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Horizontal transfers (HTs) of DNA are increasingly recognized as an important phenomenon in the evolution of metazoans. The vast majority of HTs between animals involves transposable elements (TEs), selfish genomic sequences capable of moving by transposition in the genome and thus generating multiple copies. While these HTs of TEs seem to have a major role in the evolution of metazoans, the mechanisms underlying these HTs remain poorly understood. One possible mechanism involves viruses which could be vectors of DNA between the hosts they infect. This thesis helps to evaluate this hypothesis.In the first chapter, we studied the impact of stress caused by a viral infection on the activity of TEs. Some TEs are overexpressed during infection, and some are also expressed after their insertion into viral genomes.In the second chapter, we have broadened the spectrum of host-virus systems known to date, in which host TEs transpose into viral genomes. Analysis of 11 of these systems revealed nine new systems in which host TEs were found in the genomes of the virus. This study allowed us to infer the capacity of TEs carried by viral genomes to transpose to other viral genomes, which constitutes one of the major results of this thesis.In the third chapter, the construction of a bioinformatics pipeline has made it possible to characterize many complete TE insertions in viral genomes, as well as the diversity of structural genomic variants present in four populations of large double-stranded DNA viruses.In the final chapter, the integration of a complete murine retrovirus genome into the genome of a human cell line was characterized, providing additional results on the virus HTs in the host.Overall, this work sheds new light on the role of viruses in DNA HTs in metazoans.; Les transferts horizontaux (TH) d’ADN sont de plus en plus reconnus comme un phénomène important dans l’évolution des métazoaires. La grande majorité des TH entre animaux implique des éléments transposables (ET), séquences génomiques égoïstes capables de se déplacer par transposition dans le génome et générer ainsi de multiples copies. Si ces TH d’ET semblent avoir un rôle prépondérant dans l’évolution des métazoaires, les mécanismes sous-tendant ces TH restent mal connus. Un des mécanismes possibles implique les virus qui pourraient être des vecteurs d’ADN entre les hôtes qu’ils infectent. Cette thèse contribue à évaluer cette hypothèse.Dans le premier Chapitre, nous avons étudié l’impact du stress provoqué par une infection virale sur l’activité des ET. Certains ET sont surexprimés au cours de l’infection, et certains sont aussi exprimés après leur insertion dans des génomes viraux.Dans le deuxième Chapitre, nous avons élargi le spectre des systèmes hôte-virus connus à ce jour dont les ET de l’hôte transposent dans les génomes viraux. L’analyse de 11 de ces systèmes a permis de découvrir neuf nouveaux systèmes dont des ET hôtes sont retrouvés dans les génomes du virus. Cette étude nous a permis d'inférer la capacité des ET portés par les génomes viraux à transposer vers d'autres génomes viraux, ce qui constitue un des résultats majeurs de cette thèse.Dans le troisième Chapitre, la construction d'un pipeline bioinformatique a permis de caractériser de nombreuses insertions complètes d’ET dans les génomes viraux, ainsi que la diversité des variants structuraux génomiques présents dans quatre populations de grands virus à ADN double-brin.Dans le dernier Chapitre, l’intégration d’un génome complet de rétrovirus murin dans le génome d’une lignée cellulaire humaine a été caractérisée, fournissant des résultats supplémentaires sur les TH de virus dans l’hôte.Dans l’ensemble ces travaux apportent un éclairage nouveau sur le rôle des virus dans les TH d’ADN chez les métazoaires.

