Évolution moléculaire : un modèle Markov-modulé pour les processus de substitution

Les processus Markoviens continus en temps sont largement utilisés pour tenter d’expliquer l’évolution des séquences protéiques et nucléotidiques le long des phylogénies. Des modèles probabilistes reposant sur de telles hypothèses sont conçus pour satisfaire la non-homogénéité spatiale des contraintes fonctionnelles et environnementales agissant sur celles-ci. Récemment, des modèles Markov-modulés ont été introduits pour décrire les changements temporels dans les taux d’évolution site-spécifiques (hétérotachie). Des études ont d’autre part démontré que non seulement la force mais également la nature de la contrainte sélective agissant sur un site peut varier à travers le temps. Ici nous proposons de prendre en charge cette réalité évolutive avec un modèle Markov-modulé pour les protéines sous lequel les sites sont autorisés à modifier leurs préférences en acides aminés au cours du temps. L’estimation a posteriori des différents paramètres modulants du noyau stochastique avec les méthodes de Monte Carlo est un défi de taille que nous avons su relever partiellement grâce à la programmation parallèle. Des réglages computationnels sont par ailleurs envisagés pour accélérer la convergence vers l’optimum global de ce paysage multidimensionnel relativement complexe. Qualitativement, notre modèle semble être capable de saisir des signaux d’hétérogénéité temporelle à partir d’un jeu de données dont l’histoire évolutive est reconnue pour être riche en changements de régimes substitutionnels. Des tests de performance suggèrent de plus qu’il serait mieux ajusté aux données qu’un modèle équivalent homogène en temps. Néanmoins, les histoires substitutionnelles tirées de la distribution postérieure sont bruitées et restent difficilement interprétables du point de vue biologique.

Estimation des longueurs de branche et artefact sur la datation moléculaire

La phylogénie moléculaire fournit un outil complémentaire aux études paléontologiques et géologiques en permettant la construction des relations phylogénétiques entre espèces ainsi que l’estimation du temps de leur divergence. Cependant lorsqu’un arbre phylogénétique est inféré, les chercheurs se focalisent surtout sur la topologie, c'est-à-dire l’ordre de branchement relatif des différents nœuds. Les longueurs des branches de cette phylogénie sont souvent considérées comme des sous-produits, des paramètres de nuisances apportant peu d’information. Elles constituent cependant l’information primaire pour réaliser des datations moléculaires. Or la saturation, la présence de substitutions multiples à une même position, est un artefact qui conduit à une sous-estimation systématique des longueurs de branche. Nous avons décidé d’estimer l‘influence de la saturation et son impact sur l’estimation de l’âge de divergence. Nous avons choisi d’étudier le génome mitochondrial des mammifères qui est supposé avoir un niveau élevé de saturation et qui est disponible pour de nombreuses espèces. De plus, les relations phylogénétiques des mammifères sont connues, ce qui nous a permis de fixer la topologie, contrôlant ainsi un des paramètres influant la longueur des branches. Nous avons utilisé principalement deux méthodes pour améliorer la détection des substitutions multiples : (i) l’augmentation du nombre d’espèces afin de briser les plus longues branches de l’arbre et (ii) des modèles d’évolution des séquences plus ou moins réalistes. Les résultats montrèrent que la sous-estimation des longueurs de branche était très importante (jusqu'à un facteur de 3) et que l’utilisation d'un grand nombre d’espèces est un facteur qui influence beaucoup plus la détection de substitutions multiples que l’amélioration des modèles d’évolutions de séquences. Cela suggère que même les modèles d’évolution les plus complexes disponibles actuellement, (exemple: modèle CAT+Covarion, qui prend en compte l’hétérogénéité des processus de substitution entre positions et des vitesses d’évolution au cours du temps) sont encore loin de capter toute la complexité des processus biologiques. Malgré l’importance de la sous-estimation des longueurs de branche, l’impact sur les datations est apparu être relativement faible, car la sous-estimation est plus ou moins homothétique. Cela est particulièrement vrai pour les modèles d’évolution. Cependant, comme les substitutions multiples sont le plus efficacement détectées en brisant les branches en fragments les plus courts possibles via l’ajout d’espèces, se pose le problème du biais dans l’échantillonnage taxonomique, biais dû à l‘extinction pendant l’histoire de la vie sur terre. Comme ce biais entraine une sous-estimation non-homothétique, nous considérons qu’il est indispensable d’améliorer les modèles d’évolution des séquences et proposons que le protocole élaboré dans ce travail permettra d’évaluer leur efficacité vis-à-vis de la saturation.

