Combinaison d'approches pour résoudre le problème du réarrangement de génomes

Combining approaches for predicting genomic evolution

• Auteur / Autrice : Bassam Alkindy
• Direction : Jacques Bahi, Jean-François Couchot, Michel Salomon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Lhassane Idoumghar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Bahi, Jean-François Couchot, Michel Salomon, Lhassane Idoumghar, Stéphane Chrétien, Jean-Paul Comet, Christophe Guyeux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Chrétien, Jean-Paul Comet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioinformatique

Algorithmes génétiques

Mots clés libres

Génome noyau

Algorithme génétique

Optimisation par essaim de particules

Systèmes dynamiques

Algorithmes intelligents

Reconstruction ancestrale

Arbre phylogénétique

Core genome

Clustering algorithms

Genetic algorithm

Particle swarm optimization

Dynamic systems

Intelligent algorithms

Ancestral reconstruction

Phylogenetic tree

Résumé

En bio-informatique, comprendre comment les molécules d’ADN ont évolué au cours du temps reste un problème ouvert etcomplexe. Des algorithmes ont été proposés pour résoudre ce problème, mais ils se limitent soit à l’évolution d’un caractèredonné (par exemple, un nucléotide précis), ou se focalisent a contrario sur de gros génomes nucléaires (plusieurs milliardsde paires de base), ces derniers ayant connus de multiples événements de recombinaison – le problème étant NP completquand on considère l’ensemble de toutes les opérations possibles sur ces séquences, aucune solution n’existe à l’heureactuelle. Dans cette thèse, nous nous attaquons au problème de reconstruction des séquences ADN ancestrales en nousfocalisant sur des chaînes nucléotidiques de taille intermédiaire, et ayant connu assez peu de recombinaison au coursdu temps : les génomes de chloroplastes. Nous montrons qu’à cette échelle le problème de la reconstruction d’ancêtrespeut être résolu, même quand on considère l’ensemble de tous les génomes chloroplastiques complets actuellementdisponibles. Nous nous concentrons plus précisément sur l’ordre et le contenu ancestral en gènes, ainsi que sur lesproblèmes techniques que cette reconstruction soulève dans le cas des chloroplastes. Nous montrons comment obtenirune prédiction des séquences codantes d’une qualité telle qu’elle permette ladite reconstruction, puis comment obtenir unarbre phylogénétique en accord avec le plus grand nombre possible de gènes, sur lesquels nous pouvons ensuite appuyernotre remontée dans le temps – cette dernière étant en cours de finalisation. Ces méthodes, combinant l’utilisation d’outilsdéjà disponibles (dont la qualité a été évaluée) à du calcul haute performance, de l’intelligence artificielle et de la biostatistique,ont été appliquées à une collection de plus de 450 génomes chloroplastiques.

In Bioinformatics, understanding how DNA molecules have evolved over time remains an open and complex problem.Algorithms have been proposed to solve this problem, but they are limited either to the evolution of a given character (forexample, a specific nucleotide), or conversely focus on large nuclear genomes (several billion base pairs ), the latter havingknown multiple recombination events - the problem is NP complete when you consider the set of all possible operationson these sequences, no solution exists at present. In this thesis, we tackle the problem of reconstruction of ancestral DNAsequences by focusing on the nucleotide chains of intermediate size, and have experienced relatively little recombinationover time: chloroplast genomes. We show that at this level the problem of the reconstruction of ancestors can be resolved,even when you consider the set of all complete chloroplast genomes currently available. We focus specifically on the orderand ancestral gene content, as well as the technical problems this raises reconstruction in the case of chloroplasts. Weshow how to obtain a prediction of the coding sequences of a quality such as to allow said reconstruction and how toobtain a phylogenetic tree in agreement with the largest number of genes, on which we can then support our back in time- the latter being finalized. These methods, combining the use of tools already available (the quality of which has beenassessed) in high performance computing, artificial intelligence and bio-statistics were applied to a collection of more than450 chloroplast genomes.