Genes, environment and sex : perspectives from ectothermic vertebrates

RESUMELes modèles classiques sur l'évolution des chromosomes sexuels supposent que des gènes sexe- antagonistes s'accumulent sur les chromosomes sexuels, entraînant ainsi l'apparition d'une région non- recombinante, qui se répand progressivement en favorisant l'accumulation de mutations délétères. En accord avec cette théorie, les chromosomes sexuels que l'on observe aujourd'hui chez les mammifères et les oiseaux sont considérablement différenciés. En revanche, chez la plupart des vertébrés ectothermes, les chromosomes sexuels sont indifférenciés et il existe une impressionnante diversité de mécanismes de détermination du sexe. Au cours de cette thèse, j'ai étudié l'évolution des chromosomes sexuels chez les vertébrés ectothermes, en outre pour mieux comprendre ce contraste avec les vertébrés endothermes. L'hypothèse « high-turnover » postule que les chromosomes sexuels sont remplacés régulièrement à partir d'autosomes afin d'éviter leur dégénérescence. L'hypothèse « fountain-of-youth » propose que la recombinaison entre le chromosome X et le chromosome Y au sein de femelles XY empêche la dégénérescence. Les résultats de ma thèse, basés sur des études théoriques et empiriques, suggèrent que les deux processus peuvent être entraînés par l'environnement et ainsi jouent un rôle important dans l'évolution des chromosomes sexuels chez les vertébrés ectothermes.SUMMARYClassical models of sex-chromosome evolution assume that sexually antagonistic genes accumulate on sex chromosomes leading to a non-recombining region, which progressively expands and favors the accumulation of deleterious mutations. Concordant with this theory, sex chromosomes in extant mammals and birds are considerably differentiated. In most ectothermic vertebrates, such as frogs, however, sex chromosomes are undifferentiated and a striking diversity of sex determination systems is observed. This thesis was aimed to investigate this apparent contrast of sex chromosome evolution between endothermic and ectothermic vertebrates. The "high-turnover" hypothesis holds that sex chromosomes arose regularly from autosomes preventing decay. The "fountain-of-youth" hypothesis posits that sex chromosomes undergo episodic X-Y recombination in sex-reversed XY females, thereby purging ("rejuvenating") the Y chromosome. We suggest that both processes likely played an important role in sex chromosome evolution of ectothermic vertebrates. The literature largely views sex determination as a dichotomous process: individual sex is assumed to be determined either by genetic (genotypic sex determination, GSD) or by environmental factors (environmental sex determination, ESD), most often temperature (temperature sex determination, TSD). We endorsed an alternative view, which sees GSD and TSD as the ends of a continuum. The conservatism of molecular processes among different systems of sex determination strongly supports the continuum view. We proposed to define sex as a threshold trait underlain by a liability factor, and reaction norms allowing modeling interactions between genotypic and temperature effects. We showed that temperature changes (due to e.g., climatic changes or range expansions) are expected to provoke turnovers in sex-determination mechanisms maintaining homomorphic sex chromosomes. The balanced lethal system of crested newts might be the result of such a sex determination turnover, originating from two variants of ancient Y-chromosomes. Observations from a group of tree frogs, on the other hand, supported the 'fountain of youth' hypothesis. We then showed that low rates of sex- reversals in species with GSD might actually be adaptive considering joint effects of deleterious mutation purging and sexually antagonistic selection. Ongoing climatic changes are expected to threaten species with TSD by biasing population sex ratios. In contrast, species with GSD are implicitly assumed immune against such changes, because genetic systems are thought to necessarily produce even sex ratios. We showed that this assumption may be wrong and that sex-ratio biases by climatic changes may represent a previously unrecognized extinction threat for some GSD species.

Sex-chromosome turnovers induced by deleterious mutation load.

In sharp contrast with mammals and birds, many cold-blooded vertebrates present homomorphic sex chromosomes. Empirical evidence supports a role for frequent turnovers, which replace nonrecombining sex chromosomes before they have time to decay. Three main mechanisms have been proposed for such turnovers, relying either on neutral processes, sex-ratio selection, or intrinsic benefits of the new sex-determining genes (due, e.g., to linkage with sexually antagonistic mutations). Here, we suggest an additional mechanism, arising from the load of deleterious mutations that accumulate on nonrecombining sex chromosomes. In the absence of dosage compensation, this load should progressively lower survival rate in the heterogametic sex. Turnovers should occur when this cost outweighs the benefits gained from any sexually antagonistic genes carried by the nonrecombining sex chromosome. We use individual-based simulations of a Muller's ratchet process to test this prediction, and investigate how the relevant parameters (effective population size, strength and dominance of deleterious mutations, size of nonrecombining segment, and strength of sexually antagonistic selection) are expected to affect the rate of turnovers.