Amélioration de l'exactitude de l'inférence phylogénomique

L’explosion du nombre de séquences permet à la phylogénomique, c’est-à-dire l’étude des liens de parenté entre espèces à partir de grands alignements multi-gènes, de prendre son essor. C’est incontestablement un moyen de pallier aux erreurs stochastiques des phylogénies simple gène, mais de nombreux problèmes demeurent malgré les progrès réalisés dans la modélisation du processus évolutif. Dans cette thèse, nous nous attachons à caractériser certains aspects du mauvais ajustement du modèle aux données, et à étudier leur impact sur l’exactitude de l’inférence. Contrairement à l’hétérotachie, la variation au cours du temps du processus de substitution en acides aminés a reçu peu d’attention jusqu’alors. Non seulement nous montrons que cette hétérogénéité est largement répandue chez les animaux, mais aussi que son existence peut nuire à la qualité de l’inférence phylogénomique. Ainsi en l’absence d’un modèle adéquat, la suppression des colonnes hétérogènes, mal gérées par le modèle, peut faire disparaître un artéfact de reconstruction. Dans un cadre phylogénomique, les techniques de séquençage utilisées impliquent souvent que tous les gènes ne sont pas présents pour toutes les espèces. La controverse sur l’impact de la quantité de cellules vides a récemment été réactualisée, mais la majorité des études sur les données manquantes sont faites sur de petits jeux de séquences simulées. Nous nous sommes donc intéressés à quantifier cet impact dans le cas d’un large alignement de données réelles. Pour un taux raisonnable de données manquantes, il appert que l’incomplétude de l’alignement affecte moins l’exactitude de l’inférence que le choix du modèle. Au contraire, l’ajout d’une séquence incomplète mais qui casse une longue branche peut restaurer, au moins partiellement, une phylogénie erronée. Comme les violations de modèle constituent toujours la limitation majeure dans l’exactitude de l’inférence phylogénétique, l’amélioration de l’échantillonnage des espèces et des gènes reste une alternative utile en l’absence d’un modèle adéquat. Nous avons donc développé un logiciel de sélection de séquences qui construit des jeux de données reproductibles, en se basant sur la quantité de données présentes, la vitesse d’évolution et les biais de composition. Lors de cette étude nous avons montré que l’expertise humaine apporte pour l’instant encore un savoir incontournable. Les différentes analyses réalisées pour cette thèse concluent à l’importance primordiale du modèle évolutif.

Un oeil sur la langue : aspects neuro-cognitifs du processus de la navigation chez l'aveugle-né

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement.

La méthadone permet-elle de sortir du monde de la drogue? : points de vue de personnes inscrites aux programmes de substitution

Deux paradigmes se côtoient dans le traitement de la dépendance au Québec. Tout d’abord, il y a le paradigme de l’abstinence avec un modèle d’intervention souvent basé sur les Alcooliques Anonymes. Avec ce modèle, l’alcoolisme (ou la toxicomanie) est défini comme une maladie. En ce qui a trait à la réduction des méfaits, cette dernière vise la réduction des effets néfastes de l’usage de drogues plutôt que l’élimination de leur usage (Brisson, 1997). Nous nous sommes intéressés à une intervention inscrite dans ce paradigme soit le programme de substitution à la méthadone. Cette étude avait comme but de connaître les perceptions de personnes inscrites à ce programme, comprendre comment est vécu le rétablissement à travers la participation au programme et connaître les perceptions de ces personnes en ce qui a trait aux conséquences de la dépendance. Un cadre théorique s’inscrivant dans la perspective de l’interactionnisme symbolique a été choisi. Plus précisément, les processus de transformations normatives de Maria Caiata Zufferey, la théorie de l’étiquetage d’Howard Becker et le concept de stigmate d’Erving Goffman ont été retenus. Ensuite, dix entrevues semi-dirigées auprès d’hommes et de femmes majeures inscrites à un programme de substitution à la méthadone ont été réalisées. En ce qui a trait au chapitre portant sur les résultats, il a mis en lumière différents rapports à la méthadone vécus par les participants. Pour ce faire, trois figures construites à l’aide de l’analyse typologique ont été développées. Il ressort que pour certaines personnes, la méthadone fut décrite comme un substitut nécessaire, pour d’autres, elle correspondait à une aide dont ils veulent se débarrasser et pour une minorité, elle suscitait de l’ambivalence. En définitive, bien que la substitution demeure le traitement de choix pour la dépendance aux opioïdes, il est difficile de parler de sortie du monde de la drogue à l’aide de la méthadone puisque ce traitement apparaît comme étant presque aussi stigmatisé que la dépendance à l’héroïne (Lauzon, 2011). À première vue, la méthadone permet de prendre une distance avec le monde de la drogue (l’argent facile, les vols, la prostitution) et permet de se reconstruire une existence sur la base de repères stables, mais à bien considérer les choses, elle confine les personnes interrogées dans une situation d’ambivalence puisqu’elle les rattache à une identité de toxicomane. Mots-clés : dépendance, programme de substitution à la méthadone, perception, participant, réduction des méfaits, stigmatisation.

