Les protéines sont des molécules flexibles, qui accomplissent une variété de tâches cellulaires à travers des mouvements mécaniques et des changements conformationnels encodés dans leur structure tridimensionnelle. Parmi les approches théoriques qui contribuent à une meilleure compréhension de la relation entre structure, mécanique, dynamique et fonction des protéines, les modèles gros-grains sont un outil très puissant. Ils permettent d’intégrer des informations structurales et dynamiques à un coût computationnel réduit, car le traitement explicite des degrés de liberté moins importants est supprimé. Dans le cadre de cette thèse, des études comparatives rapides de la flexibilité et de la mécanique des protéines ont été menées en se servant du simple modèle gros-grains de Réseau Élastique. La dépendance des résultats de la conformation de départ, ainsi que une liberté dynamique de la chaine principale plutôt limitée, imposée par l’approximation harmonique, nous ont motivé à développer une nouvelle approche, permettant une exploration plus extensive de l’espace conformationnel. Les efforts ont conduit à PaLaCe, modèle gros-grains qui permet des changements majeurs de la structure secondaire, tout en gardant la spécificité de la séquence des acides aminés grâce à une représentation à basse résolution. En utilisant PaLaCe nous avons simulé deux processus impliquant la plasticité protéique: le dépliement du domaine I27 de la protéine musculaire titine et la dynamique à l’équilibre autour de la structure native de deux enzymes homologues adaptées à des températures différentes. Les résultats obtenus concordent avec les données expérimentales et les résultats issus de modèles tout-atom déjà publiés. PaLaCe s’avère donc être un modèle fiable, avec des temps de calcul restreints par rapport aux modèles tout-atome, tout en conservant un bon niveau de détail. Il offre ainsi la possibilité d’effectuer une recherche systématique sur les liens entre mécanique, dynamique et fonction des protéines / Proteins are flexible molecules, which accomplish a variety of cellular tasks through mechanical motions and conformational fluctuations encoded in their three-dimensional structure. Amongst the theoretical approaches contributing to a better understanding of the relationship between protein structure, mechanics, dynamics and function, coarse-grain models are a powerful tool. They can be used to integrate structural and dynamic information over broad time and size scales at a low computational cost, achieved by averaging out the less important degrees of freedom. In this work, fast comparative studies of protein flexibility and mechanics have been performed with the simple coarse-grain Elastic Network Model. However, the dependency of the results on the starting conformation, and the rather constrained backbone dynamics imposed by the harmonic approximation, motivated the development of a new approach, for a more extensive exploration of conformational space. These efforts led to the PaLaCe model, designed to allow significant changes in secondary structure, while maintaining residue specificity despite a lower-level resolution. Using PaLaCe, we were able to reproduce two processes involving protein plasticity: the mechanical unfolding of the I27 domain of the giant muscle protein titin and the near-native dynamics of two homologous enzymes adapted to work at different temperatures. Agreement with experimental data and results from published atomistic models demonstrate that PaLaCe is a reliable, sufficiently accurate, but computationally inexpensive approach. It therefore opens the doors for a systematic investigation of the link between protein dynamics/mechanics and function

Die Bedeutung ökologischer Faktoren bei der Entstehung phänotypischer sowie genetischer Vielfalt durch natürliche Selektion, besonders bei sympatrischer Artbildung, ist derzeit ein Fokus der Evolutionsforschung. Gemeinsam vorkommende und nah verwandte Arten werden daher als Modellorganismen verwendet, um die Ursachen und Mechanismen ökologischer und evolutionärer Diversifizierung zu untersuchen. Ein sympatrisches Fisch-Artenpaar, für das eine sympatrische Artbildung auf Basis genetischer Analysen vermutet wird, existiert im norddeutschen Stechlinsee. Die zwei Maränenarten sind morphologisch kaum zu unterscheiden, zeigen eine ähnliche Nahrungszusammensetzung und kommen gemeinsam im Freiwasser, allerdings in leicht unterschiedlichen Wassertiefen, vor. Die Hypothese meiner Arbeit war, dass sich die Physiologie bzw. das Verhalten der Arten in Bezug auf die wichtigsten Umweltfaktoren ihres Lebensraumes, Futterdichte, Lichtintensität und Wassertemperatur unterscheiden. Daher haben wir Fraßeffizienz, Stoffwechselraten und Temperaturpräferenzen in Abhängigkeit dieser Faktoren bei beiden Arten untersucht, nachdem diese zuvor unter identischen Laborbedingungen herangezogen wurden. Wir fanden keinen Unterschied in der Fraßeffizienz, allerdings zeigten beide Arten je nach Temperatur unterschiedliche Stoffwechselraten sowie entsprechende Unterschiede in der Temperaturpräferenz. Die Ergebnisse legen nahe, dass temperaturbedingte physiologische Anpassungen sowie die Nutzung unterschiedlicher