among the most important crops for human and animal nutrition. This family has been extensively studied in comparative genomics since the 1990s and showed a high degree of gene conservation among species since they diverged from a common ancestor. With the sequencing of Brachypodium distachyon in 2009, we performed an analysis of its genome by the identification of twelve synteny blocks with the sequenced genomes of rice, sorghum and maize and seven duplications blocks shared with these last grass species. These data allowed us to suggest the five chromosomes of Brachypodium are from the common ancestor composed of twelve chromosomes and having undergone seven fusions during the evolution. This work allowed us to confirm a possible grass ancestor with five chromosomes carrying almost 10,000 genes with a size of 35Mb. Then, based on these comparative genomics results, we studied more particularly the evolution of different families of microRNAs (miRNAs). The comparison of non-coding RNA from rice, sorghum, maize and Brachypodium showed conservation into this family for the grass species with 50% of orthologs and 20% of paralogs. Based on the paleogenomics results, we proposed an evolutionary scenario of miRNA genes, which supports the hypothesis of an ancient origin of this gene silencing mechanism in plants. Beyond the fundamental knowledge generated on the evolution of grass genomes during this PhD, these results have potential applications in breeding, for example with the possibility to identify COS (Conserved Orthologous Set) molecular markers. Such COS markers have been used for the study of agronomic traits in species not completely sequenced as wheat.

L’inférence de génomes ancestraux est une étape essentielle pour l’étude de l’évolution des génomes. Connaissant les génomes d’espèces éteintes, on peut proposer des mécanismes biologiques expliquant les divergences entre les génomes des espèces modernes. Diverses méthodes visant à résoudre ce problème existent, se classant parmis deux grandes catégories : les méthodes de distance et les méthodes de synténie. L’état de l’art des distances génomiques ne permettant qu’un certain répertoire de réarrangements pour le moment, les méthodes de synténie sont donc plus appropriées en pratique. Nous proposons une méthode de synténie pour la reconstruction de génomes ancestraux basée sur une définition relaxée d’adjacences de gènes, permettant un contenu en gène inégal dans les génomes modernes causé par des pertes de gènes de même que des duplications de génomes entiers (DGE). Des simulations sont effectuées, démontrant une capacité de former une solution assemblée en un nombre réduit de régions ancestrales contigües par rapport à d’autres méthodes tout en gardant une bonne fiabilité. Des applications sur des données de levures et de plantes céréalières montrent des résultats en accord avec d’autres publications, notamment la présence de fusion imbriquée de chromosomes pendant l’évolution des céréales. / Ancestral genome inference is a decisive step for studying genome evolution. Knowing genomes from extinct species, one can propose biological mecanisms explaining divergences between extant species genomes. Various methods classified in two categories have been developped : distance based methods and synteny based methods. The state of the art of distance based methods only permit a certain repertoire of genomic rearrangements, thus synteny based methods are more appropriate in practice for the time being. We propose a synteny method for ancestral genome reconstruction based on a relaxed defenition of gene adjacencies, permitting unequal gene content in extant genomes caused by gene losses and whole genome duplications (WGD). Simulations results demonstrate our method’s ability to form a more assembled solution rather than a collection of contiguous ancestral regions (CAR) with respect to other methods, while maintaining a good reliability. Applications on data sets from yeasts and cereal species show results agreeing with other publications, notably the existence of nested chromosome fusion during the evolution of cereals.

Les réarrangements chromosomiques sont des mutations qui modifient la structure et l'organisation des génomes. Ils sont ici étudiés dans le cadre de l'évolution des génomes de mammifères. L'objectif de ces travaux est de caractériser les régions du génome qui ont subi de tels évènements; elles sont appelées des points de cassure. Dans un premier temps, nous avons développé une méthode permettant d'identifier précisément ces régions sur un génome par comparaison avec un génome d'espèce différente. Nous montrons qu'elle améliore nettement la résolution par rapport aux méthodes existantes. Cela permet, dans un deuxième temps, d'analyser le contenu des séquences de points de cassure et leur répartition le long du génome. Plusieurs caractéristiques de séquences ont ainsi été identifiées dans les points de cassure chez l'homme, comme la perte de similarité avec les génomes comparés et la présence de duplications et d'éléments transposables. Enfin, nous montrons que les points de cassure ne sont pas répartis uniformément le long du génome, mais leur localisation serait fortement influencée par l'organisation des gènes et la structuration du génome en isochores.

La connaissance de la diversité génétique de R. solanacearum autant que la connaissance du déterminisme génétique de la résistance sont importantes pour établir une stratégie de lutte contre cette bactérie ubiquiste. Elles permettent de choisir et d'orienter des méthodes de lutte et le développement d'outils de contrôle de quarantaine adaptés. Dans un contexte scientifique de plus en plus tourné en génétique par l'approche plante modèle et dans lequel les Solanacées occupent la place de plante pionnière d'une part, et d'autre part par l'émergence de contournement des résistances liées à la grande diversité génotypique et phénotypique de R. solanacearum (au point où on parle ici de complexe d'espèce), l'objectif de cette thèse est de contribuer à établir les bases d'un programme d'amélioration des Solanacées contre cette phytobactériose majeure au Cameroun. En recourant à une approche moléculaire, notamment la méthode de caractérisation phylophasique qui décrit la diversité génétique des souches de R. solanacearum en quatre phylotypes et séquevars, nous avons révélé l'existence de trois phylotypes dans ce pays d'Afrique dont la diversité agro-climatique lui vaut le surnom d'" Afrique en miniature ". Ces phylotopes sont le I (Asiaticum), II (Americanum) et III (Africanum). Les souches du phylotype III du Cameroun se sont révélées génétiquement distinctes des souches africaines de référence originaires du Zimbabwe et de l'Océan Indien. Les souches isolées sur pomme de terre dans les hauts plateaux de l'Ouest du Cameroun se classent dans les deux phylotypes, à savoir le II (r3-bv2) et le III. Ces souches du phylotype II et III des hauts plateaux de l'Ouest infectent aussi bien la pomme de terre que la tomate, et pourraient constituer une menace économique pour ces cultures dans cette région. Dans cette étude, les souches du phylotype I émergent en zone forestière humide comme une contrainte majeure à la culture des Solanacées. Ce constat a orienté le choix d'une souche de ce phylotype (CMR143) dans les travaux de la cartographie génétique de la résistance chez le piment. Pour ce faire, deux géniteurs de résistance différents CM334 et PM687 ont été considérés. Ces études génétiques ont montré une forte héritabilité de la résistance au flétrissement bactérien chez le piment. La détection de QTL par analyse de variance (ANOVA), par cartographie d'intervalle, simple (SIM) et composite (CIM), ont révélé l'existence de 3 à 6 QTLs et d'interactions digéniques dans le contrôle de la résistance du piment au flétrissement bactérien. Ces résultats confirment le caractère oligogénique de la résistance du piment au flétrissement bactérien. En mettant ensemble ces QTLs et ces interactions digéniques, 47 à 64 % de la variance phénotypique sont expliqués selon le caractère de résistance considéré. Par ailleurs, il est montré que la résistance du piment au flétrissement bactérien est fortement associée à la limitation de l'envahissement de la tige par la bactérie. De plus, cette étude a mis en évidence le caractère phylotype-spécifique de la résistance, car seulement 33% de facteurs génétiques contribuent au contrôle du flétrissement bactérien lors de tests avec le phylotype 2. La localisation de ces derniers permet de conclure en validant partiellement l'hypothèse de synténie entre la tomate et le piment.