Calcitic nanofibers in soils and caves : a putative fungal contribution to carbonatogenesis

The origin of soil mineralized nanofibres remains controversial. It is attributed to either biogenic factors or physicochemical processes. Scanning electron microscope and transmission electron microscope observations show that nanofibres could originate from the breakdown of fungal hyphae, especially its cell wall. It is hypothesized that during the decay of organic matter, cell wall microfibrils are released in the soil where they are exposed to mineralizing pore fluids, leading to their calcitic pseudomorphosis and/or are used as a template for calcite precipitation. When associated with needle fibre calcite bundles, nanofibres could indicate the relict of an organic sheath in which calcite has precipitated. This paper emphasizes the important roles of both organic matter and fungi in carbonatogenesis, and consequently in the soil carbon cycle.

Elemental (C/N ratios) and isotopic (δ15N(org), δ13C(org)) compositions of sedimentary organic matter from a high-altitude mountain lake (Meidsee, 2661 m a.s.l., Switzerland): Implications for Lateglacial and Holocene Alpine landscape evolution

The deposition of Late Pleistocene and Holocene sediments in the high-altitude lake Meidsee (located at an altitude of 2661 m a.s.l. in the Southwestern Alps) strikingly coincided with global ice-sheet and mountain-glacier decay in the Alpine forelands and the formation of perialpine lakes. Radiocarbon ages of bottom-core sediments point out (pre-) Holocene ice retreat below 2700 m a.s.l., at about 16, 13, 10, and 9 cal. kyr BP. The Meidsee sedimentary record therefore provides information about the high-altitude Alpine landscape evolution since the Late Pleistocene/Holocene deglaciation in the Swiss Southwestern Alps. Prior to 5 cal. kyr BP, the C/N ratio and the isotopic composition of sedimentary organic matter (delta N-15(org), delta C-13(org)) indicate the deposition of algal-derived organic matter with limited input of terrestrial organic matter. The early Holocene and the Holocene climatic optimum (between 7.0 and 5.5 cal. kyr BP) were characterized by low erosion (decreasing magnetic susceptibility, chi) and high content of organic matter (C-org > 13 wt.%), enriched in C-13(org) (>-18 parts per thousand) with a low C/N (similar to 10) ratio, typical of modern algal matter derived from in situ production. During the late Holocene, there was a long-term increasing contribution of terrestrial organic matter into the lake (C/N > 11), with maxima between 2.4 and 0.9 cal. kyr BP. A major environmental change took place 800 years ago, with an abrupt decrease in the relative contribution of terrestrial organic material into the lake compared with aquatic organic material which subsequently largely dominated (C/N drop from 16 to 10). Nonetheless, this event was marked by a rise in soil erosion (chi), in nutrients input (N and P contents) and in anthropogenic lead deposition, suggesting a human disturbance of Alpine ecosystems 800 years ago. Indeed, this time period coincided with the migration of the Walser Alemannic people in the region, who settled at relatively high altitude in the Southwestern Alps for farming and maintaining Alpine passes.

Recombination is suppressed and variability reduced in a nascent Y chromosome.

Several hypotheses have been elaborated to account for the evolutionary decay commonly observed in full-fledged Y chromosomes. Enhanced drift, background selection and selective sweeps, which are expected to result from reduced recombination, may all share responsibilities in the initial decay of proto-Y chromosomes, but little empirical information has been gathered so far. Here we take advantage of three markers that amplify on both of the morphologically undifferentiated sex chromosomes of the European tree frog (Hyla arborea) to show that recombination is suppressed in males (the heterogametic sex) but not in females. Accordingly, genetic variability is reduced on the Y, but in a way that can be accounted for by merely the number of chromosome copies per breeding pair, without the need to invoke background selection or selective sweeps.

The origins, evolution, and functional potential of alternative splicing in vertebrates.