thermischer Mikrohabitate die zwischenartliche Konkurrenz verringern und eine gemeinsame Existenz ermöglichen. Um die mögliche Bedeutung einer solchen öko-physiologischen Spezialisierung für die Artbildung innerhalb des Sees einschätzen zu können, haben wir basierend auf den Freiland- und Labordaten ein mathematisches Evolutionsmodell entwickelt. Demnach ist ein Aufspalten einer Ausgangspopulation in zwei Populationen mit unterschiedlichen Temperaturoptima wahrscheinlich. Eine ökologische und evolutionäre Diversifizierung entlang des Temperaturgradienten ist somit ein empirisch und theoretisch plausibles Szenario für die sympatrische Artbildung der Stechlinsee-Maränen. / Abstract The role of ecological factors in generating phenotypic and genetic diversity through natural selection has received increasing attention in evolutionary biology during the last decade, especially with respect to diversification in sympatry. Sympatrically occurring and closely related species are used as model systems to study the causes and mechanisms of ecological and evolutionary diversification. A sympatric species pair of coregonid fish, for which a speciation in sympatry has been suggested based on genetic analyses, coexists in the German Lake Stechlin. The two species are morphologically similar planktivores with weak divergence in diet composition that co-occur within the pelagic area of the lake at slightly different water depths. Accordingly, it was hypothesized that the species would differ in physiology and behaviour with respect to the most important environmental factors of their natural habitat, food density, light intensity and water temperature. We studied the feeding efficiencies, metabolic rates, and temperature preferences of both species previously hatched and raised under identical laboratory conditions. We found no divergence in feeding efficiency, but significant differences in temperature-related metabolic costs as well as a corresponding difference in thermal preference. These results suggest that temperature-related physiological adaptations and the associated use of slightly different thermal microhabitats reduces exploitative competition between the species and facilitates their coexistence. To evaluate a potential role of this eco-physiological specialization for a speciation in sympatry, we developed a mathematical evolutionary model, based on our field observations and laboratory experiments. The model showed that an evolutionary splitting of an ancestral into two coexisting populations with different temperature optima is likely in this system. In conclusion, an eco-physiological and evolutionary diversification along the temperature-depth gradient of the lake is an empirically and theoretically plausible scenario for the sympatric speciation of the coregonids.

Temperature is a ubiquitous force influencing biological processes ranging from cellular responses to life span. The thermal environment for many organisms is predicted to change with globally increasing temperatures and studies conducted in natural systems incorporating various evolutionary forces, such as gene flow, is needed. In my thesis, I investigate how snails (Radix balthica) originating from distinct geothermal environments within Lake Mývatn in northern Iceland have adapted, both genetically and phenotypically, to the respective thermal regime. Locations were classified as either cold, warm or seasonal depending on the average and variance in temperature. A high resolution spatial distribution of genetic variation within Mývatn was obtained using both neutral and outlier AFLPs. In addition, the genetic profile enabled me identify warm origin snails irrespective of geographic location in Iceland. Warm environments were often more stressful than cold or seasonal environments but snails originating from a high temperature location benefited from increased performance elsewhere. Patterns of growth were identical in both common garden and reciprocal transplant experiment; warm origin snails grew faster than both cold and seasonal origin snails. This result is in concordance with quantitative genetics models of thermal adaptation but suggesting cogradient rather than countergradient variation. Although warm origin snails generally had superior performance, survival at cold temperatures (< 12 °C) was reduced. All snails matured at similar size in the common garden experiment but cold origin snails were observed to mature later and lay fewer eggs. Also, snails had a common optimum for growth rate at 20 °C irrespective of thermal origin. This is arguably the reason why snails were observed to have a common thermal preference. Interestingly, warm origin snails had a reduced tolerance to high temperatures compared to cold and seasonal origin snails which did not differ in tolerance. Putatively, natural selection has reduced a putatively unnecessary trait (high temperature tolerance in a stable thermal environment) in favour of higher growth rate and performance in warm habitats. In conclusion, the price of high performance in a warm environment was paid in terms of reduced survival at low temperatures and a potential disadvantage of reduced genetic variability.

