Splicing and the evolution of proteins in mammals.

It is often supposed that a protein's rate of evolution and its amino acid content are determined by the function and anatomy of the protein. Here we examine an alternative possibility, namely that the requirement to specify in the unprocessed RNA, in the vicinity of intron-exon boundaries, information necessary for removal of introns (e.g., exonic splice enhancers) affects both amino acid usage and rates of protein evolution. We find that the majority of amino acids show skewed usage near intron-exon boundaries, and that differences in the trends for the 2-fold and 4-fold blocks of both arginine and leucine show this to be owing to effects mediated at the nucleotide level. More specifically, there is a robust relationship between the extent to which an amino acid is preferred/avoided near boundaries and its enrichment/paucity in splice enhancers. As might then be expected, the rate of evolution is lowest near intron-exon boundaries, at least in part owing to splice enhancers, such that domains flanking intron-exon junctions evolve on average at under half the rate of exon centres from the same gene. In contrast, the rate of evolution of intronless retrogenes is highest near the domains where intron-exon junctions previously resided. The proportion of sequence near intron-exon boundaries is one of the stronger predictors of a protein's rate of evolution in mammals yet described. We conclude that after intron insertion selection favours modification of amino acid content near intron-exon junctions, so as to enable efficient intron removal, these changes then being subject to strong purifying selection even if nonoptimal for protein function. Thus there exists a strong force operating on protein evolution in mammals that is not explained directly in terms of the biology of the protein.

Petrology and chemistry of the Chalten Plutonic Complex and implications on the magmatic and tectonic evolution of the Southernmost Andes (Patagonia) during the Miocene