L'auteur a souhaité limiter l'accès de ce document aux membres de l'Université de Lorraine; Streptomyces bacteria are a model for studying genomic plasticity and chromosomal rearrangements. The Strada team at the Dynamic laboratory wishes to understand the mechanisms involved in this genetic plasticity, by studying the repair of DNA double-stranded breaks (DSB). The team recently demonstrated that in Streptomyces ambofaciens, Non Homologous End Joining (NHEJ), which is inherently mutagenic, allowed the ectopic insertion of endogenous DNA at the site of repair of these breaks. The objective of the internship was to study the involvement of NHEJ in the integration of exogenous DNA in S. ambofaciens. To do this, a conjugation strategy between two S. ambofaciens allowing the transfer of exogenous chromosomal DNA in a receptor bacterium was developed. The strategy was to induce a targeted DSB in the receptor genome using the constitutive expression of a meganuclease, and to determine whether its repair enabled the integration of exogenous DNA. This work demonstrated the transfer and integration of a chromosomal marker into the genome of the receptor at high frequency. The genetic tool allowing the transfer of the meganuclease into the receptor genome during conjugation was validated. The perspective is now to analyse all the repair events at the target DSB in order to screen putative integration of exogenous DNA by NHEJ.; Les bactéries du genre Streptomyces sont un modèle d’étude de la plasticité génomique et des réarrangements chromosomiques. L’équipe Strada du laboratoire DynAMic cherche à comprendre les mécanismes impliqués dans cette plasticité génétique, en étudiant la réparation des cassures double brin (DSB) d’ADN. L’équipe a récemment démontré que chez Streptomyces ambofaciens, la réparation par recombinaison illégitime (NHEJ), qui est intrinsèquement mutagène, permettait l’intégration ectopique d’ADN endogène au niveau de d’une DSB. L’objectif du stage était d’étudier l’implication du NHEJ dans l’intégration d’ADN exogène chez S. ambofaciens. Pour ce faire une stratégie de conjugaison entre deux S. ambofaciens permettant le transfert d’ADN chromosomique exogène dans une bactérie réceptrice a été mise en place. La stratégie était d’engendrer une DSB ciblée dans le génome de la réceptrice à l’aide de l’expression constitutive d’une méganucléase, et de déterminer si sa réparation pouvait conduire à l’intégration de l’ADN chromosomique exogène. Ce travail a permis de mettre en évidence le transfert et l’intégration d’un marqueur chromosomique à haute fréquence dans le génome de la réceptrice. L’outil permettant d’apporter le gène de la méganucléase dans le génome de la réceptrice au cours de la conjugaison a été validé. La perspective est maintenant d’analyser toutes les réparations effectuées au niveau de la DSB ciblée afin de cribler les éventuelles intégrations d’ADN exogène par NHEJ.

Streptomyces are rhizospheric bacteria that contribute to soil fertility (recycling of organic matter), plant growth and health. They have among the largest bacterial genomes (12 Mb) with a high genetic variability. The genome variability, observed at the interspecific level has never been addressed within a population, i.e. between sympatric individuals belonging to the same species (Conspecific strains) within the same ecological niche. The objective of this work was to investigate this diversity in the forest soil ecosystem, to estimate its dynamics and its potential functional roles. After sequencing and comparison of the complete genomes, we observed a wide genomic diversity in terms of size, presence/absence of extrachromosomal elements, but also in terms of presence/absence of genes along the chromosome. A large number of insertion and deletion events (indels) from 1 to 241 genes differentiate individuals in the population. Given the close phylogenetic relationship of these strains, the common ancestor of the population is recent, hence the genomic diversity would result from a massive and rapid gene flux. The high prevalence of integrative and conjugative elements in the population suggests that conjugation could act as a driving force of this diversity. Differential production of specialized metabolites (antibiotics) was also used to estimate the impact of genetic diversity on population’s ecology. We were able to show that this production was linked to strain specific genes and that it may constitute a « public good » for the population. We propose that the rapid evolution of the genome contributes to the maintenance of social cohesion mechanisms within these soil bacteria., Les Streptomyces sont des bactéries de la rhizosphère qui contribuent à la fertilité des sols (recyclage de la matière organique), et à la croissance et la santé des plantes. Elles possèdent parmi les plus grands génomes bactériens (12 Mb) et présentent une variabilité génétique importante. Cette variabilité connue au niveau interspécifique n’a jamais été abordée à l’échelle de la population, c’est-à-dire entre individus sympatriques appartenant à la même espèce (souches sœurs) au sein de la même niche écologique. L’objectif de ce travail est de rechercher cette diversité dans les populations de l’écosystème sol forestier, d’approcher sa dynamique et son rôle fonctionnel. Après séquençage et comparaison des génomes complets, nous avons observé une grande diversité génomique en termes de taille, de présence/absence d’éléments extrachromosomiques, mais également en terme de présence/absence de gènes le long du chromosome. Un grand nombre d’événements d’insertions et délétions (indels) comprenant de 1 à 241 gènes différencient les individus de la population. Au vu des liens phylogénétiques étroits entre les individus, l’ancêtre commun de la population est récent, aussi la diversité génomique résulterait d’un flux massif et rapide de gènes. La forte prévalence d’éléments conjugatifs intégrés dans la population suggère que la conjugaison est le moteur prépondérant de cette diversité génomique. La production différentielle de métabolites spécialisés (antibiotiques) a également été utilisée pour estimer l’impact de la diversité génétique sur le fonctionnement de la population. Nous avons pu montrer que cette production était liée à des gènes spécifiques de souches et qu’elle pouvait constituer un bien commun pour la population. Nous proposons que l’évolution rapide du génome participe au maintien des mécanismes de cohésion sociale chez ces bactéries du sol.

