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Les interactions fonctionnelles (IFs) entre les gènes décrivent en quelque sorte comment les gènes s'influencent mutuellement pour régir le dynamisme des systèmes biologiques. La caractérisation des IFs et, en particulier, de leurs réseaux, est donc d'une importance capitale pour élucider les mécanismes moléculaires complexes liant les gènes chez les organismes modèles et chez l'homme. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de ces réseaux, nous avons développé une approche de génomique intégrative pour caractériser les IFs, comprenant les interactions génétique (IGs), des organismes vivants. Parallèlement, nous avons aussi investigué la prédiction des IGs par des méthodes in silico et sommes venus à la conclusion qu'une meilleure compréhension des liens entre différents niveaux de données serait bénéfique pour la prédiction des IGs. D'abord, la caractérisation d'un réseau d ' IGs du nématode Caenorhabditis elegans nous a permis de mettre en évidence une structure formée de six classes d' IGs ayant des propriétés distinctes. Cette étude révèle deux classes d' IGs, la première apparaissant au centre des complexes d 'interactions protéine-protéine et l’autre, à l'extérieur de ces complexes. Notre étude suggère aussi que la coordination des modules fonctionnels, définis par ces deux classes d'IGs, impliquerait des gènes hautement connectés dans le réseau et liés à leurs partenaires fonctionnels via deux autres classes d'IG. Les gènes définis par ces différentes classes d'IG présentent des caractéristiques distinctes lorsque l'on considère leur connectivité au sein du réseau d' IG, mais aussi au sein du réseau d' interactions protéine-protéine, leur pléiotropie et leur redondance fonctionnelle. Nous avons également montré qu' il était possible de transposer notre méthode d' intégration chez l'humain. Plus précisément nous avons utilisé notre approche afin de caractériser un réseau d' IFs pour deux sous-types de cancer du sein. Nous avons ensuite identifié, dans ce réseau, différentes classes d'Ifs ayant des caractéristiques similaires aux classes d'IGs de C. elegans. Nous avons utilisé ces classes d'IFs, ainsi que leur niveau de plasticité entre les sous-types de cancer du sein, pour construire un modèle prédictif servant à découvrir des gènes potentiellement impliqués dans la reprogrammation métabolique des cellules cancéreuses, et ce, à l'échelle du génome. Dans l'ensemble, le modèle d'interactome fonctionnel, construit par notre étude, pourrait permettre de mieux comprendre le rôle des IFs au niveau de la robustesse des systèmes biologiques, et le contrôle qu'elles exercent sur les processus biologiques. Notre approche pourrait aussi permettre de découvrir de nouvelles cibles thérapeutiques pour le cancer du sein. __________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : interaction fonctionnelle, interaction génétique, génomique intégrative, Caenorhabditis elegans, cancer du sein.

Cette thèse servira de modèle de démonstration de l'utilisation de flux de travaux (workflows) pour la conduite de recherche en bioinformatique et plus particulièrement en phylogénomique. La plupart des études actuelles utilisent des langages de programmation de type scripts pour la réalisation de ces études de grande envergure. Cependant, l'utilisation de cette approche limite la reproductibilité de ces études, en les mettant souvent hors d'atteinte pour les laboratoires n'étant pas spécialisés en bioinformatique. Les flux de travaux consistent en des patrons de tâches pouvant être répétés, permettant ainsi une reproduction des conditions expérimentales pour les expériences in silico. Cette thèse proposera des solutions aux questions suivantes : (1) Quel est le niveau d'abstraction requis pour une plateforme de flux de travaux en bioinformatique? (2) Comment comparer et classifier des flux de travaux? (3) Quelles sont les applications pratiques des flux de travaux en bioinformatique, et particulièrement dans les études des phylogénies? Pour répondre à ces questions, nous présenterons dans cette thèse une nouvelle plate-forme de flux de travaux, Armadillo, adaptée à l'analyse phylogénétique. Deuxièmement, une nouvelle stratégie de comparaison de flux de travaux et de leur classification à l'aide d'algorithmes de type k-means et k-medoids pondérés sera introduite. Un nouveau critère de support de chacun des flux de travaux dans cette classification a aussi été développé. Troisièmement, l'application de flux de travaux phylogénétiques conçus et exécutés à l'aide de la plate-forme Armadillo servira à illustrer l'utilité d'une telle plate-forme pour la recherche en phylogénomique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Analyse phylogénétique, bioinformatique, classification, critère de support de flux de travaux, flux de travaux, k-means, k-medoids.

