Les mutations constituent une des principales sources de variation sur lesquelles agit la sélection naturelle, permettant ainsi l'évolution des organismes vivants. Comprendre la dynamique d'accumulation des mutations, ainsi que les biais pouvant influer leur apparition, est donc indispensable pour mieux appréhender les processus évolutifs. Dans cette thèse, j'ai exploré ces deux aspects dans un contexte évolutif.Dans une première partie, je me suis intéressée à la dynamique des taux de mutation au cours du temps évolutif. En effet, les mutations pouvant être bénéfiques, neutres ou délétères, la dynamique des taux de mutation est régie par deux forces opposées que sont l'adaptabilité (la capacité à évoluer) et la stabilité du génome. Cette dynamique a été très étudiée de façon théorique, mais les études expérimentales sont plus limitées, et surtout à des périodes de temps courtes.Dans une seconde partie, je me suis intéressée aux biais mutationnels. En effet, de précédentes études ont montré que les taux de mutation pouvaient varier au sein d'un même génome. Ainsi, certaines mutations peuvent se produire de façon plus fréquente que d'autres, le taux de mutation d'un nucléotide pouvant par exemple être influencé par les nucléotides avoisinants.Ces analyses ont été réalisées dans le contexte de l'expérience d'évolution à long terme initiée en 1988 par Richard Lenski (Michigan State University, USA). Douze populations ont été initiées à partir d'un ancêtre commun Escherichia coli et sont propagées depuis plus de 25 ans par repiquages quotidiens dans un milieu frais. Des échantillons ont été prélevés et le génome de clones évolués séquencé à différents temps, permettant une étude phénotypique et génomique des taux de mutations sur plus de 50 000 générations.J'ai ainsi pu mettre en évidence une dynamique importante des taux de mutation, avec l'émergence de génotypes hypermutateurs suivie de phénomènes de compensation multiples. D'autre part, j'ai pu observer des biais mutationnels importants dont l'impact des nucléotides avoisinant les mutations silencieuses dans les populations. / Mutations are the ultimate source of variation that allow living organisms to adapt through natural selection. Understanding the dynamics of mutation accumulation and how they are biased stands as a keystone to understand evolutionary processes. In this work, I explored these two aspects of mutation accumulation in an evolutionary framework.First, I studied the dynamics of mutation rates over evolutionary time. As mutations may be beneficial, neutral or deleterious, the dynamics of mutation rates will be a function of two opposite driving forces: evolvability or the ability to evolve and genome stability. The resulting dynamics has been widely studied theoretically but experimental studies are scarce and mostly limited to short periods of time.Second, I focused on mutational biases. Previous studies showed that mutation rates might vary within given genomes, as a function for example of both their localization and neighboring nucleotides.All studies from this Ph.D thesis were performed in the context of the long-term evolution experiment which has been started in 1988 by Richard Lenski (Michigan State University, USA). Twelve populations were initiated from a common ancestor strain of Escherichia coli and have been propagated ever since for more than 25 years by daily transfers in fresh medium. Samples were collected and genomes of evolved clones were sequenced at regular time point intervals, allowing both the phenotypic and genomic studies of the mutation rate for more than 50,000 generations.In this study, I showed that mutation rates are highly dynamic: the emergence of hypermutator genotypes is followed by multiple compensation events. I also observed large mutational biases, including the impact of the neighboring nucleotides on resulting aminoacid changes.