Alternative splicing (AS) has the potential to greatly expand the functional repertoire of mammalian transcriptomes. However, few variant transcripts have been characterized functionally, making it difficult to assess the contribution of AS to the generation of phenotypic complexity and to study the evolution of splicing patterns. We have compared the AS of 309 protein-coding genes in the human ENCODE pilot regions against their mouse orthologs in unprecedented detail, utilizing traditional transcriptomic and RNAseq data. The conservation status of every transcript has been investigated, and each functionally categorized as coding (separated into coding sequence [CDS] or nonsense-mediated decay [NMD] linked) or noncoding. In total, 36.7% of human and 19.3% of mouse coding transcripts are species specific, and we observe a 3.6 times excess of human NMD transcripts compared with mouse; in contrast to previous studies, the majority of species-specific AS is unlinked to transposable elements. We observe one conserved CDS variant and one conserved NMD variant per 2.3 and 11.4 genes, respectively. Subsequently, we identify and characterize equivalent AS patterns for 22.9% of these CDS or NMD-linked events in nonmammalian vertebrate genomes, and our data indicate that functional NMD-linked AS is more widespread and ancient than previously thought. Furthermore, although we observe an association between conserved AS and elevated sequence conservation, as previously reported, we emphasize that 30% of conserved AS exons display sequence conservation below the average score for constitutive exons. In conclusion, we demonstrate the value of detailed comparative annotation in generating a comprehensive set of AS transcripts, increasing our understanding of AS evolution in vertebrates. Our data supports a model whereby the acquisition of functional AS has occurred throughout vertebrate evolution and is considered alongside amino acid change as a key mechanism in gene evolution.

Linking genetic and species diversities in a community of freshwater gastropods

Summary Biodiversity is usually studied through species or genetic diversities. To date, these two levels of diversity have remained the independent .fields of investigations of community ecologists and population geneticists. However, recent joint analyses of species and genetic diversities have suggested that common processes may underlie the two levels. Positive correlations between species diversity and genetic diversity may arise when the effects of drift and migration overwhelm selective effects. The first goal of this thesis was to make a joint investigation of the patterns of species and genetic diversity in a community of freshwater gastropods living in a floodplain habitat. The second goal was to determine, as far as possible, the relative influences of the processes underlying the patterns observed at each level. In chapter 2 we investigate the relative influences of different evolutionary forces in shaping the genetic structure of Radix balthica populations. Results revealed that the structure inferred using quantitative traits was lower or equal to the one inferred using neutral molecular markers. Consequently, the pattern of structure observed could be only due to random drift, possibly to uniform selection, but definitely not to selection for local optima. In chapter 3, we analyze the temporal variation of species and genetic diversities in five localities. An extended period of drought occurred at the end of the study period leading to decay of both species and genetic diversities. This parallel loss of diversity following a natural perturbation highlighted the role sometimes predominant of random drift over selection on patterns of biodiversity in a floodplain habitat. In chapter 4, we compare the spatial genetic structures of two sympatric species: Radix balthica and Planorbis carinatus. We found that R. balthica populations are weakly structured and have moderate to high values of gene diversity. In contrast, P. carinatus populations are highly structured and poorly diverse. Then we measured correlations between various indices of species and genetic diversity using genetic data .from the two species. We found only one significant correlation: between species richness and gene diversity of P. carinatus. This result highlights the .need to use genetic date from more than one species to infer correlations between species and genetic diversities. Overall, this thesis provided new insights into the common processes underlying patterns of species and genetic diversity. Résumé La biodiversité est généralement étudiée au niveau de la diversité génétique ou spécifique. Ces deux niveaux sont restés jusqu'à maintenant les domaines d'investigation séparés des généticiens des populations et des écologistes des communautés. Cependant, des analyses conjointes des diversités génétique et spécifique ont récemment suggéré que des processus similaires pouvaient influencer ces deux niveaux. Des corrélations positives entre les diversités génétique et spécifique pourraient être dues aux effets de migration et de dérive qui dominent les effets sélectifs. Le premier but de cette thèse était de faire une étude conjointe des diversités génétique et spécifique dans une communauté de gastéropodes d'eau douce. Le second objectif était de déterminer les influences relatives des différents processus liés à chaque niveau de diversité. Dans le chapitre 2 nous cherchons à déterminer quelles forces évolutives influencent la structure génétique de quatre populations de Radix balthica. La structure mesurée sur des traits quantitatifs s'est révélée être plus faible ou égale à celle mesurée avec des marqueurs moléculaires neutres. La structure observée pourrait ainsi être due uniquement à la dérive génétique, potentiellement à la sélection uniforme, mais en aucun cas à la sélection locale pour différents optima. Dans le chapitre 3 nous analysons la variation temporelle des diversités génétique et spécifique dans cinq localités. Une récente période de sécheresse a causé une diminution parallèle des deux niveaux de diversité. Cette perturbation à mis en évidence le rôle parfois prépondérant de la dérive par rapport à celui de la sélection dans le déterminisme de la biodiversité dans un écosytème alluvial. Dans le chapitre 4, nous comparons la structure génétique spatiale de deux espèces vivant en sympatrie : Radix balthica et Planorbis carinatus. Les populations de R. balthica sont peu structurées et présentent un niveau de diversité relativement élevé alors que celles de P. carinatus sont fortement structurées et peu diversifiées. Nous avons ensuite mesuré différentes corrélations entre les diversités génétique et spécifique, mais la seule relation significative a été trouvée entre la richesse spécifique et la diversité génétique de P. carinatus. Ainsi, cette thèse a permis de découvrir de nouveaux aspects des processus qui influencent en parallèle la diversité aux niveaux génétique et spécifique.