Mobile genetic elements largely contribute to the evolution and diversity of bacterial genomes through horizontal gene transfer. Among them, the integrative and conjugative elements (ICEs) encode their own excision, conjugative transfer and integration. On the other hand, integrative mobilizable elements (IMEs) are autonomous for excision and integration but encode only some of the proteins needed for their conjugative transfer. IMEs therefore need a “helper” conjugative element to transfer. Despite their impact on gene flow and genome dynamics, the prevalence of ICEs remains largely underscored and very few IMEs were identified at the beginning of this study. Furthermore, although several in silico methods exist to detect genomic islands, none are dedicated to ICEs or IMEs, thus complicating exhaustive examination of these mobile elements. The Streptococcus genus belongs to the firmicutes’ phylum. Almost all streptococci are commensal bacteria or pathogenes to men and animals. Two species of Streptococcus are also used in the dairy industry as lactic ferments in order to produce fermented milk and different types of cheese. Studying the gene flux of the Steptococci genus and the impact it can have on the lifestyle of these organisms is essential, as it has a lot of interest for human health and activities. In this work, we searched for ICEs and IMEs in 124 strains of streptococci belonging to 27 species using a reference database of ICE and IME signature proteins (from their conjugation, mobilization and integration/excision modules). This exhaustive analysis led to the identification and delimitation of 131 ICEs or slightly decayed ICEs and 144 IMEs. All these elements were delimited, which allowed us to identify their integration specificities in the genomes. In total, 17 ICE integration specificities were identified. Among them, 8 had never been described before (ftsK, guaA, lysS, mutT, rpmG, rpsI, traG and ybaB/EbfC). 18 specificities were also identified for IMEs, among which only 5 were known for the firmicutes. ICEs encode high or low-specificity tyrosine integrases (13 different specificities), single serine intégrases (1 specificity), triplet of serine integrases (3 different specificities), or DDE transposases while IMEs encode either tyrosine integrases (10 different specificities) or single serine integrases (8 different specificities). ICE were grouped in 7 distinct families according to the proteins encoded by their conjugation module whereas the mobilization modules of IMEs were highly diverse, preventing them from grouping into families according to their mobilization modules. The phylogenetic analysis of the signature proteins encoded by all ICEs and IMEs showed integration module exchanges between ICEs and IMEs and several mobilization module exchanges between IMEs. The overall results reveal a strong prevalence and extreme diversity of these elements among Streptococci genomes. Better understanding and knowledge of ICEs and IMEs prompted us to build a semi-automated command-line tool to identify streptococcal ICEs and IMEs as well as to determine their insertion site, Les éléments génétiques mobiles contribuent grandement à la diversité et à l’évolution des génomes bactériens par le biais du transfert horizontal. Parmi eux, les éléments intégratifs conjugatifs (ICE) codent leur propre excision, leur transfert par conjugaison et leur intégration. En revanche, les éléments intégratifs et mobilisables (IME) ne sont autonomes que pour leur excision et intégration et ne codent seulement que certaines des protéines/fonctions (oriT) dont ils ont besoin pour leur transfert conjugatif. Par conséquent, les IME ont besoin d’un élément conjugatif « helper » pour se transférer. Malgré leur impact sur le flux des gènes et l’évolution des