Le sujet de cette thèse est la dynamique des populations. Nous en étudions les caractéristiques en absence ou en présence d'une structure spatiale, et cela se reproduit dans la subdivision du manuscrit en deux parties. Dans la première, où nous considérons la compétition comme se manifestant entre tous les individus en même temps, nous prouvons qu'une condition de bilan détaillé est vérifiée dans des différents régimes d'évolution (et non seulement dans le cas de successional-mutations). On montre que la dynamique adaptative d'une population présente nombreux aspects en commun avec la dynamique vitreuse hors-équilibre, le rôle de la température étant joué par la dimension de la population. Des nombreuses applications d'une telle analogie sont suggérées. Dans la suite, nous considérons l'évolution de populations monomorphes interagissants. Nous montrons comment le couplage génère une séparation des échelles temporales d'adaptation, et il est possible qu'une hiérarchie soit crée selon les degrés d'adaptation des populations. Dans le cas de populations en compétition dans l'espace, la dynamique évolutive est fortement modifiée par la localité des interactions. Les mécanismes de sélection sont moins efficaces pour ce qui est de favoriser la fixation du phénotype mieux adapté. Nous montrons de façon quantitative comment un taux de mutation plus élevé occasionne un désavantage évolutif, car la présence de mutants ralentit la croissance spatiale d'une population. On montre que, si le taux de mutation est variable, la sélection favorise non seulement un taux de reproduction élevé, mais aussi un taux de mutation réduit. / The subject of this thesis is population dynamics. We study its characteristics in the absence or in presence of a spatial structure, and this is reproduced in the subdivision of the manuscript into two parts. In the first, where we consider the competition as concerning all the individuals at the same time, we prove that a detailed balance condition holds in different regimes of evolution (and not only in the case of successional-mutations) . We show that the adaptive dynamics of a population has several aspects in common with out of equilibrium glassy dynamics, the role of the temperature being played by the size of the population. Several applications of such an analogy are suggested. Later, we consider the evolution of monomorphic interacting populations. We show how the presence of a coupling engenders a separation of the adaptative time-scales, and it is possible that a hierarchy is created, according to the degrees of adaptation of populations.In the case of competing populations in space, the evolutionary dynamics is strongly modified by locality interactions. Selection mechanisms are less effective in promoting the fixation of the fittest phenotype. We show quantitatively how a higher mutation rate constitutes an evolutionary disadvantage, because the presence of mutants slows down the spatial growth of a population. It is shown that if the mutation rate is variable, selection promotes not only a high rate of reproduction, but also a reduced mutation rate.

Les mutations sont la principale source de diversité sur laquelle agit la sélection pour permettre aux espèces de s'adapter. Les études de l'effet des mutations sur la survie et du taux de mutation sont donc essentielles pour mieux comprendre l'évolution. Par une approche d'expérience d'accumulation de mutations, nous étudions ces deux questions chez cinq modèles d'algues vertes (Ostreococcus tauri, O. mediterraneus, Bathycoccus prasinos, Micromonas pusilla, et Picochlorum RCC4223). Il est mis en évidence une diminution de la fitness au cours du temps en raison des mutations délétères, et une importante interaction génotype-environnement sur l'effet des mutations. Le taux de mutation varie aux échelles intra-génomique et inter-spécifique, avec deux principaux résultats: une augmentation du taux de mutation dans les régions non codantes et une augmentation du taux de mutation avec la taille du génome chez les eucaryotes et en fonction de l'écart à l'équilibre en GC du génome. Aussi, l'assemblage et l'annotation d'une picoalgue du genre Picochlorum permettent d'étudier le rôle des transferts horizontaux de gènes chez les Chlorophytes. / Mutations are the main source of diversity on which selection acts to allow species to adapt. Studies of the effect of mutations on survival and estimation of spontaneous mutation rates are essential to better understand evolution. Using mutation accumulation experimental approach, we investigated the issues of mutation effects and mutation rate in five models of green algae (Ostreococcus tauri, O. mediterraneus, Bathycoccus Prasinos, Micromonas pusilla, and Picochlorum RCC4223). It highlighted a decline in fitness over time because of deleterious mutations, and a significant genotype-environment interaction on the fitness effect of mutations. The mutation rate varies at inter-specific and intra-genomic scales, with two main results: a raise of the mutation rate in non-coding regions in accordance with trancriptional-coupled repair, and an increase of the mutation rate with an increase of the genome size in eukaryotes and the GC content deviation from the equilibrium. Also, a new Picochlorum genome is provided to investigate the role of horizontal gene transfer in the Chlorophyta group.

