Cartographie génomique par analyse de signature ADN sur molécule unique issue de molécules en épingle à cheveux micro-manipulées par pinces magnétiques

par François-Xavier Lyonnet Culinas du Moutier

Thèse de doctorat en Bio-informatique

Sous la direction de Vincent Croquette et de Hugues Roest Crollius.

Le président du jury était Claude Thermes.

Le jury était composé de Vincent Croquette, Hugues Roest Crollius, Claude Thermes, Valentina Boeva, Thomas Brüls, Cédric Vaillant.

Les rapporteurs étaient Claude Thermes, Valentina Boeva.


  • Résumé

    Les techniques de micromanipulation de molécules d’ADN uniques offrent des perspectives nouvelles pour lire et exploiter l’information contenue dans les génomes. Cela inclut le séquençage, la cartographie, le dénombrement de molécules et l'identification de modifications chimiques de l'ADN. Dans ce contexte, l'Équipe ABCDLab de l'ENS a développé une méthode utilisant l’ouverture et la fermeture mécanique répétée d’une molécule d’ADN en épingle à cheveux par pince magnétique. Cet outil permet de déterminer la position d'hybridation de petits oligonucléotides ainsi que celle d'anticorps révélant la position de marques épigénétiques. Un avantage de cette approche est de pouvoir travailler sur la même molécule pour d’une part identifier les marques épigénétiques et d'autre part réaliser une cartographie de sa position dans le génome. Mon travail de thèse consiste à développer un ensemble de méthodes bio-informatique visant à réaliser cette étape de cartographie. Le signal expérimental consiste en lecture des positions d’hybridation d’un, ou de plusieurs petits oligonucléotides sur la molécule étudiée. Cette mesure permet de construire une signature spécifique de la molécule que l’on peut rechercher dans le génome d’origine. Dans ce travail de thèse, j'ai réalisé des expériences avec sur pinces magnétiques pour acquérir des signatures moléculaires sur des molécules sélectionnées en aveugle dans E. coli. J'ai développé un logiciel capable de faire la recherche de ces signatures dans un génome et ensuite effectué l’ensemble du traitement des données pour tester le logiciel. Après plusieurs étapes d’optimisation, j’ai pu retrouver la position génomique des molécules étudiées, établissant ainsi une preuve de concept de cette stratégie de cartographie. Le travail a concerné l'ensemble de la chaîne de mesure : (1) le choix des sondes utilisées pour constituer la signature d’une molécule observée en optimisant un ensemble de critères liés aux conditions expérimentales et à la combinatoire des motifs de séquence. (2) la mise au point d’algorithmes de cartographie adaptés aux caractéristiques expérimentales des mesures. Enfin, j'ai testé ces algorithmes, à la fois sur des données simulées in silico et in vitro sur de l'ADN d'origine bactérienne. Je discuterais en quoi les performances des solutions de cartographie développées ici sont influencées par, d’une part les limites du montage expérimental actuel, et d’autre part les limites des approches bioinformatiques. Je présenterais les voies d’amélioration possibles de ces dernières. Mes travaux établissent qu'identifier des molécules d’ADN uniques par pinces magnétiques est possible dans le contexte d’application épigénétique et en génomique.

  • Titre traduit

    Genomic mapping by DNA fingerprinting analysis using single molecule from hairpin shaped molecule and magnetic tweezers micromanipulation


  • Résumé

    Single molecule micromanipulations technic offer new perspectives to read and unravel genome information. This includes sequencing, mapping, molecule counting and identification of DNA modifications. In this respect, ABCDLab team has developed a cutting edge method using repeated mechanical opening and closing of a DNA molecule with a hairpin shape using magnetic tweezers. This tool allows measuring along the DNA molecule the hybridization positions of oligonucleotides a few bases long and also to locate specific antibodies transiently bound to epigenetic markers. With this approach we can identify with the single molecule level epigenetics markers and localized them on the genome. My PhD work consisted of developing a set of bioinformatics methods to perform DNA mapping using magnetics tweezer signal consisting of hybridization positions along the studied molecule. This measurement may be viewed as a fingerprint of the molecule which can be searched on the reference genome. During my thesis, I have realized an experimental test using magnetic tweezers to acquire a set fingerprint data on a set of blinded selected molecules in the E. coli genome. I have developed a software performing a rapid search of these fingerprints inside the genome. Then I have performed the whole data treatment to check the software on the selected molecules. After several rounds of optimization, I have recovered the genetic position of the studied molecules, establishing a proof of concept of this cartography strategy. The work has addressed the whole measuring chain; (1) by choosing the oligonucleotides best adapted to obtain the molecular signature by optimizing the set of experimental constrains and combinatorial motifs of the sequence. (2) by tuning the cartography algorithm to adapt to the experimental measurement constrains. Finally, I have tested these algorithms, both on simulated data in silico and on experimental fingerprint in vitro. I shall discuss how the performances of these cartography solutions that have been developed here are impacted by the experimental limitations of the present technique, and by the bioinformatics limits. I shall present possible improvements to these methods. My studies constitute a proof of concept for genomic and epigenetic applications.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 30-11-2021

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