Les mitochondries, organites essentiels à la production d'énergie, possèdent leur propre matériel génétique : l'ADN mitochondrial (ADNmt). Chaque produit des gènes de I'ADNmt interagit avec des protéines codées par l'ADN nucléaire pour assurer la respiration mitochondriale. Dans le règne animal, I'ADNmt est transmis exclusivement de façon maternelle. La transmission maternelle permettrait d'éviter les conflits intergénomiques. Il existe un seul système mitochondrial qui transgresse singulièrement les lois de la transmission et de la génétique de I'ADNmt, il s'agit de la double transmission uniparentale [doubly uniparental inheritance (DUI)]. L'existence de la DUI a été démontrée chez sept familles de mollusques bivalves, dont les moules marines : Mytilidae; les palourdes marines : Veneridae, Solenidae et Donacidae et les moules d'eau douce : Unionidae, Margaritiferidae et Hyriidae. Les espèces possédant ce système atypique sont caractérisées par la présence de deux ADNmt distincts qui sont hérités de façon maternelle (ADNmt F) et paternelle (ADNmt M). Typiquement, les femelles sont homoplasmiques et contiennent uniquement I'ADNmt F tandis que les mâles sont hétéroplasmiques. Chez ces derniers, I'ADNmt F domine dans les tissus somatiques alors que la gonade contient presque exclusivement I'ADNmt M. Les divergences observées entre les ADNmt F et M chez les moules peuvent atteindre ~50% en acides aminés. Ce haut niveau de divergence observée entre les génomes M et F, coexistant à l'intérieur d'un même individu soulève de nombreuses questions d'ordre évolutives. La double transmission uniparentale représente, certes, un système atypique, mais les descriptions, les comparaisons et les analyses qu'elle permet contribuent à développer une image plus exacte de l'évolution non seulement au niveau de l'évolution de la DUI, mais aussi au niveau de l'évolution du génome mitochondrial dans son ensemble. L'objectif de la présente thèse est d'utiliser une approche comparative de données moléculaires pour mettre en évidence l'évolution des génomes mitochondriaux mâle et femelle du système de la double transmission uniparentale chez les moules unionoïdes. Chez ce groupe, la double transmission uniparentale semble évolutivement plus stable (aucun évènement de recombinaison ou de masculinisation n'a été recensé) et la divergence entre les ADNmt M et F est significativement plus élevée que chez les taxons marins. Le chapitre II est une revue de littérature sur le système de la double transmission uniparentale. Les observations qui ont menées à la découverte de la DUI y sont présentées de même que le modèle et les mécanismes de la DUI. Cette revue propose la DUI comme un système modèle qui pourrait permettre d'acquérir de nouvelles connaissances sur les interactions et la coadaptation des génomes nucléaires et mitochondriaux. L'objectif du chapitre III était de séquencer, d'annoter et de publier pour la toute première fois des génomes mâles complets d'Unionoïdés. Six nouveaux génomes mitochondriaux complets d'espèces d'Unionoïdés, soit le génome F et M de Venustaconcha ellipsiformis (Unionoida: Unionidae: Ambleminae: Lampsilini), Pyganodon grandis (Unionoida: Unionidae: Unioninae: Anodontini) et Quadrula quadrula (Unionoida: Unionidae: Ambleminae: Quadrulini) ont été séquencés avec succès et les caractéristiques génomiques propres à chaque lignée mâle ont été présentées et ont fourni un contexte pour les comparaisons des génomes mitochondriaux chez les lignées de bivalves possédant et ne possédant pas la DUI. La position basale des Unionoïdés à l'intérieur des autolamellibranches ainsi que la probable origine unique de la DUI suggère que la DUI serait apparue chez un ancêtre des autolamellibranches et aurait été subséquemment perdue chez plusieurs descendants. Les caractéristiques de la DUI observées chez les Unionoïdés s'approcheraient donc davantage de l'état ancestral de la DUI. Le chapitre IV est une étude phylogéographique du genre Pyganodon (Unionidae, Bivalvia) dans le nord-est