Les populations ouest européennes de Phytophthora infestans, l’oomycète responsable du mildiou chez la pomme de terre, sont caractérisées par une structure clonale et un remplacement rapide des lignées dominantes. Cette thèse visait à identifier les déterminants écologiques, phénotypiques et évolutifs du caractère invasif de ces lignées clonales. Pour cela, les dynamiques génotypiques et phénotypiques de populations ont été analysées sur deux échelles de temps, l’une sur près d’une décennie et l’autre via un suivi longitudinal sur deux épidémies consécutives. Ces suivis étaient complétés par l’étude des réponses adaptatives au sein de ces populations liées aux principaux traits d’histoire de vie du parasite. Ces résultats tendent à rejeter l’hypothèse, souvent avancée, que la capacité invasive est liée à une plus grande agressivité des nouvelles lignées par rapport aux anciennes. De plus, le suivi sur deux ans a révélé un scénario complexe, avec la présence de deux lignées clonales domalors que les isolats 6_A1 produisent un grand nombre de petits sporanges, ceux des 13_A2 sont moins nombreux mais de plus grande taille. La coexistence au sein d’une même population de ces stratégies pourrait être due au trade-off entre nombre et taille des sporanges que nous avons également mis en évidence. Enfin, différentes réponses à la température entre ces lignées clonales ont été observées, ainsi que des patrons d’adaptation locale au sein de populations géographiquement éloignées. Ces travaux soulignent que différents facteurs d'adaptation peuvent impacter les mêmes traits biologiqu / West European populations of Phytophthora infestans, the oomycete causing late blight in potato, are characterized by a clonal structure and rapid replacement of dominant lineages. This work thus aimed to identify the ecological, phenotypic and evolutionary determinants of the invasive character of these clonal lineages. To this end, the phenotypic and genotypic population dynamics were analysed over two time scales, one over nearly a decade and a shorter one consisting in a longitudinal tracking over two consecutive epidemics. This monitoring was supplemented by the analysis of adaptive responses within these populations with respect to the main life-history traits of the parasite. These results tend to reject the hypothesis, often advanced, that the invasive ability is linked to a higher aggressiveness of the new clonal lineages compared to the previous ones. Moreover, the short-term study revealed complex scenario, involving the presence of two main clonal lineages (6_A1 and 13_A2)while 6_A1 isolates produced many, small sporangia, those of 13_A2 isolates are fewer but bigger. The coexistence within a single population of these strategies could result from the trade-off between the spore size and spore number, that we also demonstrated. Finally, differential responses between clones to temperature were observed, as well as clear local adaptation patterns among geographically distant populations. This work highlight that different adaptive factors can impact the same biological traits of P. infestans and that it is crucial to think about the consequences of these concom

Eukaryontische Zellen besitzen ein Zytoskelett, ein zelluläres Netzwerk aus Biopolymeren. Unter diesen Biopolymeren sind die Mikrotubuli weitgehend konserviert. Diese aus Tubulin aufgebauten Filamente sind dynamisch und wechseln zwischen Phasen des Wachstums und der Schrumpfung. Die genauen Mechanismen, die die dynamische Instabilität der Mikrotubuli bestimmen, werden noch erforscht. Die Allgegenwart von Mikrotubuli wirft die Frage auf, wie sie in verschiedenen thermischen Umgebungen konservierte Funktionen ausführen können. Um dieser Fragestellung nachzugehen, habe ich verwandte Froscharten mit unterschiedlich temperierten Lebensräumen untersucht: Xenopus laevis (16-22 °C), Xenopus borealis (19-23 °C) und Xenopus tropicalis (22-30 °C). Um zu untersuchen, ob sich die biochemischen Eigenschaften von Tubulin und die Dynamik der Mikrotubuli bei den drei Arten an die Temperatur angepasst hat, habe ich die Methoden der Tubulin-Affinitätsreinigung und die temperaturgesteuerte TIRF-Mikroskopie zur Rekonstitution der Mikrotubuli-Dynamik kombiniert. Dabei habe ich festgestellt, dass bei einer Temperatur von 25°C die Wachstumsgeschwindigkeit der Mikrotubuli im Bezug zur thermischen Nische der einzelnen Arten negativ korreliert. Die Verwendung der Arrhenius-Gleichung zum Vergleich der Aktivierungsenergie der Mikrotubuli-Polymerisation für jede Spezies ergab, dass die freie Energie des Tubulins umso höher ist, je kälter die thermische Nische der Spezies ist. Die Mikrotubuli von X. laevis und X. borealis zeigten eine längere Lebensdauer und wurden häufiger zerstört als die von X. tropicalis. Die Tubuline von X. laevis und X. borealis sind phosphoryliert, im Gegensatz zu X. tropicalis. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Xenopus Tubulin und die Dynamik der Mikrotubuli an die Temperatur angepasst haben. Kalt lebende Arten kommen mit der niedrigeren Energie des Milieus zurecht, durch verbessertes Wachstum und Stabilität. / Eukaryotic cells hold a cytoskeleton, a cellular network of biopolymers. Among the filaments of the cytoskeleton, microtubules are widely conserved. Built from tubulin, those filaments are dynamic, alternating between phases of growth and shrinkage. The biochemical properties of tubulin shape the dynamic behavior of microtubules, which is crucial for many cellular processes. The precise mechanisms determining microtubule dynamic instability are still under investigation. The ubiquity of microtubules raises the question of how they can perform conserved functions within various thermal environments. To address this, I turned to closely related frog species living at different temperatures, Xenopus laevis (niche: 16-22°C), Xenopus borealis (19-23°C) and Xenopus tropicalis (22-30°C). To probe whether the biochemical properties of tubulin and microtubule dynamics adapted to temperature across those three species, I combined tubulin affinity purification and temperature-controlled TIRF microscopy of in vitro reconstitution of microtubule dynamics. I found that at 25°C, the microtubule growth velocity inversely correlates with the thermal niche of each species. Adjusting temperature to each species’ endogenous condition modulates the growth rate differences across species. Using the Arrhenius equation to compare the activation energy of microtubule polymerization for each species suggested that the colder the thermal niche of the species, the higher the free energy of its tubulin. Microtubules from the cold-adapted species X. laevis and X. borealis have longer lifetimes and rescue more often than those of X. tropicalis, both at 25°C and at each species’ endogenous condition. X. laevis and X. borealis tubulins are phosphorylated, contrary to X. tropicalis. My results show that Xenopus tubulin and microtubule dynamics have adapted to temperature. Cold-living species cope with the lower energy of the milieu by facilitating growth and stability.

La plasticité phénotypique, i.e. la capacité d’un génotype à exprimer plusieurs phénotypes en fonction des conditions environnementales, représente une source de variabilité phénotypique, et tient donc un rôle majeur dans l’évolution. Dans un environnement variable, les stratégies généralistes, capables de maintenir une valeur d’aptitude phénotypique (fitness) stable sur une plus large gamme de conditions environnementales grâce à une plus grande plasticité de traits sous-jacents, devraient être favorisées. L’analyse de normes de réaction, au laboratoire et en conditions naturelles, de traits physiologiques et de traits liés à la fitness en fonction de la température, révèle chez le parasitoïde Venturia canescens, que (i) la variabilité thermique de l’habitat détermine la forme des normes de réaction selon le compromis entre stratégies généraliste et spécialiste, (ii) les différences entre individus généralistes et spécialistes se maintiennent face à des fluctuations de la température mimant les conditions naturelles et (iii) les individus subissant une plus grande variabilité thermique dans leur habitat possèdent une capacité d’acclimatation au froid plus importante. Ces résultats montrent l’existence de deux stratégies chez V. canescens et donc une différenciation de leur niche thermique, autorisant leur coexistence en environnement hétérogène / Phenotypic plasticity, i.e. the ability of a genotype to express several phenotypes depending on environmental conditions, represents an important source of phenotypic variability and so plays a major role in evolution. In a variable environment, generalist strategies, able to maintain a stable value of fitness over a wide range of environmental conditions, thanks to a greater plasticity of underlying traits, should be favored. The analysis of reaction norms of physiological traits and traits related to fitness as a function of temperature reveals in the parasitoid Venturia canescens that (i) thermal variability of the habitat determines the shape of reaction norms, according to the trade-off between generalist and specialist strategies, (ii) differences between generalist and specialist individuals are maintained face to rapid fluctuations in temperature that mimic natural conditions and (iii) individuals experiencing greater variability in their thermal habitat have a greater capacity for cold acclimation. These results indicate the existence of two different strategies in V. canescens and therefore a thermal niche differentiation, allowing their coexistence in a heterogeneous environment