génomes, la prévalence des ICE reste peu étudiée et seulement très peu d’IME avaient été identifiés au début de cette étude. De plus, bien que plusieurs méthodes de détection des ilots génomiques existent, aucune d’elles n’est dédiée aux ICE ou aux IME. Ce qui ne facilite pas l’analyse exhaustive de ces éléments. Le genre Streptococcus appartient au phylum des firmicutes. La quasi-totalité des streptocoques sont des bactéries commensales ou pathogènes de l’homme et d’autres animaux. Aussi, 2 espèces de streptocoques sont utilisées en tant que ferments lactiques lors la production de laits fermentés et divers fromages. Globalement, le genre streptocoques représente un groupe d’intérêt pour l’homme, l’étude du flux de gènes au sein de ces organismes et l’impact qu’il peut avoir sur leur mode vie est primordiale. Au cours de cette thèse, nous avons recherché les ICE et les IME dans 124 souches de streptocoques appartenant à 27 espèces en utilisant une base de données de référence comportant des protéines dites « signatures » d’IME et d’ICE (de leurs modules de conjugaison/mobilisation et d’integration/excision). Cette analyse exhaustive a permis l’identification et la délimitation de 131 ICE ou ICE légèrement dégénérés et 144 IME. Tous ces éléments ont été délimités, ce qui nous a permis de déterminer leur spécificité d’intégration dans les génomes. Au total, 17 spécificités d’intégration ont été identifiées pour les ICE dont 8 encore jamais décrites (ftsK, guaA, lysS, mutT, rpmG, rpsI, traG and ybaB/EbfC) et 18 spécificités pour les IME dont seulement 5 étaient connues chez les firmicutes. Les modules d’intégration des ICE codent soit une intégrase à tyrosine pouvant avoir une faible spécificité (1 famille d’intégrase) ou une forte spécificité (13 spécificités différentes), soit des intégrases à sérine seule ou en triplet (4 spécificités différentes), soit une transposase à DDE. Les IME codent soit des intégrases à tyrosine (10 spécificités différentes) soit des intégrases à serine seule (8 spécificités différentes). Les ICE ont été groupés en 7 familles distinctes selon les protéines codées par leur module de conjugaison. Les IME présentaient une très forte diversité au sein de leur module de mobilisation, empêchant ainsi leur regroupement en famille selon les gènes portés par ce module. Les analyses phylogénétiques des protéines signature codées par tous les ICE et les IME ont montré des échanges de modules d’intégration entre les ICE et les IME et de nombreux échanges entre les modules de mobilisation des IME. L’ensemble de ces résultats révèle la forte prévalence et l’extrême diversité des ICE et des IME au sein des génomes de streptocoques. Une meilleure connaissance et compréhension de ces éléments nous a incité à construire un outil informatique semi-automatisé de détection des ICE et des IME de Streptocoques ainsi que leurs sites d’insertion

The pectolytic bacteria Pectobacterium and Dickeya species cause important diseases on Solanum tuberosum and other arable and horticultural crops. These bacteria are responsible for blackleg in the field and tuber soft rots in storage and in transit as well as in the field worldwide. The main objectives of this thesis are: 1) To study the diversity of a D. solani population using comparative genomics approaches in order to understand the genomic structure and evolution of this emerging species. 