Résumé Scientific:Pétrologie et Géochimie du Complexe Plutonique de Chaltén et les conséquences pour l'évolution magmatique et tectonique du Andes du Sud (Patagonia) pendant le MiocèneLe sujet de cette thèse est le Complexe Plutonique de Chaltén (CHPC), situé à la frontière entre le Chili et l'Argentine, en Patagonie (49°15'S). Ce complexe s'est mis en place au début du Miocène, dans un contexte de changements tectoniques importants. La géométrie et la vitesse de migration des plaques en Patagonie a été modifiée suite l'ouverture de la plaque Farallon il y a 25Ma (Pardo-Casas and Molnar 1987) et la subduction de la ride active du Chili sous la plaque sud-américaine il y a 14Ma (Cande and Leslie 1986). Les effets de cette reconfiguration tectonique sur la morphologie et le magmatisme de la plaque supérieure sont encore sujets à discussion. Dans ce contexte, un groupe d'intrusions miocènes - telle que le CHPC - est particulièrement intriguant, car en position transitionnelle entre le batholithe patagonien et l'arc volcanique cénozoïque et récent à l'ouest, et les laves de plateau de Patagonie à l'est (Fig. 1). A cause de leur position tectonique transitoire, ces plutons isolés hors du batholithe représentent un endroit clé pour comprendre les interactions entre la tectonique à large échelle et le magmatisme en Patagonie. Ici, je présente de nouvelles données de terrain, petrologiques, géochimiques et géochronologiques dans le but de caractériser la nature du CHPC, qui était largement inconnu avant cette étude, dans le but de tester l'hypothèse de migration de l'arc et erosion par subduction.Les résultats de l'investigation géochimique (chapitre 2) montrent que le CHPC n'est qu'un exemple parmi les plutons isolés d'arrière arc ave une composition calco-alcaline caractéristique, c-à-d une signature d'arc. La plupart de ces plutons isolés ont une composition alcaline. Le CHPC, contrairement, a une signature calco-alcaline avec Κ intermédiaire, tel que le batholithe patagonien et la plupart des roches volcaniques quaternaires liées à l'arc le long des Andes.De nouvelles données géochronologiques U-Pb de haute précision sur des zircons, acquis par TIMS, sur le CHPC donnent des âges entre 17.0 et 16.4Ma. Les âges absolus sont en accord avec la séquence intrusive déduite des relations de terrain (chapitre 1). Ces données sont les premières contraintes d'âge U-Pb sur le CHPC. Elles montrent clairement que l'histoire magmatique du CHPC n'a pas de lien direct avec la subduction de la ride à cette latitude (Cande and Leslie 1986), car le complexe est au moins 6Ma plus ancien.Une comparaison en profondeur avec les autres intrusions d'âge Miocène en Patagonie révèlent - pour la première fois - une évolution temporelle intéressante. Il y a une tendance E-W distincte au magmatisme calco-alcalin entre 20-16Ma avec une diminution de l'âge vers l'est - le CHPC est l'expression la plus orientale de cette tendance. Je suggère que la relation espace-temps reflète une migration vers l'est (vers le continent) de l'arc magmatique. Je propose que le facteur principal contrôlant cette migration est la subduction rapide suite à la reconfiguration de la vitesse des plaques tectoniques après l'ouverture la plaque Farallon (à ~26Ma) qui résulterait en une déformation importante ainsi qu'à des taux élevés d'érosion dans la fosse de subduction.Les rapports d'isotopes radiogéniques (Pb, Sr, Nd) élevés, une signature 6018 basse et un rapport Th/La élevé sont des paramètres distinctifs pour les roches mafiques du CHPC. Le modèle isotopique présenté (chapitre 2) suggère que cette signature reflète une contamination de la source, dans le coin de manteau, plutôt qu'une contamination crustale. La signature des éléments en trace du CHPC indiquent que le coin de manteau a été contaminé par des composés terrigènes, le plus vraisemblablement par des sédiments paléozoïques.Les travaux de terrain, la pétrographie et la géothermobarométrie ont été utilisés dans le but de comprendre l'histoire interne du CHPC (chapitre 3). Ces données suggèrent deux niveaux distincts de cristallisation : l'un dans la croûte moyenne (6 à 4.5kbar) et l'autre à un niveau peu profond (3.5 à 2kbar). La modélisation isotopique AFC de la contamination crustale indique des taux variables d'assimilation, qui ne sont pas corrélés avec le degré de différenciation. Cela suggère que différents volumes de magma se sont différenciés en profondeur, de façon indépendante. Cela implique que le CHPC se serait formés en plusieurs puises de magmas provenant d'au moins trois sources différentes. Les textures des granodiorites et des granites indiquent des teneurs élevées en cristaux avant la mise en place et, par conséquent, des températures d'emplacement faibles. Les observations de terrain montrent que les roches mafiques sont déformées, alors que ce n'est pas le cas pour les granodiorites et granites (plus jeunes). La déformation des roches mafiques est encore sujet de recherche, afin de savoir si elle est liée à la déformation régionale en régime compressif ou à l'emplacement lui-même. Cependant, la mise en place de grand volume de magma felsique riche en cristaux suggère un régime d'extension.Scientific Abstract:Petrology and chemistry of the Chaltén Plutonic Complex and implications on the magmatic and tectonic evolution of the Southernmost Andes (Patagonia) during the MioceneThe subject of this thesis is the Chaltén Plutonic Complex (CHPC) located at the frontier between Chile and Argentina in Patagonia (at 49° 15 'Southern latitude). This complex intruded during early Miocene in a context of major tectonics changes. The plate geometry of Patagonia has been modified by changes in the plate motions after the break up of the Farallôn plate at 25Ma (Pardo-Casas and Molnar 1987) and by the subduction of the Chile spreading Ridge beneath South-America at 14 Ma (Cande and Leslie 1986). The effects of this tectonic setting on the morphology and the magmatism of the overriding plate are a matter of on-going discussion. Particularly intriguing in this context is a group of isolated Miocene intrusions - like the CHPC - which are located in a transitional position between the Patagonian Batholith and the Cenozoic and Recent volcanic arc in the West, and the Patagonian plateau lavas in the East (Fig. 1). Due to their transient tectonic position these isolated plutons outside the batholith represent a key to understanding the interaction between global-scale tectonics and magmatism in Patagonia. Here, I present new field, penological, geochemical and geochronological data to characterize the nature of the CHPC, which was largely unknown before this study, in order to test the hypothesis of time- transgressive magmatism.The results of the geochemical investigation (Chapter 2) show that the CHPC is only one among these isolated back-arc plutons with a characteristic calc-alkaline composition, i.e. arc signature. Most of these isolated intrusives have an alkaline character. The CHPC, in