No evidence for association of ataxia-telangiectasia mutated gene T2119C and C3161G amino acid substitution variants with risk of breast cancer

Background There is evidence that certain mutations in the double-strand break repair pathway ataxia-telangiectasia mutated gene act in a dominant-negative manner to increase the risk of breast cancer. There are also some reports to suggest that the amino acid substitution variants T2119C Ser707Pro and C3161G Pro1054Arg may be associated with breast cancer risk. We investigate the breast cancer risk associated with these two nonconservative amino acid substitution variants using a large Australian population-based case–control study. Methods The polymorphisms were genotyped in more than 1300 cases and 600 controls using 5' exonuclease assays. Case–control analyses and genotype distributions were compared by logistic regression. Results The 2119C variant was rare, occurring at frequencies of 1.4 and 1.3% in cases and controls, respectively (P = 0.8). There was no difference in genotype distribution between cases and controls (P = 0.8), and the TC genotype was not associated with increased risk of breast cancer (adjusted odds ratio = 1.08, 95% confidence interval = 0.59–1.97, P = 0.8). Similarly, the 3161G variant was no more common in cases than in controls (2.9% versus 2.2%, P = 0.2), there was no difference in genotype distribution between cases and controls (P = 0.1), and the CG genotype was not associated with an increased risk of breast cancer (adjusted odds ratio = 1.30, 95% confidence interval = 0.85–1.98, P = 0.2). This lack of evidence for an association persisted within groups defined by the family history of breast cancer or by age. Conclusion The 2119C and 3161G amino acid substitution variants are not associated with moderate or high risks of breast cancer in Australian women.

Drivers of technology substitution : successive generations of high tech products