Chez les plantes et les mammifères, la méthylation de l’ADN est une modification chromatinienne qui joue un rôle pivot dans le maintien de l’intégrité des génomes, notamment au travers de l’extinction épigénétique des éléments transposables (ET). Cependant, dans la mesure où la désamination spontanée des cytosines méthylées, qui peut conduire à des transitions C>T, est plus fréquente que celle des cytosines non méthylées, la méthylation est également intrinsèquement mutagène. Cette mutabilité accrue est de fait très certainement à l’origine de la déplétion en dinucléotides CpG observée dans les génomes de mammifères, naturellement méthylés à ces sites sauf au sein des «îlots CpG». A l’exception de cet effet bien connu, aucune étude à ce jour n’a exploré directement et de façon exhaustive l’impact de la méthylation sur le spectre des mutations spontanées. Dans ce travail, je tire profit d’une population de lignées epiRIL (epigenetic recombinant inbred lines) établie chez la plante Arabidopsis pour évaluer à l’échelle du génome l’impact de la méthylation de l’ADN sur le paysage mutationnel. Les epiRILs dérivent du croisement entre deux parents quasi- isogéniques, l’un sauvage et l’autre porteur d’une mutation conduisant à une réduction de 70% de la méthylation du génome, et il a pu être mis en évidence que des différences parentales de méthylation pouvaient être héritées de façon stable pour >1000 régions le long du génome. Au moyen de données de séquençage disponibles pour >100 epiRIL, j’ai effectué la caractérisation exhaustive des variants ADN (autres qu’ET) uniques à chaque lignée mais également en ségrégation parmi les epiRIL, ce qui constitue à terme une ressource pour les différentes équipes qui utilisent cette population. En analysant le patron de variants uniques, j’ai mis en évidence une réduction spécifique du taux de transitions C>T en lien avec l’hypométhylation stable dans les epiRIL. J’ai aussi pu décrire que si la remobilisation extensive des ET dans cette population a modelé le spectre des insertions et délétions ponctuelles, elle ne se traduit pas pour autant par des réarrangements récurrents. Je présente également les développements méthodologiques mis en place afin d’effectuer la caractérisation de QTL (quantitative trait loci) “épigénétiques” préalablement identifiés dans la population. / In both plants and mammals, DNA methylation plays a pivotal role in ensuring proper genome function and integrity, notably through the epigenetic silencing of transposable elements (TEs). However, as spontaneous deamination of 5- methylcytosine (5mC), which can lead to C>T transitions, is more frequent than that of unmethylated C, DNA methylation is also inherently mutagenic. This higher mutability of 5mC has indeed been proposed to explain the depletion in CpG dinucleotides in mammalian genomes, which are typically methylated at these sites except in socalled CpG islands. Despite this well-characterized effect of DNA methylation, we still lack a comprehensive view of its impact on the whole mutation spectrum in any given organism. Here, I take advantage of a population of so-called epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) established in the flowering plant Arabidopsis thaliana to investigate the impact of DNA methylation on the spectrum of spontaneous mutations genome wide. The epiRIL population derives from a cross between a wild-type individual and a near-isogenic mutation deficient in DNA methylation, and it could be shown that parental differences in DNA methylation are stably inherited for at least 8 generations over >1000 regions across the genome. Building on whole-genome sequencing data available for >100 epiRILs, I performed a thorough characterization of non- TE DNA sequence variants that are either private to one line or segregating in the population, therefore establishing a resource for research groups that make use of the epiRIL population. Based on the pattern of private variants, I show a specific reduction in the rate of C>T transitions in the epiRILs, in line with the heritable hypomethylation in this population. I also describe that the extensive TE remobilisation at play among the epiRILs shapes the spectrum of short insertions and deletions yet does not translate into recurrent large-scale mutation events. On another note, I also present methodological developments aimed towards the identification of causal (epi)variants underlying so-called “epigenetic QTL” (quantitative trait loci) previously described in the epiRIL population.

Le génome de la levure de boulanger Saccharomyces cerevisiae a évolué à partir d'un ancêtre chez lequel une profonde décompaction du génome s'est produite à la suite de la perte de la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3, il y a environ 300 millions d'années. Il a été proposé que cette décompaction du génome a entraîné une capacité accrue des levures à évoluer par des mécanismes impliquant des taux de recombinaison méiotique et de mutation exceptionnellement élevés. La capacité à évoluer accrue qui en résulte pourrait avoir permis des adaptations uniques, qui en ont fait un eucaryote modèle idéal et un outil biotechnologique. Dans cette thèse, je présenterai deux exemples de la façon dont les adaptations locales et globales du génome se reflètent dans les changements des propriétés mécaniques de la chromatine qui, à leur tour, indiquent un phénomène de séparation de phase causée par les modifications post-traductionnelles des histones et des changements dans les taux d'échange des histones. Dans un premier manuscrit, je présente des preuves d'un mécanisme par lequel la relocalisation du locus INO1, gène actif répondant à la déplétion en inositol, du nucléoplasme vers l'enveloppe nucléaire, augmente la vitesse d'adaptation et la robustesse métabolique aux ressources fluctuantes, en augmentant le transport des ARNm vers le cytosol et leur traduction. La répartition d'INO1 vers l'enveloppe nucléaire est déterminée par une augmentation locale des taux d'échange