contrast, has a medium Κ calc-alkaline signature, like the Patagonian batholith and most of the Quaternary arc-related volcanic rocks along the Andes.New high precision TIMS U-Pb zircon dating of the CHPC yield ages between 17.0 to 16.4 Ma. The absolute ages support the sequence of intrusion relations established in the field (Chapter 1). These data are the first U-Pb age constraints on the CHPC, and clearly show that the magmatic history of CHPC has no direct link to the subduction of the ridge, since this complex is at least 6 Ma older than the time of collision of the Chile ridge at this latitude (Cande and Leslie 1986).An in-depth comparison with other intrusion of Miocene age in Patagonia reveals - for the first time - an interesting temporal pattern. There is a distinct E-W trend of calc-alkaline magmatism between 20-16 Ma with the younging of ages in the East - the CHPC is the easternmost expression of this trend. I suggest that this time-space relation reflects an eastward (landward) migration of the magmatic arc. I propose that main factor controlling this migration is the fast rates of subduction after the major reconfigurations of the plate tectonic motions after the break up of the Farallôn Plate (at -26 ) resulting in strong deformation and high rates of subduction erosion.High radiogenic isotope ratios (Pb, Sr, Nd) ratios, low 5018 signature and high Th/La ratios in mafic rocks are distinctive features of the CHPC. The presented isotopic models (Chapter 2) suggest that this signature reflects source contamination of the mantle wedge rather than crustal contamination. The trace element signature of the CHPC indicates that the mantle wedge was contaminated with a terrigenous component, most likely from Paleozoic sediments.Fieldwork, petrography and geothermobarometry were used to further unravel the internal history of the CHPC (Chapter 3). These data suggest two main levels of crystallization: one a mid crustal levels (6 to 4.5 kbar) and other a shallow level (3.5 to 2 kbar). Isotopic AFC modeling of crustal contamination indicate variable rates of assimilation, which are not correlated with the degree of differentiation. This suggests that different batches of magma differentiate independently at depths. This implies that the CHPC would have formed by several pulses of magmas from at least 3 different sources. Textures of granodiorites and granites indicate a high content of crystals previous to the emplacement and consequently low emplacement temperatures. Field observations show that the mafic rocks are deformed, whereas the (younger) granodiorites and granites are not. It is still subject of investigation whether the deformation of the mafic rocks is related to regional deformation during a compressional regime or to the emplacement it self. However, the emplacement of huge amount of crystal rich felsic magmas suggests an extensional regime.Résumé Grand PublicPétrologie et Géochimie du Complexe Plutonique de Chaltén et les conséquences pour l'évolution magmatique et tectonique du Andes du Sud (Patagonia) pendant le MiocèneLe Complexe Plutonique de Chaltén (CHPC) est un massif montagneux situé à 49°S à la frontière entre le Chili et l'Argentine, en Patagonie (région la plus au sud de l'Amérique du Sud). Il est composé de montagnes qui peuvent atteindre plus de 3000 mètres d'altitude, telles que le Cerro Fitz Roy (3400m) et le Cerro Torre (3100m). Ces montagnes sont composées de roches plutoniques, c.-à-d. des magmas qui se sont refroidis et ont cristallisés sous la surface terrestre.La composition chimique de ces roches montre que les magmas, qui ont formé ce complexe plutonique, font partie d'un volcanisme d'arc. Celui-ci se forme lorsqu'une plaque océanique plonge sous une plaque continentale. Les géologues appellent ce processus « subduction ». Dans un tel scénario, le manteau terrestre, qui se fait prendre entre ces deux plaques, fond pour former ainsi du magma. Ce magma remonte à travers la plaque continentale vers la surface. Si celui-ci atteint la surface, il forme les roches volcaniques, comme par exemple des laves. S'il n'atteint pas la surface, le magma se refroidit pour former finalement les roches plutoniques.Le long de la marge ouest d'Amérique du Sud, la plaque Nazca - qui se situe au sud-est de la plaque océanique pacifique - passe en dessous de la plaque d'Amérique du Sud. La bordure ouest du sud de la plaque sud-américaine a également été affectée par d'autres processus tectoniques, tels que des changements dramatiques dans les déplacements de plaques (il y a 25Ma) et la collision de la ride du Chili (depuis 15 Ma jusqu'à aujourd'hui). Ces caractéristiques tectoniques et magmatiques font de cette région un haut lieu pour les géologues. La plaque Nazca, s'est formée suite à l'ouverture d'une plaque océanique plus ancienne, il y a 25Ma. Cette ouverture est liée aux vitesses de subduction les plus rapides jamais connues. La ride du Chili est l'endroit où le sol de l'Océan Pacifique s'ouvre, formant deux plaques océaniques : les plaques Nazca et Antarctique. La ride du Chili subducte sous la plaque sud-américaine depuis 15Ma, en association avec la formation de grands volumes de magma ainsi que des changements morphologiques importants. La question de savoir lequel de ces changements tectoniques globaux affecte la géologie et la géographie de Patagonie a été, et est encore, discutée pendant de nombreuses années. De nombreux chercheurs suggèrent que la plupart des caractéristiques morphologiques et magmatiques en Patagonie sont liés à la subduction de la ride du Chili, mais cette suggestion est encore débattue comme le montre notre étude.Le batholithe de Patagonie du sud (SPB) est un énorme massif composé de roches plutoniques et il s'étend tout au long de la côte ouest de Patagonie (au sud de 47°S). Ces roches correspondent certainement aux racines d'un ancien arc volcanique, qui a été soulevé et érodé. Le CHPC, ainsi que d'autres petites intrusions dans la région, se situe dans une position exotique, à 100km à l'est du SPB. Certains chercheurs suggèrent que ces intrusions pourraient être liées à la subduction de la ride du Chili.Afin de débattre de cette problématique, nous avons utilisé différentes méthodes géochronologiques pour déterminer l'âge du CHPC et le comparer (a) à l'âge des roches intrusives similaires du SPB et (b) à l'âge de la collision de la ride du Chili. Dans ce travail, nous prouvons que le CHPC s'est formé au moins 7Ma avant la collision avec la ride du Chili. Sur la base des âges du CHPC et de la composition chimique de ses roches et minéraux, nous proposons que le CHPC fait partie d'un arc volcanique ancien. La migration de l'arc volcanique plus profondément dans le continent résulte de la grande vitesse de subduction entre 25 et lOMa. Des caractéristiques évidentes pour un tel processus - telles qu'une déformation importante et une vitesse d'érosion élevée - peuvent être rencontrées tout au long de la bordure ouest de l'Amérique du sud.