2) Characterization and genomic analysis of virulence factors in Pectobacterium wasabiae RNS 08421A.Using comparative genomics approach combined with functional assays, the analysis of the genomes of 20 isolates of D. solani from different environments, revealed a strong genetic homogeneity within the majority of strains (16/20). Moreover, this analysis allowed to characterize a new subgroup within D. solani species, represented by the 0512 strain (1/20). In contrast, some strains (3/20) showed variations from hundreds to a few thousand of SNPs/Indels which are grouped in genomic islands (GIs). Phylogenetic analysis of these GIs shows that they were acquired from other pathogens by horizontal transfer. Furthermore, the analysis of the functions affected by SNPs/Indels allowed to predict, then check on potatoes, that one of these strain was less virulent.The second part of my work involves assembly, characterization and analysis of the genome of the strain P. wasabiae RNS 08.42.1A, which was isolated in France. Comparative genomics with three other P. wasabiae strains from different geographical origins, revealed a strong similarity in the genome sequence (ANI> 99%) and conserved synteny of virulence genes. In addition, our analysis showed a clear distinction between the strains of P. wasabiae isolated from S. tuberosum and the type strain P. wasabiae CFBP 3304T (isolated from horseradish). In P. wasabiae RNS 08.42.1A, the complex system for synthesis and perception of quorum sensing signal expI/expR, exhibit higher homology with their orthologs in P. atrosepticum and P. carotovurm (90%) than their homologs in P. wasabiae (70%). This suggests acquisition of these genes by horizontal gene transfer within a population of pathogens infecting the same host plant., Les bactéries pectinolytiques appartenant aux genres Pectobacterium et Dickeya spp. sont des agents pathogènes chez Solanum tuberosum. Ces bactéries sont responsables de la maladie de la jambe noire et de la pourriture molle lors de la culture et du stockage des tubercules. Ce travail de thèse est divisé en deux axes: 1) Etude dela diversité d'une population du pathogène D. solani par approche de génomique comparée afin de mieux comprendre la structure génomique de cette espèce émergente. 2) L'assemblage du génome et la caractérisation génomique des facteurs de virulence chez Pectobacterium wasabiae RNS 08421A.L'analyse des génomes de 20 isolats de D. solani issus d’environnements différents, par une approche de génomique comparative associée à des analyses fonctionnelles, a révélé une forte homogénéité génétique au sein de la majorité des souches (16/20). De plus, cette analyse a permis de caractériser un nouveau sous-groupe au sein de l'espèce D. solani, représenté par la souche 0512 (1/20). En revanche, d’autres isolats (3/20) montrent des variations de quelques centaines à quelques milliers de SNPs/InDels qui sont regroupés dans des îlots génomiques. Leur analyse phylogénétique révèle qu’ils proviennent d’autres pathogènes par transferts horizontaux. Par ailleurs, l’analyse des fonctions affectées par les SNPs/InDels a permis de prédire, puis de vérifier sur pomme de terre, qu’un des isolats était faiblement virulent.La deuxième partie de mon travail porte sur l'assemblage, la caractérisation et l'analyse du génome de la souche RNS 08.42.1A de P. wasabiae, qui a été isolée en France. La génomique comparative avec 3 autres souches de P. wasabiae d'origines géographiques différentes, a révélé à la fois une forte similitude au niveau de la séquence génomique (ANI> 99%) et une synténie conservée des gènes de virulence. En outre, notre analyse a mis en évidence une nette distinction entre ces quatre souches de P. wasabiae (isolées de S. tuberosum) et la souche type japonaise P. wasabiae CFBP 3304T (isolée du raifort). Dans P. wasabiae RNS 08.42.1A, les gènes de synthèse et de perception du quorum sensing, expI/expR, présentent une plus forte homologie avec leurs orthologues chez P. atrosepticum et P. carotovurm (90%) qu'avec leurs homologues chez P. wasabiae (70%). Ceci suggère une acquisition de ces gènes par transfert horizontal au sein d'une population de pathogènes infectant la même plante hôte.