Contribution to the Development of the LHCb Vertex Locator Readout Electronics

L'expérience LHCb sera installée sur le futur accélérateur LHC du CERN. LHCb est un spectromètre à un bras consacré aux mesures de précision de la violation CP et à l'étude des désintégrations rares des particules qui contiennent un quark b. Actuellement LHCb se trouve dans la phase finale de recherche et développement et de conception. La construction a déjà commencé pour l'aimant et les calorimètres. Dans le Modèle Standard, la violation CP est causée par une phase complexe dans la matrice 3x3 CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) de mélange des quarks. L'expérience LHCb compte utiliser les mesons B pour tester l'unitarité de cette matrice, en mesurant de diverses manières indépendantes tous les angles et côtés du "triangle d'unitarité". Cela permettra de surdéterminer le modèle et, peut-être, de mettre en évidence des incohérences qui seraient le signal de l'existence d'une physique au-delà du Modèle Standard. La reconstruction du vertex de désintégration des particules est une condition fondamentale pour l'expérience LHCb. La présence d'un vertex secondaire déplacé est une signature de la désintégration de particules avec un quark b. Cette signature est utilisée dans le trigger topologique du LHCb. Le Vertex Locator (VeLo) doit fournir des mesures précises de coordonnées de passage des traces près de la région d'interaction. Ces points sont ensuite utilisés pour reconstruire les trajectoires des particules et l'identification des vertices secondaires et la mesure des temps de vie des hadrons avec quark b. L'électronique du VeLo est une partie essentielle du système d'acquisition de données et doit se conformer aux spécifications de l'électronique de LHCb. La conception des circuits doit maximiser le rapport signal/bruit pour obtenir la meilleure performance de reconstruction des traces dans le détecteur. L'électronique, conçue en parallèle avec le développement du détecteur de silicium, a parcouru plusieurs phases de "prototyping" décrites dans cette thèse.<br/><br/>The LHCb experiment is being built at the future LHC accelerator at CERN. It is a forward single-arm spectrometer dedicated to precision measurements of CP violation and rare decays in the b quark sector. Presently it is finishing its R&D and final design stage. The construction already started for the magnet and calorimeters. In the Standard Model, CP violation arises via the complex phase of the 3 x 3 CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) quark mixing matrix. The LHCb experiment will test the unitarity of this matrix by measuring in several theoretically unrelated ways all angles and sides of the so-called "unitary triangle". This will allow to over-constrain the model and - hopefully - to exhibit inconsistencies which will be a signal of physics beyond the Standard Model. The Vertex reconstruction is a fundamental requirement for the LHCb experiment. Displaced secondary vertices are a distinctive feature of b-hadron decays. This signature is used in the LHCb topology trigger. The Vertex Locator (VeLo) has to provide precise measurements of track coordinates close to the interaction region. These are used to reconstruct production and decay vertices of beauty-hadrons and to provide accurate measurements of their decay lifetimes. The Vertex Locator electronics is an essential part of the data acquisition system and must conform to the overall LHCb electronics specification. The design of the electronics must maximise the signal to noise ratio in order to achieve the best tracking reconstruction performance in the detector. The electronics is being designed in parallel with the silicon detector development and went trough several prototyping phases, which are described in this thesis.