Pseudogenes in the ENCODE regions: consensus annotation, analysis of transcription, and evolution

Arising from either retrotransposition or genomic duplication of functional genes, pseudogenes are “genomic fossils” valuable for exploring the dynamics and evolution of genes and genomes. Pseudogene identification is an important problem in computational genomics, and is also critical for obtaining an accurate picture of a genome’s structure and function. However, no consensus computational scheme for defining and detecting pseudogenes has been developed thus far. As part of the ENCyclopedia Of DNA Elements (ENCODE) project, we have compared several distinct pseudogene annotation strategies and found that different approaches and parameters often resulted in rather distinct sets of pseudogenes. We subsequently developed a consensus approach for annotating pseudogenes (derived from protein coding genes) in the ENCODE regions, resulting in 201 pseudogenes, two-thirds of which originated from retrotransposition. A survey of orthologs for these pseudogenes in 28 vertebrate genomes showed that a significant fraction (∼80%) of the processed pseudogenes are primate-specific sequences, highlighting the increasing retrotransposition activity in primates. Analysis of sequence conservation and variation also demonstrated that most pseudogenes evolve neutrally, and processed pseudogenes appear to have lost their coding potential immediately or soon after their emergence. In order to explore the functional implication of pseudogene prevalence, we have extensively examined the transcriptional activity of the ENCODE pseudogenes. We performed systematic series of pseudogene-specific RACE analyses. These, together with complementary evidence derived from tiling microarrays and high throughput sequencing, demonstrated that at least a fifth of the 201 pseudogenes are transcribed in one or more cell lines or tissues.

Characterization and evolution of the novel gene family FAM90A in primates originated by multiple duplication and rearrangement events

Genomic plasticity of human chromosome 8p23.1 region is highly influenced by two groups of complex segmental duplications (SDs), termed REPD and REPP, that mediate different kinds of rearrangements. Part of the difficulty to explain the wide range of phenotypes associated with 8p23.1 rearrangements is that REPP and REPD are not yet well characterized, probably due to their polymorphic status. Here, we describe a novel primate-specific gene family, named FAM90A (family with sequence similarity 90), found within these SDs. According to the current human reference sequence assembly, the FAM90A family includes 24 members along 8p23.1 region plus a single member on chromosome 12p13.31, showing copy number variation (CNV) between individuals. These genes can be classified into subfamilies I and II, which differ in their upstream and 5′-untranslated region sequences, but both share the same open reading frame and are ubiquitously expressed. Sequence analysis and comparative fluorescence in situ hybridization studies showed that FAM90A subfamily II suffered a big expansion in the hominoid lineage, whereas subfamily I members were likely generated sometime around the divergence of orangutan and African great apes by a fusion process. In addition, the analysis of the Ka/Ks ratios provides evidence of functional constraint of some FAM90A genes in all species. The characterization of the FAM90A gene family contributes to a better understanding of the structural polymorphism of the human 8p23.1 region and constitutes a good example of how SDs, CNVs and rearrangements within themselves can promote the formation of new gene sequences with potential functional consequences.

Duplication and concerted evolution in a master sex determiner under balancing selection.

The transformer (tra) gene is a key regulator in the signalling hierarchy controlling all aspects of somatic sexual differentiation in Drosophila and other insects. Here, we show that six of the seven sequenced ants have two copies of tra. Surprisingly, the two paralogues are always more similar within species than among species. Comparative sequence analyses indicate that this pattern is owing to the ongoing concerted evolution after an ancestral duplication rather than independent duplications in each of the six species. In particular, there was strong support for inter-locus recombination between the paralogues of the ant Atta cephalotes. In the five species where the location of paralogues is known, they are adjacent to each other in four cases and separated by only few genes in the fifth case. Because there have been extensive genomic rearrangements in these lineages, this suggests selection acting to conserve their synteny. In three species, we also find a signature of positive selection in one of the paralogues. In three bee species where information is available, the tra gene is also duplicated, the copies are adjacent and in at least one species there was recombination between paralogues. These results suggest that concerted evolution plays an adaptive role in the evolution of this gene family.