Principal Topic High technology consumer products such as notebooks, digital cameras and DVD players are not introduced into a vacuum. Consumer experience with related earlier generation technologies, such as PCs, film cameras and VCRs, and the installed base of these products strongly impacts the market diffusion of the new generation products. Yet technology substitution has received only sparse attention in the diffusion of innovation literature. Research for consumer durables has been dominated by studies of (first purchase) adoption (c.f. Bass 1969) which do not explicitly consider the presence of an existing product/technology. More recently, considerable attention has also been given to replacement purchases (c.f. Kamakura and Balasubramanian 1987). Only a handful of papers explicitly deal with the diffusion of technology/product substitutes (e.g. Norton and Bass, 1987: Bass and Bass, 2004). They propose diffusion-type aggregate-level sales models that are used to forecast the overall sales for successive generations. Lacking household data, these aggregate models are unable to give insights into the decisions by individual households - whether to adopt generation II, and if so, when and why. This paper makes two contributions. It is the first large-scale empirical study that collects household data for successive generations of technologies in an effort to understand the drivers of adoption. Second, in comparision to traditional analysis that evaluates technology substitution as an ''adoption of innovation'' type process, we propose that from a consumer's perspective, technology substitution combines elements of both adoption (adopting the new generation technology) and replacement (replacing the generation I product with generation II). Based on this proposition, we develop and test a number of hypotheses. Methodology/Key Propositions In some cases, successive generations are clear ''substitutes'' for the earlier generation, in that they have almost identical functionality. For example, successive generations of PCs Pentium I to II to III or flat screen TV substituting for colour TV. More commonly, however, the new technology (generation II) is a ''partial substitute'' for existing technology (generation I). For example, digital cameras substitute for film-based cameras in the sense that they perform the same core function of taking photographs. They have some additional attributes of easier copying and sharing of images. However, the attribute of image quality is inferior. In cases of partial substitution, some consumers will purchase generation II products as substitutes for their generation I product, while other consumers will purchase generation II products as additional products to be used as well as their generation I product. We propose that substitute generation II purchases combine elements of both adoption and replacement, but additional generation II purchases are solely adoption-driven process. Extensive research on innovation adoption has consistently shown consumer innovativeness is the most important consumer characteristic that drives adoption timing (Goldsmith et al. 1995; Gielens and Steenkamp 2007). Hence, we expect consumer innovativeness also to influence both additional and substitute generation II purchases. Hypothesis 1a) More innovative households will make additional generation II purchases earlier. 1 b) More innovative households will make substitute generation II purchases earlier. 1 c) Consumer innovativeness will have a stronger impact on additional generation II purchases than on substitute generation II purchases. As outlined above, substitute generation II purchases act, in part like a replacement purchase for the generation I product. Prior research (Bayus 1991; Grewal et al 2004) identified product age as the most dominant factor influencing replacements. Hence, we hypothesise that: Hypothesis 2: Households with older generation I products will make substitute generation II purchases earlier. Our survey of 8,077 households investigates their adoption of two new generation products: notebooks as a technology change to PCs, and DVD players as a technology shift from VCRs. We employ Cox hazard modelling to study factors influencing the timing of a household's adoption of generation II products. We determine whether this is an additional or substitute purchase by asking whether the generation I product is still used. A separate hazard model is conducted for additional and substitute purchases. Consumer Innovativeness is measured as domain innovativeness adapted from the scales of Goldsmith and Hofacker (1991) and Flynn et al. (1996). The age of the generation I product is calculated based on the most recent household purchase of that product. Control variables include age, size and income of household, and age and education of primary decision-maker. Results and Implications Our preliminary results confirm both our hypotheses. Consumer innovativeness has a strong influence on both additional purchases (exp = 1.11) and substitute purchases (exp = 1.09). Exp is interpreted as the increased probability of purchase for an increase of 1.0 on a 7-point innovativeness scale. Also consistent with our hypotheses, the age of the generation I product has a dramatic influence for substitute purchases of VCR/DVD (exp = 2.92) and a strong influence for PCs/notebooks (exp = 1.30). Exp is interpreted as the increased probability of purchase for an increase of 10 years in the age of the generation I product. Yet, also as hypothesised, there was no influence on additional purchases. The results lead to two key implications. First, there is a clear distinction between additional and substitute purchases of generation II products, each with different drivers. Treating these as a single process will mask the true drivers of adoption. For substitute purchases, product age is a key driver. Hence, implications for marketers of high technology products can utilise data on generation I product age (e.g. from warranty or loyalty programs) to target customers who are more likely to make a purchase.

Experimental observations of rapid maize streak virus evolution reveal a strand-specific nucleotide substitution bias

Background. Recent reports have indicated that single-stranded DNA (ssDNA) viruses in the taxonomic families Geminiviridae, Parvoviridae and Anellovirus may be evolving at rates of ∼10-4 substitutions per site per year (subs/site/year). These evolution rates are similar to those of RNA viruses and are surprisingly high given that ssDNA virus replication involves host DNA polymerases with fidelities approximately 10 000 times greater than those of error-prone viral RNA polymerases. Although high ssDNA virus evolution rates were first suggested in evolution experiments involving the geminivirus maize streak virus (MSV), the evolution rate of this virus has never been accurately measured. Also, questions regarding both the mechanistic basis and adaptive value of high geminivirus mutation rates remain unanswered. Results. We determined the short-term evolution rate of MSV using full genome analysis of virus populations initiated from cloned genomes. Three wild type viruses and three defective artificial chimaeric viruses were maintained in planta for up to five years and displayed evolution rates of between 7.4 × 10-4 and 7.9 × 10-4 subs/site/year. Conclusion. These MSV evolution rates are within the ranges observed for other ssDNA viruses and RNA viruses. Although no obvious evidence of positive selection was detected, the uneven distribution of mutations within the defective virus genomes suggests that some of the changes may have been adaptive. We also observed inter-strand nucleotide substitution imbalances that are consistent with a recent proposal that high mutation rates in geminiviruses (and possibly ssDNA viruses in general) may be due to mutagenic processes acting specifically on ssDNA molecules. © 2008 Walt et al; licensee BioMed Central Ltd.