BoBo mixing meseasurement at Belle using dilepton events tagged with a soft pion

L'expérience Belle, située dans le centre de recherche du KEK, au Japon, est consacrée principalement à l'étude de la violation de CP dans le système des mésons B. Elle est placée sur le collisionneur KEKB, qui produit des paires Banti-B. KEKB, l'une des deux « usines à B » actuellement en fonction, détient le record du nombre d'événements produits avec plus de 150 millions de paires. Cet échantillon permet des mesures d'une grande précision dans le domaine de la physique du méson B. C'est dans le cadre de ces mesures de précision que s'inscrit cette analyse. L'un des phénomènes remarquables de la physique des hautes énergies est la faculté qu'a l'interaction faible de coupler un méson neutre avec son anti-méson. Dans le présent travail, nous nous intéressons au méson B neutre couplé à l'anti-méson B neutre, avec une fréquence d'oscillation _md mesurable précisément. Outre la beauté de ce phénomène lui-même, une telle mesure trouve sa place dans la quête de l'origine de la violation de CP. Cette dernière n'est incluse que d'une façon peu satisfaisante dans le modèle standard des interactions électro-faibles. C'est donc la recherche de phénomènes physiques encore inexpliqués qui motive en premier lieu la collaboration Belle. Il existe déjà de nombreuses mesures de _md antérieures. Celle que nous présentons ici est cependant d'une précision encore jamais atteinte grâce, d'une part, à l'excellente performance de KEKB et, d'autre part, à une approche originale qui permet de réduire considérablement la contamination de la mesure par des événements indésirés. Cette approche fut déjà mise à profit par d'autres expériences, dans des conditions quelque peu différentes de celles de Belle. La méthode utilisée consiste à reconstruire partiellement l'un des mésons dans le canal ___D*(D0_)l_l, en n'utilisant que les informations relatives au lepton l et au pion _. L'information concernant l'autre méson de la paire Banti-B initiale n'est tirée que d'un seul lepton de haute énergie. Ainsi, l'échantillon à disposition ne souffre pas de grandes réductions dues à une reconstruction complète, tandis que la contamination due aux mésons B chargés, produits par KEKB en quantité égale aux B0, est fortement diminuée en comparaison d'une analyse inclusive. Nous obtenons finalement le résultat suivant : _md = 0.513±0.006±0.008 ps^-1, la première erreur étant l'erreur statistique et la deuxième, l'erreur systématique.<br/><br/>The Belle experiment is located in the KEK research centre (Japan) and is primarily devoted to the study of CP violation in the B meson sector. Belle is placed on the KEKB collider, one of the two currently running "B-meson factories", which produce Banti-B pairs. KEKB has created more than 150 million pairs in total, a world record for this kind of colliders. This large sample allows very precise measurements in the physics of beauty mesons. The present analysis falls within the framework of these precise measurements. One of the most remarkable phenomena in high-energy physics is the ability of weak interactions to couple a neutral meson to its anti-meson. In this work, we study the coupling of neutral B with neutral anti-B meson, which induces an oscillation of frequency _md we can measure accurately. Besides the interest of this phenomenon itself, this measurement plays an important role in the quest for the origin of CP violation. The standard model of electro-weak interactions does not include CP violation in a fully satisfactory way. The search for yet unexplained physical phenomena is, therefore, the main motivation of the Belle collaboration. Many measurements of _md have previously been performed. The present work, however, leads to a precision on _md that was never reached before. This is the result of the excellent performance of KEKB, and of an original approach that allows to considerably reduce background contamination of pertinent events. This approach was already successfully used by other collaborations, in slightly different conditions as here. The method we employed consists in the partial reconstruction of one of the B mesons through the decay channel ___D*(D0_)l_l, where only the information on the lepton l and the pion _ are used. The information on the other B meson of the initial Banti-B pair is extracted from a single high-energy lepton. The available sample of Banti-B pairs thus does not suffer from large reductions due to complete reconstruction, nor does it suffer of high charged B meson background, as in inclusive analyses. We finally obtain the following result: _md = 0.513±0.006±0.008 ps^-1, where the first error is statistical, and the second, systematical.<br/><br/>De quoi la matière est-elle constituée ? Comment tient-elle ensemble ? Ce sont là les questions auxquelles la recherche en physique des hautes énergies tente de répondre. Cette recherche est conduite à deux niveaux en constante interaction. D?une part, des modèles théoriques sont élaborés pour tenter de comprendre et de décrire les observations. Ces dernières, d?autre part, sont réalisées au moyen de collisions à haute énergie de particules élémentaires. C?est ainsi que l?on a pu mettre en évidence l?existence de quatre forces fondamentales et de 24 constituants élémentaires, classés en « quarks » et « leptons ». Il s?agit là de l?une des plus belles réussites du modèle en usage aujourd?hui, appelé « Modèle Standard ». Il est une observation fondamentale que le Modèle Standard peine cependant à expliquer, c?est la disparition quasi complète de l?anti-matière (le « négatif » de la matière). Au niveau fondamental, cela doit correspondre à une asymétrie entre particules (constituants de la matière) et antiparticules (constituants de l?anti-matière). On l?appelle l?asymétrie (ou violation) CP. Bien qu?incluse dans le Modèle Standard, cette asymétrie n?est que partiellement prise en compte, semble-t-il. En outre, son origine est inconnue. D?intenses recherches sont donc aujourd?hui entreprises pour mettre en lumière cette asymétrie. L?expérience Belle, au Japon, en est une des pionnières. Belle étudie en effet les phénomènes physiques liés à une famille de particules appelées les « mésons B », dont on sait qu?elles sont liées de près à l?asymétrie CP. C?est dans le cadre de cette recherche que se place cette thèse. Nous avons étudié une propriété remarquable du méson B neutre : l?oscillation de ce méson avec son anti-méson. Cette particule est de se désintégrer pour donner l?antiparticule associée. Il est clair que cette oscillation est rattachée à l?asymétrie CP. Nous avons ici déterminé avec une précision encore inégalée la fréquence de cette oscillation. La méthode utilisée consiste à caractériser une paire de mésons B à l?aide de leur désintégration comprenant un lepton chacun. Une plus grande précision est obtenue en recherchant également une particule appelée le pion, et qui provient de la désintégration d?un des mésons. Outre l?intérêt de ce phénomène oscillatoire en lui-même, cette mesure permet d?affiner, directement ou indirectement, le Modèle Standard. Elle pourra aussi, à terme, aider à élucider le mystère de l?asymétrie entre matière et anti-matière.