Estimating the basic reproductive number from viral sequence data.

Epidemiological processes leave a fingerprint in the pattern of genetic structure of virus populations. Here, we provide a new method to infer epidemiological parameters directly from viral sequence data. The method is based on phylogenetic analysis using a birth-death model (BDM) rather than the commonly used coalescent as the model for the epidemiological transmission of the pathogen. Using the BDM has the advantage that transmission and death rates are estimated independently and therefore enables for the first time the estimation of the basic reproductive number of the pathogen using only sequence data, without further assumptions like the average duration of infection. We apply the method to genetic data of the HIV-1 epidemic in Switzerland.

The magmatic to hydrothermal evolution of the intrusive Mont Saint-Hilaire Complex: Insights into the late-stage evolution of peralkaline rocks

The Cretaceous Mont Saint-Hilaire complex (Quebec, Canada) comprises three major rock units that were emplaced in the following sequence: (I) gabbros; (II) diorites; (III) diverse partly agpaitic foid syenites. The major element compositions of the rock-forming minerals, age-corrected Nd and oxygen isotope data for mineral separates and trace element data of Fe-Mg silicates from the various lithologies imply a common source for all units. The distribution of the rare earth elements in clinopyroxene from the gabbros indicates an ocean island basalt type composition for the parental magma. Gabbros record temperatures of 1200 to 800 degrees C, variable silica activities between 0 center dot 7 and 0 center dot 3, and f(O2) values between -0 center dot 5 and +0 center dot 7 (log delta FMQ, where FMQ is fayalite-magnetite-quartz). The diorites crystallized under uniform a(SiO2) (a(SiO2) = 0 center dot 4-0 center dot 5) and more reduced f(O2) conditions (log delta FMQ similar to-1) between similar to 1100 and similar to 800 degrees C. Phase equilibria in various foid syenites indicate that silica activities decrease from 0 center dot 6-0 center dot 3 at similar to 1000 degrees C to < 0 center dot 3 at similar to 550 degrees C. Release of an aqueous fluid during the transition to the hydrothermal stage caused a(SiO2) to drop to very low values, which results from reduced SiO(2) solubilities in aqueous fluids compared with silicate melts. During the hydrothermal stage, high water activities stabilized zeolite-group minerals. Fluid inclusions record a complex post-magmatic history, which includes trapping of an aqueous fluid that unmixed from the restitic foid syenitic magma. Cogenetic aqueous and carbonic fluid inclusions reflect heterogeneous trapping of coexisting immiscible external fluids in the latest evolutionary stage. The O and C isotope characteristics of fluid-inclusion hosted CO(2) and late-stage carbonates imply that the surrounding limestones were the source of the external fluids. The mineral-rich syenitic rocks at Mont Saint-Hilaire evolved as follows: first, alkalis, high field strength and large ion lithophile elements were pre-enriched in the (late) magmatic and subsequent hydrothermal stages; second, percolation of external fluids in equilibrium with the carbonate host-rocks and mixing processes with internal fluids as well as fluid-rock interaction governed dissolution of pre-existing minerals, element transport and precipitation of mineral assemblages determined by locally variable parameters. It is this hydrothermal interplay between internal and external fluids that is responsible for the mineral wealth found at Mont Saint-Hilaire.

Independent evolution of hypervariable regions of HIV-1 gp120: V4 as a swarm of N-Linked glycosylation variants

In this study we have characterized intra-patient length polymorphism in V4 by cloning and sequencing a C2-C4 fragment from HIV plasma RNA in patients at different stages of HIV disease. Clonal analysis of clade B, G, and CRF02 isolates during early infection shows extensive intra-patient V4 variability, due to the presence of indel-associated polymorphism. Indels, coupled to amino acid substitution events, affect the number and distribution of potential N-glycosylation sites, resulting in the coexistence, within the same patient, of V4 subsets, each characterized by different sizes, amino acid sequences, and potential N-glycosylation patterns. In contrast, V3 appears to be relatively homogeneous, with similar V3 associated to significantly different V4 within the same clinical specimen. Based on these data, we propose that during early chronic infection V4 is present as a highly divergent quasispecies, enabling the virus to adopt different conformational structures according to immune constrains and other selective pressures

Analyses of six homologous proteins of Protochlamydia amoebophila UWE25 encoded by large GC-rich genes (lgr): a model of evolution and concatenation of leucine-rich repeats.