de l'Amérique du Nord. Le genre Pyganodon a été choisi entre autres en raison de sa richesse taxonomique et de sa vaste répartition géographique dans le nord-est de l'Amérique du Nord. Cette analyse phylogéographique est basée sur l'étude du polymorphisme de gènes des ADNmt M et F ce qui a permis de comparer et confronter les signaux phylogénétiques rendus par les génomes M et F à l'intérieur de ce groupe. L'exploration de la distribution de la variation génétique entre et à l'intérieur des populations et des espèces de Pyganodon a permis de mettre en évidence la complexité du système, mais aussi de distinguer les processus démographiques des processus sélectifs. Ce chapitre renforce l'hypothèse de l'action de la sélection adaptative sur le génome mitochondrial mâle. Très tôt après la découverte du système du la DUI, un possible rôle de la sélection positive comme pression sélective majeure a été soupçonnée. Malgré l'accumulation de certains indices, un tel processus n'avait jamais été démontré. Dans le chapitre V de la présente thèse, en utilisant les données recueillies et cumulées dans le chapitre III soit l'ensemble des gènes mitochondriaux codants (sauf I'ATP8) de 29 espèces de mollusque bivalves de différentes familles, un test de sélection positive en maximum de vraisemblance a été effectué. Les résultats de ce test suggèrent que de nombreux sites d'acides aminés sont positivement sélectionnés sur le génome mâle des Unionoïdés. Quelques sites seraient également positivement sélectionnés dans I'ADNmt F des Unionoïdés et témoignent probablement de la coévolution cytonucléaire. Le test n'a pas mis en évidence de sélection positive dans les ADNmt M ni F de Mytilidés et confirment que les forces évolutives n'agissent pas de manière identique dans les différents groupes de bivalves possédant la DUI. Les résultats du test révèlent que des sites d'acides aminés seraient également positivement sélectionnés dans le troisième groupe de bivalves testé soit les Vénéridés. Toutefois, la concentration de ces sites sur certains gènes spécifiques de I'ADNmt F pourrait témoigner de l'action de la sélection positive suite à une réorganisation structurale du génome. Compte tenu du profond impact que peut avoir l'ensemble des résultats de ce chapitre sur notre compréhension actuelle des forces sélectives agissant sur le génome mitochondrial, la prudence est toutefois de mise dans leurs interprétations. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : ADN mitochondrial, génomique comparative, phylogéographie, sélection positive, double transmission uniparentale, bivalves

Les mitochondries sont les organites qui produisent la quasi-totalité de l'énergie consommée par les cellules animales. Une de leurs particularités est de posséder leur propre génome (ADN mitochondrial ou ADNmt) qui, avec la collaboration indispensable du génome du noyau (ADNnu), code pour les enzymes responsables de la production d'énergie. Pour que ces organites fonctionnent adéquatement, la co-adaptation des génomes nucléaire et mitochondrial a donc été fortement sélectionnée au cours de l'évolution. Chez les animaux, l'ADNmt est, contrairement à l'ADNnu, transmis uniquement par la mère. L'hypothèse principale pour expliquer cette transmission maternelle est qu'en ayant un seul type d'ADNmt, la cellule évite un conflit génomique dans l'association intime entre les protéines codées par l'ADNnu et l'ADNmt. Autrement dit, la sélection naturelle doit nécessairement prévenir toute modification du dialogue entre les mitochondries et le noyau, ce qui risquerait de provoquer l'apparition de phénotypes indésirables. Exceptionnellement, un seul système mitochondrial «défie» les lois naturelles de transmission des mitochondries chez les animaux, soit celui observé chez les moules marines et d'eau douce. Les espèces possédant ce système atypique, qui est désigné sous le nom de double transmission uniparentale (doubly uniparental inheritance ou DUI), sont caractérisées par la présence de 2 ADNmt distincts qui sont hérités