Etude de l'évolution de l'ordre des gènes de vertébrés par simulation

par Joseph Lucas

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Hugues Roest Crollius.

Soutenue le 17-05-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Complexité du vivant (Paris) , en partenariat avec Institut de biologie de l'Ecole Normale Supérieure (laboratoire) .

Le jury était composé de David Sankoff, Nicolas Lartillot, Alessandra Carbone, Séverine Bérard, Claire Lemaitre.


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    A study of the evolution of vertebrate gene order by simulation


  • Résumé

    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.


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