Modélisation du déséquilibre de liaison en génomique des populations par méthodes d'optimisation

par Thomas Dias Alves

Thèse de doctorat en MBS - Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement

Sous la direction de Michaël Blum et de Julien Mairal.

Soutenue le 18-12-2017

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuelle Génin.

Le jury était composé de Etienne Patin, Franck Picard, Bertrand Servin.

Les rapporteurs étaient Emmanuelle Génin, Julien Chiquet.

mots clés

• Optimisation
• Déséquilibre de liaison
• Haplotype
• Algorithmes génétiques
• Hybridation végétale
• Génétique -- Méthodes statistiques

Résumé

Nous présentons un nouveau formalisme et des nouvelles méthodes pour modéliser le déséquilibre de liaison et tenir compte de la structure en haplotypes pour les données issues de la génomique des populations. La modélisation repose sur un problème d'optimisation avec contraintes qui est résolue avec un algorithme de programmation dynamique. Les méthodes établies ont toutes l'avantage d'avoir un coût algorithmique linéaire et donc de pouvoir traiter de grands jeux de données.Dans un premier temps, nous avons appliqué notre approche à l'étude des populations métisses et plus particulièrement au problème d'inférence des coefficients de métissage locaux.Notre méthode a été appliquée à des génotypes simulés de métissage humain ainsi qu'à des vrais génotypes obtenus dans des populations métisses de peupliers.Dans un second temps, nous avons développé notre formalisme d'optimisation pour traiter de l'inférence des haplotypes à partir des génotypes d'une population.L'ensemble de ces méthodes d'optimisation a été développé dans un module Python qui s'appelle Loter.

mots clés

• Optimization
• Linkage disequillibrium
• Haplotype

Titre traduit

Modeling the linkage disequilibrium in population genomics with optimization methods

Résumé

We present a new formalism and new methods to model linkage disequilibrium and to account for haplotype structure of population genomics data. Modeling relies on an optimization problem with constraints that is solved using dynamic programming. The algorithmic cost of proposed methods is linear, which is a desirable property to process large datasets.First, we applied our framework to study admixed populations and perform local ancestry inference. Our method is applied to simulated genotypes of admixed human populations and to real genotypes from admixed Populus species.Second, we developed our optimization framework to perform haploptype phasing and imputation based on a population of genotypes. All optimization methods have been developed in a Python package called Loter.