de façon maternelle (ADNmt F) ou paternelle (ADNmt M). Généralement, les femelles ne contiennent que le génome F, tandis que les mâles contiennent le génome F dans leurs tissus somatiques et le génome M dans leur gonade. Les divergences observées entre les ADNmt F et M chez les moules peuvent atteindre plus de 20%. Les produits des deux différents ADN mitochondriaux peuvent-ils interagir normalement avec les protéines d'un seul système génétique nucléaire (en raison de la co-adaptation intergénomique), ou certaines fonctions mitochondriales ont-elles été compromises dans une ou l'autre des lignées (c'est-à-dire, lignée paternelle M ou maternelle F)? Le grand attrait du système de double transmission uniparentale est qu'il est le seul modèle animal où deux variantes mitochondriales fortement divergentes coexistent et s'adaptent simultanément à un génome nucléaire. Cette situation se traduit probablement par la conservation d'une intégrité relative de certaines portions du génome mitochondrial afin de maintenir une cohésion fonctionnelle dans les interactions structurales entre les peptides mitochondriaux et nucléaires. L'objectif principal de mon doctorat était d'étudier l'évolution moléculaire des génomes mitochondriaux F et M chez les espèces du genre Mytilus et de vérifier si les gènes nucléaires et les gènes F et M mitochondriaux qui interagissent pour former le système de la phosphorylation oxydative co-évoluent. Spécifiquement, l'objectif premier du chapitre 1 a été d'analyser les ADNmt M et F complets chez trois espèces de moules marines (Mytilus edulis, M trossulus, et M galloprovincialis) afin de vérifier si leur évolution dans un environnement nucléaire commun (ou différent) se traduit par la conservation (ou non) de certaines de leurs portions (c'est-à-dire, évolution congruente des génomes M et F). Pour ce faire, les ADNmt ont été amplifiés par PCR et séquencés à l'aide d'un séquenceur d'ADN automatique. Les principaux résultats ont effectivement démontré que le fait de co-exister dans un même environnement nucléaire contraint les ADNmt F et M à expérimenter des pressions sélectives similaires, ce qui se traduit par une évolution congruente des différentes portions des ADNmt M et F (c'est-à-dire la corrélation positive des patrons de taux de substitution protéiniques). L'objectif du chapitre 2 a été de déterminer, chez les spermatozoïdes, si le remplacement d'un génome M par un génome F avait un effet sur les capacités métaboliques des mitochondries. L'étude visait à déterminer si la co-évolution du génome nucléaire avec deux types d'ADNmt différents avait été favorisée dans une où l'autre des lignées. Pour ce faire, des dosages enzymatiques (activité des complexes mitochondriaux I+Ill, II et IV et de la citrate synthase) ont été réalisés par spectrophotométrie. Les résultats ont démontré que la combinaison «ADNmt récemment-masculinisé -ADNnu» (qui est essentiellement une combinaison ADNmtF -ADNnu) performe mieux au niveau enzymatique que la combinaison «ADNmt M -ADNnu». Le troisième volet a été consacré à l'étude de l'évolution moléculaire des protéines interactives du système énergétique (c'est-à-dire, produits nucléaires et mitochondriaux en contact physique) afin de vérifier si les portions génétiques qui interagissent co-évoluent. Pour ce faire, le gène nucléaire codant pour le transporteur mobile d'électron cytochrome c (CYC) et des gènes mitochondriaux et nucléaires codant pour des sous-unités protéiques des complexes III (ADNmt = CYTB; ADNnu = C3S6) et IV (ADNmt = COX1 et COX2; ADNnu = COX4) du système de la phosphorylation oxydative ont été amplifiés par PCR et séquencés à l'aide d'un séquenceur d'ADN automatique. Les données moléculaires semblent démontrer que la co-évolution entre le génome F et le génome nucléaire est mieux couplée, ce qui vient appuyer les résultats enzymatiques du chapitre 2. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : ADN mitochondrial, Génomique comparative, ADN nucléaire, Mytilus, Co-évolution intergénomique.