Bacteria are social organisms which participate in multiple cooperative and group behaviours. They moreover have peculiar genetic systems, as they often bear mobile genetic elements like plasmids, molecular symbionts that are the cause of widespread horizontal gene transfer and play a large role in bacterial evolution. Both cooperation and horizontal transfer have consequences for human health: cooperative behaviours are very often involved in the virulence of pathogens, and horizontal gene transfer leads to the spread of antibiotic resistance. The evolution of plasmid transfer has mainly been analyzed in terms of infectious benefits for selfish mobile elements. However, chromosomal genes can also modulate horizontal transfer. A huge diversity in transfer rates is observed among bacterial isolates, suggesting a complex co-evolution between plasmids and hosts. Moreover, plasmids are enriched in genes involved in social behaviours, and so could play a key role in bacterial cooperative behaviours. We study here the coevolution of gene mobility and sociality in bacteria. To investigate the selective pressures acting on plasmid transfer and public good production, we use both mathematical modelling and a synthetic system that we constructed where we can independently control public good cooperation and plasmid conjugation in Escherichia coli. We first show experimentally that horizontal transfer allows the specific maintenance of public good alleles in a structured population by increasing relatedness at the gene-level. We further demonstrate experimentally and theoretically that this in turn allows for second-order selection of transfer ability: when cooperation is needed, alleles promoting donor and recipient abilities for public good traits can be selected both on the plasmid and on the chromosome in structured populations. Moreover, donor ability for private good traits can also be selected on the chromosome, provided that transfer happens towards kin. The interactions between transfer and cooperation can finally lead to an association between transfer and public good production alleles, explaining the high frequency of genes related to cooperation that are located on plasmids. Globally, these results provide insight into the mechanisms maintaining cooperation in bacteria, and may suggest ways to target cooperative virulence., Les bactéries sont des organismes extrêmement sociaux, qui présentent de multiples comportements de coopération. De plus, les génomes bactériens sont caractérisés par la présence de nombreux éléments génétiques mobiles, tels que les plasmides. Ces éléments mobiles sont la cause de transferts génétiques horizontaux, et jouent un rôle important dans l'évolution bactérienne. La coopération et le transfert horizontal ont tous deux des conséquences importantes sur la santé humaine: des comportements coopératifs sont souvent à l'origine de propriétés de virulence chez les bactéries pathogènes, et le transfert horizontal entraîne la dissémination de gènes de résistance aux antibiotiques. L'évolution du transfert horizontal a jusqu'ici été analysée essentiellement en termes de bénéfices infectieux apportés à des éléments génétiques égoïstes. Cependant, le taux de transfert des plasmides est extrêmement variable et partiellement contrôlé par les gènes des bactéries hôtes, suggérant une co-évolution complexe entre hôtes et plasmides. De plus, les plasmides sont particulièrement riches en gènes liés à des comportements coopératifs, et semblent donc jouer un rôle-clé dans les phénomènes de socialité bactérienne. Ce travail porte sur la coévolution entre mobilité génétique et socialité chez les bactéries. Nous analysons ici les pressions de sélection agissant sur le transfert de plasmides et la production de biens publics, à l'aide de modèles mathématiques et d'un système synthétique que nous avons construit chez Escherichia coli, dans lequel nous pouvons contrôler indépendamment la coopération et la conjugaison. Dans un premier temps, nous montrons expérimentalement que le transfert horizontal favorise le maintien de la coopération dans une population structurée, en augmentant la sélection de parentèle agissant au niveau des gènes transférés. Dans un second temps, nous montrons expérimentalement et théoriquement que l'échange génétique lui-même peut être sélectionné: les bactéries transférant des plasmides codant pour des biens publics sont favorisées dans une population structurée. Le transfert de gènes codant pour des biens privés peut également être sélectionné, à condition que ce transfert s'effectue entre bactéries apparentées. Finalement, ces interactions entre transfert horizontal et coopération peuvent mener à une association entre allèles de coopération et de transfert, expliquant la fréquence élevée de gènes sociaux situés sur des plasmides.Ces résultats permettent de mieux comprendre le maintien de comportements coopératifs chez les bactéries, et suggèrent des moyens de cibler certains cas de virulence bactérienne.