BACKGROUND: Along the chromosome of the obligate intracellular bacteria Protochlamydia amoebophila UWE25, we recently described a genomic island Pam100G. It contains a tra unit likely involved in conjugative DNA transfer and lgrE, a 5.6-kb gene similar to five others of P. amoebophila: lgrA to lgrD, lgrF. We describe here the structure, regulation and evolution of these proteins termed LGRs since encoded by "Large G+C-Rich" genes. RESULTS: No homologs to the whole protein sequence of LGRs were found in other organisms. Phylogenetic analyses suggest that serial duplications producing the six LGRs occurred relatively recently and nucleotide usage analyses show that lgrB, lgrE and lgrF were relocated on the chromosome. The C-terminal part of LGRs is homologous to Leucine-Rich Repeats domains (LRRs). Defined by a cumulative alignment score, the 5 to 18 concatenated octacosapeptidic (28-meric) LRRs of LGRs present all a predicted alpha-helix conformation. Their closest homologs are the 28-residue RI-like LRRs of mammalian NODs and the 24-meres of some Ralstonia and Legionella proteins. Interestingly, lgrE, which is present on Pam100G like the tra operon, exhibits Pfam domains related to DNA metabolism. CONCLUSION: Comparison of the LRRs, enable us to propose a parsimonious evolutionary scenario of these domains driven by adjacent concatenations of LRRs. Our model established on bacterial LRRs can be challenged in eucaryotic proteins carrying less conserved LRRs, such as NOD proteins and Toll-like receptors.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

Stratigraphical discontinuities, tropical landscape evolution and soil distribution relationships in a case study in SE-Brazil

On a regional summit surface in the county of Piracicaba (SP) within the Peripheric Depression of São Paulo, formed of discontinued flattened tops, there is an abrupt transition between a Typic Hapludox and a Kandiudalfic Eutrudox, together with two stoneline layers. Using stratigraphical, mineralogical, and cartographic studies, this transition and the soil distribution of this surface were studied, correlating them with the different parent materials and the morphoclimatic model of landscape evolution in Southeastern Brazil. The Typic Hapludox was formed on a sandy Cenozoic deposit (Q) that overlies a pellitic deposit of the Iratí formation (Pi), representing a regional erosive discordance. Westwards to the Piracicaba River, this sequence is interrupted by a diabase sill overlain by a red clayey material which gave origin to the Kandiudalfic Eutrudox. Two post-Permian depositional events were identified by the two stonelines and stratigraphical discontinuities. The first event generated the deposition of a sandy sediment in the form of levelled alveoluses on regional barriers, most of these formed by dikes and diabase sills, probably during a drier phase. The second depositional event, leading to the deposition of the red clay was probably the dissection of the previously formed pediplane during a humid climate, followed by another pedimentation process during a later, drier period.

A phylogenetic study of the phosphoenolpyruvate carboxylase multigene family in Poaceae: understanding the molecular changes linked to C4 photosynthesis evolution

Phylogenetic reconstructions have supported several independent appearances of C₄ photosynthesis within grasses (Poaceae). These recurrent appearances appear to contradict the large number of biochemical and morphological changes required to change from C₃ to C₄, a paradox that leads to questions about the genetic changes underlying C₄ evolution. In this study, we analysed sequences encoding phosphoenolpyruvate carboxylases (PEPCs) in grasses in order to gain insights into the origin of the ppc-C₄ gene, which encodes a key enzyme in the C₄ pathway. We screened databanks for PEPC genes or cDNAs in grasses. A coding sequence of 1130 base pairs was used to build phylogenetic trees that supported the existence of four distinct PEPC gene lineages. Ppc-C₄ present in all C₄ grasses was also found in two C₃ species. The ppc-C₄ clade was congruent with the species tree, suggesting orthologous evolution. This result would imply that ppc-C₄ appeared without any duplication event. Nevertheless, caution is needed since the sampling of our study is still far from comprehensive. Further investigation with an increased sampling is recommended to elucidate the evolutionary changes underlying ppc-C₄ gene evolution in grasses.

Paleoenvironmental evolution of the Helvetic shallow-water carbonate platform near the Barremian-Aptian boundary, and its relationship with paleoceanographic and paleoclimatic change in the Tethys