Clonal growth and demography of a hemicryptophyte alpine plant: Leontopodium alpinum Cassini

Clonally reproducing hemicryptophytic rosette plants are common in the alpine belt. However, their demography, and indirectly their growth and reproductive strategy in these harsh conditions, was rarely studied. We analysed the morphology, clonal reproduction and demography of one such species, Leontopodium alpinum, in two populations of the Swiss Alps. The species forms small colonies of 1-5 (maximum 30) sterile rosettes with a few flowering stalks. After flowering, the apical meristem dies and one or two new axillary buds grow below the previous rosette in the following year, developing into short rhizomes (<2 cm), which decay after four years. The new stalk produces sterile rosettes before flowering after two to four years, depending on climatic conditions. The apical meristem often dies during the sterile stage, and is replaced by a new axillary bud. Levkovitch matrices on two stages (sterile and flowering rosettes) showed that rosette survival and clonal reproduction maintain long-lived populations (λ = 0.96). Elasticities indicated that a change in the survival of sterile rosettes had the strongest effect on population dynamics, and this stage lasts, on average, 6.8 years at 2480 m. Altogether, L. alpinum is following Tomlinson's architectural model. This growth form appears perfectly adapted to harsh alpine conditions: the clonal ramification ensures longevity to genets and the semelparous behaviour of the rosettes allows an efficient flowering, whatever the climatic conditions. L. alpinum appears to follow a common growth model among rosette possessing hemicryptophytes in the alpine belt.