Phylogeny allows to reconstruct evolutionnary history of sequences and species that carry them. Recent progress in sequencing methods produced a growing number of available sequences, and so of number of gene trees that one can build. One of the consecutive issues is to optimise the extraction of information from the trees. Such an extraction should be complete and efficient. To address this, my thesis consisted in writing and then using a suite of programs which aim to browse and annotate phylogenic trees. This program suite is named TPMS (Tree Pattern Matching Suite). It browses and annotates trees with several algorithms. The first of them, tpms_query consists in querying collections using a dedicated formalism. This allows to: Detect horizontal transfers If, in a gene tree, a species is nested in a monophyletic group of unrelated species, one can infer this is a horizontal transfer, if this organisms are prokaryotic (also concerning some unicellular eukaryotes). Orthology detection: if a part of a gene tree exactly matches to the species tree, one can suppose these genes are set of orthologues. Validating known phylogenies: when controversy exists concerning the species tree, it is possible to query a lange collection of gene trees to perform a count of families matching to each hypothesis. Another program allows to perform parallel operations on all the trees, such as automating rooting of trees via different criterions. It also allows an automatic detection of incongruencies. The thesis introduces the context, different algorithms which the programs are based on, and several using performed with it; La phylogénie permet de reconstituer l'histoire évolutive de séquences ainsi que des espèces qui les portent. Les récents progrès des méthodes de séquençage ont permis une inflation du nombre de séquences disponibles et donc du nombre d'arbres de gènes qu'il est possible de construire. La question qui se pose est alors d'optimiser la recherche d'informations dans ces arbres. Cette recherche doit être à la fois exhaustive et efficace. Pour ce faire, mon travail de thèse a consisté en l'écriture puis en l'utilisation d'un ensemble de programmes capables de parcourir et d'annoter les arbres phylogénétiques. Cet ensemble de programmes porte le nom de TPMS (Tree Pattern Matching Suite). Le premier de ces programmes (tpms_query) permet d'effectuer l'interrogation de collections à l'aide d'un formalisme dédie. Les possibilités qu'il offre sont : La détection de transferts horizontaux : Si un arbre de gènes présente une espèce branchée dans un arbre au milieu d'un groupe monophylétique d'espèces avec lesquelles elle n'est pas apparentée, on peut supposer qu'il s'agit d'un transfert horizontal, si ces organismes sont des procaryotes ou des eucaryotes unicellulaires. La détection d'orthologie : Si une partie d'un arbre de gènes correspond exactement à l'arbre des espèces, on peut alors supposer que ces gènes sont un ensemble de gènes d'orthologues. La validation de phylogénies connues : Quand l'arbre des espèces donne lieu à des débats, il peut est possible d'interroger une large collection d'arbres de gènes pour voir combien de familles de gènes correspondent à chaque hypothèse. Un autre programme, tpms_computations, permet d'effectuer des opérations en parallèle sur tous les arbres, et propose notamment l'enracinement automatique des arbres via différents critères, ainsi que l'extraction de sous arbres d'orthologues (séquence unique par espèce). Il propose aussi une méthode de détection automatique d'incongruences. La thèse présente le contexte, les différents algorithmes à la base de ces programmes, ainsi que plusieurs utilisations qui en ont été faites

Phylogeny allows to reconstruct evolutionnary history of sequences and species that carry them. Recent progress in sequencing methods produced a growing number of available sequences, and so of number of gene trees that one can build. One of the consecutive issues is to optimise the extraction of information from the trees. Such an extraction should be complete and efficient. To address this, my thesis consisted in writing and then using a suite of programs which aim to browse and annotate phylogenic trees. This program suite is named TPMS (Tree Pattern Matching Suite). It browses and annotates trees with several algorithms. The first of them, tpms_query consists in querying collections using a dedicated formalism. This allows to: Detect horizontal transfers If, in a gene tree, a species is nested in a monophyletic group of unrelated species, one can infer this is a horizontal transfer, if this organisms are prokaryotic (also concerning some unicellular eukaryotes). Orthology detection: if a part of a gene tree exactly matches to the species tree, one can suppose these genes are set of orthologues. Validating known phylogenies: when controversy exists concerning the species tree, it is possible to query a lange collection of gene trees to perform a count of families matching to each hypothesis. Another program allows to perform parallel operations on all the trees, such as automating rooting of trees via different criterions. It also allows an automatic detection of incongruencies. The thesis introduces the context, different algorithms