Effect of aging time and Al substitution on the morphology of aluminous goethite

Goethite and Al-substituted goethite were synthesized from the reaction between ferric nitrate and/or aluminum nitrate and potassium hydroxide. XRF, XRD, TEM with EDS were used to characterize the chemical composition, phase and lattice parameters, and morphology of the synthesized products. The results show that d(020) decreases from 4.953 to 4.949 Å and the b dimension decreases from 9.951 Å to 9.906 Å when the aging time increases from 6 days to 42 days for 9.09 mol% Al-substituted goethite. A sample with 9.09 mol% Al substitution in Al-substituted goethite was prepared by a rapid co-precipitation method. In the sample, 13.45 mol%, 12.31 mol% and 5.85 mol% Al substitution with a crystal size of 163, 131, and 45 nm are observed as shown in the TEM images and EDS. The crystal size of goethite is positively related to the degree of Al substitution according to the TEM images and EDS results. Thus, this methodology is proved to be effective to distinguish the morphology of goethite and Al substituted goethite.

Kinetic study of goethite dehydration and the effect of aluminium substitution on the dehydrate

Goethite and Al-substituted goethite were synthesized and were characterized using XRD and XRF. The kinetic study of goethite dehydrate was investigated by TG and DTG at different heating rates (2, 5, 10, 15, 20 ◦C/min) and the effect of Al substitution for Fe on dehydrate was studied. The results showed that two types of absorbed water with the same Ed values of 3.4, 6.2 kJ/mol were confirmed on goethite and Alsubstituted goethite. Three types of hydroxyl units were proved, one being on the surface and the other two being in the structure of goethite. The substitution of Al for Fe in the structure of goethite decreases the desorption rate of hydroxyl, increases the dehydroxylation temperature, broadens the desorption peaks in DTG curves, and improves the Ed values from 19.4, 20.4, 26.1 kJ/mol to 21.6, 30, 33.6 kJ/mol when Al substitution comes to 9.1%.

Does energy substitution affect carbon dioxide emissions : income relationship?

Considerable discussion has taken place during the last decade regarding the role of economic growth in determining environmental quality. Using data from 30 OECD countries for the period 1960-2003 and the nonparametric method of generalized additive models, which enables us to use flexible functional forms, this paper examines the environmental Kuznets curve hypothesis for carbon dioxide (CO2). We find that the reduction of coal share in energy use has a significant effect on CO2. Our results imply that economic growth is not sufficient to decrease CO2 emissions.

A Chlamydia trachomatis strain with a chemically generated amino acid substitution (P370L) in the cthtrA gene shows reduced elementary body production

Background Chlamydia (C.) trachomatis is the most prevalent bacterial sexually transmitted infection worldwide and the leading cause of preventable blindness. Genetic approaches to investigate C. trachomatis have been only recently developed due to the organism’s intracellular developmental cycle. HtrA is a critical stress response serine protease and chaperone for many bacteria and in C. trachomatis has been previously shown to be important for heat stress and the replicative phase of development using a chemical inhibitor of the CtHtrA activity. In this study, chemically-induced SNVs in the cthtrA gene that resulted in amino acid substitutions (A240V, G475E, and P370L) were identified and characterized. Methods SNVs were initially biochemically characterized in vitro using recombinant protein techniques to confirm a functional impact on proteolysis. The C. trachomatis strains containing the SNVs with marked reductions in proteolysis were investigated in cell culture to identify phenotypes that could be linked to CtHtrA function. Results The strain harboring the SNV with the most marked impact on proteolysis (cthtrAP370L) was detected to have a significant reduction in the production of infectious elementary bodies. Conclusions This provides genetic evidence that CtHtrA is critical for the C. trachomatis developmental cycle.