Sex-chromosome evolution of Palearctic tree frogs in space and time

Sexual reproduction is nearly universal in eukaryotes and genetic determination of sex prevails among animals. The astonishing diversity of sex-determining systems and sex chromosomes is yet bewildering. Some taxonomic groups possess conserved and dimorphic sex chromosomes, involving a functional copy (e.g. mammals' X, birds' Z) and a degenerated copy (mammals' Y, birds' W), implying that sex- chromosomes are expected to decay. In contrast, others like amphibians, reptiles and fishes yet maintained undifferentiated sex chromosomes. Why such different evolutionary trajectories? In this thesis, we empirically test and characterize the main hypotheses proposed to prevent the genetic decay of sex chromosomes, namely occasional X-Y recombination and frequent sex-chromosome transitions, using the Palearctic radiation of Hyla tree frogs as a model system. We take a phylogeographic and phylogenetic approach to relate sex-chromosome recombination, differentiation, and transitions in a spatial and temporal framework. By reconstructing the recent evolutionary history of the widespread European tree frog H. arborea, we showed that sex chromosomes can recombine in males, preventing their differentiation, a situation that potentially evolves rapidly. At the scale of the entire radiation, X-Y recombination combines with frequent transitions to prevent sex-chromosome degeneration in Hyla: we traced several turnovers of sex-determining system within the last 10My. These rapid changes seem less random than usually assumed: we gathered evidences that one chromosome pair is a sex expert, carrying genes with key role in animal sex determination, and which probably specialized through frequent reuse as a sex chromosome in Hyla and other amphibians. Finally, we took advantage of secondary contact zones between closely-related Hyla lineages to evaluate the consequences of sex chromosome homomorphy on the genetics of speciation. In comparison with other systems, the evolution of sex chromosomes in Hyla emphasized the existence of consistent evolutionary patterns within the chaotic diversity of flexibility of cold-blooded vertebrates' sex-determining systems, and provides insights into the evolution of recombination. Beyond sex-chromosome evolution, this work also significantly contributed to speciation, phylogeography and applied conservation research. -- La reproduction sexuée est quasi-universelle chez les eucaryotes et le sexe est le plus souvent déterminé génétiquement au sein du règne animal. L'incroyable diversité des systèmes de reproduction et des chromosomes sexuels est particulièrement étonnante. Certains groupes taxonomiques possèdent des chromosomes sexuels dimorphiques et très conservés, avec une copie entièrement fonctionnelle (ex : le X des mammifères, le Z des oiseaux) et une copie dégénérée (ex : le Y des mammifères, le W des oiseaux), suggérant que les chromosomes sexuels sont voués à se détériorer. Cependant les chromosomes sexuels d'autres groupes tels que les amphibiens, les reptiles et les poissons sont pour la plupart indifférenciés. Comment expliquer des trajectoires évolutives si différentes? Au cours de cette thèse, nous avons étudié empiriquement les processus évolutifs pouvant maintenir les chromosomes sexuels intacts, à savoir la recombinaison X-Y occasionnel ainsi que les substitutions fréquentes de chromosomes sexuels, en utilisant les rainettes Paléarctiques du genre Hyla comme modèle d'étude. Nous avons adopté une approche phylogéographique et phylogénétique pour appréhender les événements de recombinaison, de différenciation et de transitions de chromosomes sexuels dans un contexte spatio-temporel. En retraçant l'histoire évolutive récente de la rainette verte H. arborea, nous avons mis en évidence que les chromosomes sexuels pouvaient recombiner chez les mâles, empêchant ainsi leur différenciation, et que ce processus avait le potentiel d'évoluer très rapidement. A l'échelle plus globale de la radiation, il apparait que les phénomènes de recombinaison X-Y soient également accompagnés de substitutions de chromosomes sexuels, et participent de concert au maintien de chromosomes sexuels intacts dans les populations: le système de détermination du sexe des rainettes a changé plusieurs fois au cours des 10 derniers millions d'années. Ces transitions fréquentes ne semblent pas aléatoires: nous avons identifié une paire de chromosomes qui présente des caractéristiques présageant d'une spécialisation dans le déterminisme du sexe (notamment car elle possède des gènes importants pour cette fonction), et qui a été réutilisée plusieurs fois comme tel chez les rainettes ainsi que d'autres amphibiens. Enfin, nous avons étudié l'hybridation entre différentes espèces dans leurs zones de contact, afin d'évaluer si l'absence de différenciation entre X et Y jouaient un rôle dans les processus génétiques de spéciation. Outre son intérêt pour la compréhension de l'évolution des chromosomes sexuels, ce travail contribue de manière significative à d'autres domaines de recherche tels que la spéciation, la phylogéographie, ainsi que la biologie de la conservation.

Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging in the liver: comparison of mono-, bi- and tri-exponential modelling at 3.0-T.

PURPOSE: To determine whether a mono-, bi- or tri-exponential model best fits the intravoxel incoherent motion (IVIM) diffusion-weighted imaging (DWI) signal of normal livers. MATERIALS AND METHODS: The pilot and validation studies were conducted in 38 and 36 patients with normal livers, respectively. The DWI sequence was performed using single-shot echoplanar imaging with 11 (pilot study) and 16 (validation study) b values. In each study, data from all patients were used to model the IVIM signal of normal liver. Diffusion coefficients (Di ± standard deviations) and their fractions (fi ± standard deviations) were determined from each model. The models were compared using the extra sum-of-squares test and information criteria. RESULTS: The tri-exponential model provided a better fit than both the bi- and mono-exponential models. The tri-exponential IVIM model determined three diffusion compartments: a slow (D1 = 1.35 ± 0.03 × 10(-3) mm(2)/s; f1 = 72.7 ± 0.9 %), a fast (D2 = 26.50 ± 2.49 × 10(-3) mm(2)/s; f2 = 13.7 ± 0.6 %) and a very fast (D3 = 404.00 ± 43.7 × 10(-3) mm(2)/s; f3 = 13.5 ± 0.8 %) diffusion compartment [results from the validation study]. The very fast compartment contributed to the IVIM signal only for b values ≤15 s/mm(2) CONCLUSION: The tri-exponential model provided the best fit for IVIM signal decay in the liver over the 0-800 s/mm(2) range. In IVIM analysis of normal liver, a third very fast (pseudo)diffusion component might be relevant. KEY POINTS: ? For normal liver, tri-exponential IVIM model might be superior to bi-exponential ? A very fast compartment (D = 404.00 ± 43.7 × 10 (-3)  mm (2) /s; f = 13.5 ± 0.8 %) is determined from the tri-exponential model ? The compartment contributes to the IVIM signal only for b ≤ 15 s/mm (2.)