d'histones, ce qui entraîne sa séparation de phase du nucléoplasme en une phase de faible densité plus proche de la périphérie nucléaire. J'ai quantifié les propriétés mécaniques de la chromatine du locus du gène dans les états réprimé et actif en analysant le déplacement de 128 sites LacO fusionnés au gène liant LacI-GFP en calculant diffèrent paramètres tel que la constante de ressort effective et le rayons de confinement du locus. De plus, j'ai mesuré l'amplitude et le taux d'expansion en fonction du temps du réseau LacO et j'ai observé une diminution significative du locus à l'état actif, ce qui est cohérent avec le comportement de ressort entropique de la chromatine décompactée. J'ai montré que les séquences d'éléments en cis dans le promoteur du locus, essentielles à la séparation de phase, sont des sites de liaison pour les complexes de remodelage de la chromatine effectuant l'acétylation des histones. Ces modifications de la chromatine entraînent une augmentation des taux d'échanges des sous-unités des complexes d'histones, et une séparation de phase locale de la chromatine. Enfin, je présente l’analyse de simulations in silico qui montrent que la séparation de phase locale de la chromatine peut être prédite à partir d'un modèle de formation/disruption des interactions multivalentes protéine-protéine et protéine-ADN qui entraîne une diminution de la dynamique de l'ADN. Ces résultats suggèrent un mécanisme général permettant de contrôler la formation rapide des domaines de la chromatine, bien que les processus spécifiques contribuant à la diminution de la dynamique de l'ADN restent à étudier. Dans un second manuscrit, je décris comment nous avons induit la « retro-évolution » de la levure en réintroduisant la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 par l'expression de deux gènes de la levure Schizosaccaromyces pombe Spswi6 et Spclr4. Le mutant résultant présente une augmentation de la compaction de la chromatine, ce qui entraîne une réduction remarquable des taux de mutation et de recombinaison. Ces résultats suggèrent que la perte de la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 pourrait avoir augmenté la capacité à l'évoluer. La stabilité inhabituelle du génome conférée par ces mutations pourrait être utile pour l'ingénierie métabolique de S. cerevisiae, dans laquelle il est difficile de maintenir des gènes exogènes intégrés pour les applications de nombreux processus biotechnologiques courants tels que la production de vin, de bière, de pain et de biocarburants. Ces résultats soulignent l'influence des propriétés physiques d'un génome sur son architecture et sa fonction globales. / The genome of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae evolved from an ancestor in which a profound genome decompaction occurred as the result of the loss of histone H3 lysine 9 methylation, approximately 300 million years ago. This decompaction may have resulted in an increased capacity of yeasts to evolve by mechanisms that include unusually high meiotic recombination and mutation rates. Resultant increased evolvability may have enabled unique adaptations, which have made it an ideal model eukaryote and biotechnological tool. In this thesis I will present two examples of how local and global genome adaptations are reflected in changes in the mechanical properties of chromatin. In a first manuscript, I present evidence for a mechanism by which partitioning of the active inositol depletion-responsive gene locus INO1 from nucleoplasm to the nuclear envelope increases the speed of adaptation and metabolic robustness to fluctuating resources, by increasing mRNA transport to the cytosol and their translation. Partitioning of INO1 to the nuclear envelope is driven by a local increase in histone exchange rates, resulting in its phase separation from the nucleoplasm into a low-density phase closer to the nuclear periphery. I quantified the mechanical properties of the gene locus chromatin in repressed and active states by monitoring mean-squared displacement of an array of 128 LacO sites fused to the gene binding LacI-GFP and calculating effective spring constants and radii of confinement of the array. Furthermore, I measured amplitude and rate of time-dependent expansion of the LacO array, and observed a significant decrease for the active-state locus which is consistent with entropic spring behavior of decompacted chromatin. I showed that cis element sequences in the promoter and upstream of the locus that are essential to phase separation are binding sites for chromatin remodeling complexes that perform histone acetylation among other modifications that result in increased histone complex exchange rates, and consequent local chromatin phase separation. Finally, I present analytical simulations that show that local phase separation of chromatin can be predicted from a model of formation/disruption of multivalent protein-protein and protein-DNA interactions that results in decreased DNA dynamics. These results suggest a general mechanism to control rapid formation of chromatin domains, although the specific processes contributing to the decreased DNA dynamics remain to be investigated. In a second manuscript, I describe how we retro-evolutionarily engineered yeast by reintroducing histone H3 lysine 9 methylation through the expression of two genes from the yeast Schizosaccaromyces pombe Spswi6 and Spclr4. This mutant shows an increase in compaction, resulting in remarkable reduced mutation and recombination rates. These results suggest that loss of histone H3 lysine 9 methylation may have increased evolvability. The unusual genome stability imparted by these mutations could be of value to metabolically engineering S. cerevisiae, in which it is difficult to maintain integrated exogenous genes for applications for many common biotechnological processes such as wine, beer, bread, and biofuels production. These results highlight the influence of the physical properties of a genome on its overall architecture and function.