Abstract:During my doctoral research, I focused on deciphering the interactions between sea-level and climate change during the Late Barremian-Early Aptian, their expression in the Tethys basin and in the Helvetic carbonate platform. The research highlights are summarized here in three points: In the Helvetic Alps, the transition between the Lower Schrattenkalk (Upper Barremian) and the Rawil Member (Lowermost Aptian) is characterized by a change from a predominantly photozoan to a heterozoan carbonate-producing system, which coincides in time with a general increase in detrital and nutrient input. The clay mineral record shows the appearance of kaolinite within the Rawil Member, whereas this mineral is absent from the uppermost Lower and lowermost Upper Schrattenkalk Members. This indicates the installation of a warmer and more humid climate during this time period. A negative peak in 513C is recorded at the top of the Lower Schrattenkalk Member, and correlates with the well-known negative excursion of -l%o occurring in other basins and dated as latest Barremian, thus confirming a latest Barremian and earliest Aptian age for the Lower Schrattenkalk and Rawil Members, respectively. Furthermore, a sequence stratigraphie framework has been defined for the Rawil Member, based on both the ecology of faunal and floral assemblages, and their palaeoenvironmental interpretation, as well as on the stacking pattern of limestone beds observed during field prospection. The presence of a sequence boundary is postulated near the top of the Lower Schrattenkalk Member, which is correlated with the earliest Aptian SbAl defined in Vercors (France). The SbAl is characterized by a maximum of proximal assemblages and by the disappearance of several benthic foraminiferal species. Within the Rawil Member itself, the stacking pattern and microfacies trends are interpreted to represent the TST of the first Aptian sequence. With regards to the pelagic setting in the Tethyan realm, I investigated the Gorgo a Cerbara section (central Italy). There, thin organic-rich layers occur episodically in pelagic carbonates of the upper Barremian portion of the Maiolica Formation. They are associated with high Corg:Ptot ratios, which indicate the presence of intermittent dysoxic to anoxic conditions. Coarse correlations are also observed between TOC, Ρ and biogenic silica contents, indicating links between Ρ availability, productivity, and organic matter preservation. The corresponding 813Ccarb and δ180 records remain, however, quite stable, indicating that these brief periods of enhanced TOC preservation did not have sufficient impact on the marine carbon household to deviate 6,3C records, and are probably not the consequence of major climate change. On the other hand, organic-rich layers become more frequent around the Barremian-Aptian boundary in both pelagic and hemi-pelagic environments (Gorgo a Cerbara and La Bédoule, France), which are correlated with negative excursions in 6l3Ccarb and 613Corg records. During the earliest Aptian, at Gorgo a Cerbara, the frequency of organic-rich intervals progressively increases and redox-sensitive trace-element enrichments become more frequent, until the highest TOC-enriched level just below the "Livello Selli", indicator of Oceanic Anoxic Event la (OAEla). The latter is associated with the well-known negative spike in 613Ccarb and S,3Corg records, a diminution in the δ,80 record interpreted as the consequence of a wanning interval, an important peak in Ρ accumulation and high Cor::Ptot ratios indicating the prevalence of anoxic conditions. The Selli Level (OAEla) documents a general cooling phase and coincides with maximum RSTE enrichments as well as high Corg:Ptot ratios, which confirm the importance of anoxic conditions during OAE1 a at this site.During the Early Aptian, environmental change on the platform is expressed by orbitolinids proliferation that may be induced by both climate change and sea-level rise. In the basin, the successive black shales horizons from the Late Barremian until the OAE la are interpreted as the progressive impact of palaeoenvironmental change probably linked to the formation of the Ontong- Java plate-basalt plateau.RésuméCe travail de thèse a permis d'investiguer les interactions entre les variations du niveau marin et les changements climatiques sur la plate-forme helvétique ainsi qu'en domaine pélagique à la limite Barrémien-Aptien (Crétacé).Dans les Alpes helvétiques, la limite Barrémien-Aptien est marquée par la transition du Schrattenkalk inférieur, caractérisé par des carbonates photozaires, au Membre de Rawil caractérisé par des carbonates héterozoaires. Cette transition est marquée par une arrivée massive d'éléments détritiques et un apport de nutriments ayant entraîné la prolifération de foraminifères agglutinés tels que les orbitolines. L'analyse des minéraux argileux indique l'apparition de la kaolinite durant le Membre de Rawil, interprétée comme l'installation d'un climat plus chaud et humide. Un pic négatif en 513C est enregistré au sommet du Schrattenkalk inférieur correspond à l'excursion négative de -1%0 bien connue en domaine pélagique et datée comme Barrémien terminal. Cette corrélation apporte un contrôle chronostratigraphique supplémentaire permettant de dater le Schrattenkalk inférieur du Barrémien sup. et le Membre de Rawil de l'Aptien inf. D'autre part, une étude stratigraphique, basée sur des observations de terrain et sur l'interprétation d'assemblages floristiques et faunistiques en terme de paléoenvironnement a permis de mettre en évidence une limite de séquence au sommet du Schrattenkalk inf., corrélable avec la SbAl définie dans le Vercors. Durant la mise en place du Membre de Rawil, l'évolution des microfaciès est interprétée comme le « Transgressive System Tract » de la première séquence aptienne.En domaine pélagique, de minces couches riches en matière organique (MO) apparaissent dès le Barrémien sup. dans la coupe de Gorgo a Cerbara (Italie). Elles sont associées à un ratio C:P élevé indiquant des conditions épisodiquement dysoxiques à anoxiques. De plus, une corrélation nette entre Carbone Organique Total (TOC), phosphore (P) et silice biogénique est observée correspondant à un lien entre Ρ disponible, productivité et préservation de la MO. Pourtant, dans le même temps, le ÔI3C et le δ1βΟ restent constants indiquant des conditions environnementales stables et un cycle du carbone non perturbé par la préservation de MO qui ne serait pas la conséquence d'un changement climatique global mais juste d'un effet local.Ala limite Barrémien-Aptien, en domaine hémi-pélagique (La Bédoule, France) et pélagique (Gorgo a Cerbara), les couches riches en MO sont plus fréquentes et plus épaisses, elles se sont déposées en même temps qu'un pic négatif en 513CCARB et ô13Coib probablement dû à un épisode volcanique. A l'Aptien inf. le TOC des niveaux riches en MO augmente progressivement en même temps que la teneur en éléments traces jusqu'au dernier enrichissement avant l'événement anoxique océanique la (OAE la) correspondant au « niveau critique inf. », indiquant des conditions anoxiques moins restreintes. Celui-ci est également caractérisé par le fameux pic négatif en Ô13C (C3), une diminution du δ180 interprétée comme un réchauffement, par un pic en Ρ et un ratio C:P élevé. L'OAE 1 a, quant à lui, enregistre un refroidissement et coïncide avec le maximum en éléments traces ainsi qu'un fort ratio C:P mettant en valeur l'importance des conditions anoxiques pendant 1ΌΑΕ la dans cette coupe alors qu'aucune perturbation n'est enregistrés à La Bédoule probablement à cause de conditions paléogéographiques locales.Durant l'Aptien inf., les changements environnementaux sur la plate-forme se marquent par la prolifération d'orbitolines due à un changement climatique et une hausse du niveau marin. En domaine profond, la succession de niveaux riches en MO du Barrémien sup. jusqu'à l'OAE la documente l'impact progressif de changements paléoenvironnementaux, probablement liés à la formation du plateau d'Ontong Java à l'ouest de l'océan Pacifique.