Hsp90 inhibition induces both protein-specific and global changes in the ubiquitinome.

Inhibition of the essential chaperone Hsp90 with drugs causes a global perturbation of protein folding and the depletion of direct substrates of Hsp90, also called clients. Ubiquitination and proteasomal degradation play a key role in cellular stress responses, but the impact of Hsp90 inhibition on the ubiquitinome has not been characterized on a global scale. We used stable isotope labeling and antibody-based peptide enrichment to quantify more than 1500 protein sites modified with a Gly-Gly motif, the remnant of ubiquitination, in human T-cells treated with an Hsp90 inhibitor. We observed rapid changes in GlyGly-modification sites, with strong increases for some Hsp90 clients but also decreases for a majority of cellular proteins. A comparison with changes in total protein levels and protein synthesis and decay rates from a previous study revealed a complex picture with different regulatory patterns observed for different protein families. Overall the data support the notion that for Hsp90 clients GlyGly-modification correlates with targeting by the ubiquitin-proteasome system and decay, while for other proteins levels of GlyGly-modification appear to be mainly influenced by their synthesis rates. Therefore a correct interpretation of changes in ubiquitination requires knowledge of multiple parameters. Data are available via ProteomeXchange with identifier PXD001549. BIOLOGICAL SIGNIFICANCE: Proteostasis, i.e. the capacity of the cell to maintain proper synthesis and maturation of proteins, is a fundamental biological process and its perturbations have far-reaching medical implications e.g. in cancer or neurodegenerative diseases. Hsp90 is an essential chaperone responsible for the correct maturation and stability of a number of key proteins. Inhibition of Hsp90 triggers a global stress response caused by accumulation of misfolded chains, which have to be either refolded or eliminated by protein degradation pathways such as the Ubiquitin-Proteasome System (UPS). We present the first global assessment of the changes in the ubiquitinome, the subset of ubiquitin-modified proteins, following Hsp90 inhibition in human T-cells. The results provide clues on how cells respond to a specific proteostasis challenge. Furthermore, our data also suggest that basal ubiquitination levels for most proteins are influenced by synthesis rates. This has broad significance as it implies that a proper interpretation of data on ubiquitination levels necessitates simultaneous knowledge of other parameters.

Identification of Rare High-Avidity, Tumor-Reactive CD8+ T Cells by Monomeric TCR-Ligand Off-Rates Measurements on Living Cells.

The avidity of the T-cell receptor (TCR) for antigenic peptides presented by the peptide-MHC (pMHC) on cells is a key parameter for cell-mediated immunity. Yet a fundamental feature of most tumor antigen-specific CD8(+) T cells is that this avidity is low. In this study, we addressed the need to identify and select tumor-specific CD8(+) T cells of highest avidity, which are of the greatest interest for adoptive cell therapy in patients with cancer. To identify these rare cells, we developed a peptide-MHC multimer technology, which uses reversible Ni(2+)-nitrilotriacetic acid histidine tags (NTAmers). NTAmers are highly stable but upon imidazole addition, they decay rapidly to pMHC monomers, allowing flow-cytometric-based measurements of monomeric TCR-pMHC dissociation rates of living CD8(+) T cells on a wide avidity spectrum. We documented strong correlations between NTAmer kinetic results and those obtained by surface plasmon resonance. Using NTAmers that were deficient for CD8 binding to pMHC, we found that CD8 itself stabilized the TCR-pMHC complex, prolonging the dissociation half-life several fold. Notably, our NTAmer technology accurately predicted the function of large panels of tumor-specific T cells that were isolated prospectively from patients with cancer. Overall, our results demonstrated that NTAmers are effective tools to isolate rare high-avidity cytotoxic T cells from patients for use in adoptive therapies for cancer treatment.