Lien entre les réarrangements chromosomiques et la structure de la chromatine chez la Drosophile

par Sylvain Pulicani

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Eric Rivals et de Giacomo Cavalli.

Le président du jury était Vincent Ranwez.

Le jury était composé de Eric Rivals, Giacomo Cavalli, Vincent Ranwez, Anne Bergeron, Mathieu Blanchette, Celine Scornavacca, Daniel Jost.

Les rapporteurs étaient Anne Bergeron, Mathieu Blanchette.


  • Résumé

    Entre espèces, les génomes présentent des différences dans leur organisation, que ce soit au niveau du caryotype ou de l'ordre des gènes. Ceci reste vrai même entre espèces relativement proches comme l'humain et la souris, et est du aux réarrangements chromosomiques. Reconstruire l'histoire évolutive d'une lignée revient donc à déterminer des scénarios de réarrangements qui transforment un génome actuel en un autre. Le génome ancestral se trouve alors être l'un des états intermédiaires atteint par l'un de ces scénarios.Les réarrangements chromosomiques sont des évènements biologiques violents pour la cellule. En effet, de nombreux mécanismes moléculaires ont pour fonction de stopper le cycle cellulaire dans le cas où le génome aurait été altéré. De plus, les réarrangements peuvent être à l'origine de phénotypes aberrants, et donc probablement désavantageux pour leur porteur. Au vu de tout cela, il paraît raisonnable de poser l'hypothèse selon laquelle les scénarios de réarrangements sont parcimonieux.Cependant, il est admis que ce seul critère ne permet pas de reconstruire efficacement l'histoire évolutive des génomes. En effet, quelque soit le modèle utilisé pour générer les scénarios, leur nombre est exponentiel en le nombre de réarrangements. Une autre contrainte biologique doit donc être ajoutée. La conservation de la structure spatiale de la chromatine pourrait être un critère manquant essentiel. Il a été montré in vitro que lors d'une cassure double-brin suivie d'une réparation non-homologue, le brin utilisé pour la réparation se situe spatialement proche de la cassure. Notre hypothèse est donc que les points de cassures qui sont proches en 3D ont plus probablement participé à des réarrangements que les autres. Cela est appuyé par des analyses génomiques sur des cellules somatiques et entre espèces. Nommons cette hypothèse: l'hypothèse de localité.Notre approche a été de proposer une méthode pour utiliser l'information structurale afin de prioriser les scénarios de réarrangements. Les données de Hi-C ont été l'information structurale qui nous a permis d'appliquer la méthode aux scénarios entre D. melanogaster et D. yakuba.Ces résultats nous ont ensuite menés à nous demander si la structure de la chromatine ne pouvait pas elle-même évoluer. Elle serait alors susceptible d'être considérée comme un caractère phylogénétique. Cette idée est appuyée par d'autres résultats montrant la conservation de domaines topologiques entre espèces.Cette question ne semble pas avoir été posée auparavant. Elle est pourtant très intéressante car elle permet d'ouvrir tout un champ d'étude. En effet, si la structure de la chromatine porte un signal phylogénétique, alors il devient possible de s'interroger sur les mécanismes en œuvre lors de la sélection, ou sur la possibilité de reconstruire l'état ancestral de cette structure. Par la suite, il serait même possible de comparer l'évolution de la séquence et celle de la structure de la chromatine.Nous avons ainsi défini une distance entre les structures des génomes, basée sur la comparaison des contacts entre loci orthologues. Nous l'avons appliquée à une ensemble de six espèces comprenant l'humain, la souris et quatre drosophiles. Ces résultats confirment la présence d'un signal phylogénétique dans la structure spatiale des génomes. Ils mettent également en lumière l'intérêt de la mise en place de méthodes permettant de comparer efficacement des données de contacts entre espèces.

  • Titre traduit

    Linking large scale genome rearrangement to chromatin structure in Drosophila


  • Résumé

    Different species have different genome organization. Whether it be the karyotype or gene order, these differences are seen even with relatively close species like Human and Mouse. This is caused by the chromosomal rearrangement. Infererence of rearrangement scenarios that transform one present-day species into another can give insight into evolutionary states, the ancestral genome being one of the intermediates of the true scenario.The chromosomal rearrangements are violent biological events for the cell. Indeed, numerous mechanisms are present to stop the cell cycle when the genome sequence is altered. Moreover, rearrangements can be the source of aberrant phenotypes, which are probably unfavorable for the carrier. With all that, it seams reasonable to assume the rearrangement scenarios are parsimonious.However, it is accepted that this criterion alone is not sufficient to efficiently build the evolutionary history of the genomes. Indeed, for whatever model we choose, the number of scenario is exponential in the number of rearrangements. Another biological constraint is needed. The spatial structure of the chromatin could be an essential missing criterion. It has been shown in vitro that when a double-stranded break of the DNA is non-homologously repaired, the strand used for repairing is close in space to the breakpoint. Our hypothesis is that the closer the breakpoints are in space, the more probable they are to participate in a rearrangement. This hold on genomics analysis of somatic cells, and between species. Let's name that hypothesis the locality hypothesis.We proposed a method to use the structural information in order to prioritize the rearrangements scenarios. The Hi-C data were the structural information that allowed us to apply our method to scenarios between D. melanogaster and D. yakuba.This results led us to ask whether the chromatin structure could evolve by itself. Then, it could be used as a phylogenetic mark. This idea is related to previous results showing the conservation of topological domains between species.This question seams to be new, and could open a new line of investigation. If the chromatin structure holds a phylogenetical signal, it becomes possible to ask ourselves about the mechanisms that occur during the selection, or if it is possible for the ancestral state to be inferred. Then, it could even be possible to compare the evolution of the sequence with the one of the chromatin structure.Thus, we defined a distance between genome structures, based on the comparison of contacts between orthologous loci. We applied this distance to a set of six species, including the Human, the Mouse and four Drosophila. This result confirms the presence of a phylogenetic signal in the spatial structure of the genomes. They also showed that we're in need for efficient methods to compare contacts data between species.


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