One billion years of bZIP transcription factor evolution: conservation and change in dimerization and DNA-binding site specificity.

The genomic era has revealed that the large repertoire of observed animal phenotypes is dependent on changes in the expression patterns of a finite number of genes, which are mediated by a plethora of transcription factors (TFs) with distinct specificities. The dimerization of TFs can also increase the complexity of a genetic regulatory network manifold, by combining a small number of monomers into dimers with distinct functions. Therefore, studying the evolution of these dimerizing TFs is vital for understanding how complexity increased during animal evolution. We focus on the second largest family of dimerizing TFs, the basic-region leucine zipper (bZIP), and infer when it expanded and how bZIP DNA-binding and dimerization functions evolved during the major phases of animal evolution. Specifically, we classify the metazoan bZIPs into 19 families and confirm the ancient nature of at least 13 of these families, predating the split of the cnidaria. We observe fixation of a core dimerization network in the last common ancestor of protostomes-deuterostomes. This was followed by an expansion of the number of proteins in the network, but no major dimerization changes in interaction partners, during the emergence of vertebrates. In conclusion, the bZIPs are an excellent model with which to understand how DNA binding and protein interactions of TFs evolved during animal evolution.

RPS4Y gene family evolution in primates

Background: The RPS4 gene codifies for ribosomal protein S4, a very well-conserved protein present in all kingdoms. In primates, RPS4 is codified by two functional genes located on both sex chromosomes: the RPS4X and RPS4Y genes. In humans, RPS4Y is duplicated and the Y chromosome therefore carries a third functional paralog: RPS4Y2, which presents a testis-specific expression pattern. Results: DNA sequence analysis of the intronic and cDNA regions of RPS4Y genes from species covering the entire primate phylogeny showed that the duplication event leading to the second Y-linked copy occurred after the divergence of New World monkeys, about 35 million years ago. Maximum likelihood analyses of the synonymous and non-synonymous substitutions revealed that positive selection was acting on RPS4Y2 gene in the human lineage, which represents the first evidence of positive selection on a ribosomal protein gene. Putative positive amino acid replacements affected the three domains of the protein: one of these changes is located in the KOW protein domain and affects the unique invariable position of this motif, and might thus have a dramatic effect on the protein function.Conclusion: Here, we shed new light on the evolutionary history of RPS4Y gene family, especially on that of RPS4Y2. The results point that the RPS4Y1 gene might be maintained to compensate gene dosage between sexes, while RPS4Y2 might have acquired a new function, at least in the lineage leading to humans.