which the programs are based on, and several using performed with it; La phylogénie permet de reconstituer l'histoire évolutive de séquences ainsi que des espèces qui les portent. Les récents progrès des méthodes de séquençage ont permis une inflation du nombre de séquences disponibles et donc du nombre d'arbres de gènes qu'il est possible de construire. La question qui se pose est alors d'optimiser la recherche d'informations dans ces arbres. Cette recherche doit être à la fois exhaustive et efficace. Pour ce faire, mon travail de thèse a consisté en l'écriture puis en l'utilisation d'un ensemble de programmes capables de parcourir et d'annoter les arbres phylogénétiques. Cet ensemble de programmes porte le nom de TPMS (Tree Pattern Matching Suite). Le premier de ces programmes (tpms_query) permet d'effectuer l'interrogation de collections à l'aide d'un formalisme dédie. Les possibilités qu'il offre sont : La détection de transferts horizontaux : Si un arbre de gènes présente une espèce branchée dans un arbre au milieu d'un groupe monophylétique d'espèces avec lesquelles elle n'est pas apparentée, on peut supposer qu'il s'agit d'un transfert horizontal, si ces organismes sont des procaryotes ou des eucaryotes unicellulaires. La détection d'orthologie : Si une partie d'un arbre de gènes correspond exactement à l'arbre des espèces, on peut alors supposer que ces gènes sont un ensemble de gènes d'orthologues. La validation de phylogénies connues : Quand l'arbre des espèces donne lieu à des débats, il peut est possible d'interroger une large collection d'arbres de gènes pour voir combien de familles de gènes correspondent à chaque hypothèse. Un autre programme, tpms_computations, permet d'effectuer des opérations en parallèle sur tous les arbres, et propose notamment l'enracinement automatique des arbres via différents critères, ainsi que l'extraction de sous arbres d'orthologues (séquence unique par espèce). Il propose aussi une méthode de détection automatique d'incongruences. La thèse présente le contexte, les différents algorithmes à la base de ces programmes, ainsi que plusieurs utilisations qui en ont été faites

S. thermophilus is a widely used bacterium in the manufacture of dairy products. The capacity of S. thermophilus to generate bioactive peptides from bovine caseins was studied. Ten strains expressing different levels of the cell envelope protease, PrtS, were incubated with [alpha]s1-, [alpha]s2- or [beta]-casein. Number and type of peptides released were strain-dependent. Peptides known as bioactive peptides were detected: 13 peptides were generated from [beta]-casein, 5 peptides from [alpha]s2-casein and 2 peptides from [alpha]s1-casein. The use of this bacterium for the production of such peptides in the food products requires the least internalization of these peptides by this bacterium. We were interested in knowing the peptide transport system present in the species S. thermophilus. A collection of 22 strains of S. thermophilus was chosen to study the genetic variability of peptide transport systems present within the species. First of all, we evaluated the phylogenetic proximity between selected strains by MLST, and then the genetic variability of the transport system of oligopeptides Ami and di- and tripeptides transporter, DtpT were studied in this collection. A cluster consisting of four genes, annotated as ABC transporter of peptides and nickel was detected in the genome of strain LMD-9, and called Ots. It is present in 9 of 22 strains of S. thermophilus and is transcribed throughout the growth in M17 medium. The Ots system seems to be involved in the internalization of smaller sized peptides, S. thermophilus est une bactérie largement employée dans la fabrication des produits laitiers. La capacité des souches de S. thermophilus à générer des peptides bioactifs à partir des caséines bovines a été étudiée. Dix souches exprimant différemment la protéase de surface, PrtS, ont été incubées en présence de la caséine [alpha]s1, [alpha]s2 ou [bêta]. Le nombre et le type de peptides libérés dépendent de la souche utilisée. Des peptides connus comme des peptides bioactifs ont été détectés : 13 peptides ont été générés à partir de la caséine [bêta], 5 peptides à partir de la caséine [alpha]s2 et 2 peptides à partir de la caséine [alpha]s1. L'utilisation de cette bactérie pour la production de tels peptides dans l'aliment requiert qu'elle en internalise le moins possible. Nous nous sommes intéressés aux systèmes de transport de peptides présents au sein de l'espèce S. thermophilus. Une collection de 22 souches de S. thermophilus a été choisie pour étudier la variabilité des systèmes de transport des peptides présents au sein de l'espèce. Toute d'abord, la proximité phylogénétique entre les souches a été évaluée par MLST, puis la variabilité génétique du système de transport des oligopeptides Ami et du transporteur de di- et tripeptides DtpT a été étudiée au sein de cette collection. Un cluster, composé de 4 gènes, annoté en tant que transporteur ABC de peptides et de nickel a été détecté au sein du génome de la souche LMD-9, et appelé Ots. Il est présent chez 9 sur 22 souches de S. thermophilus et est transcrit tout au long de la croissance en milieu M17. La caractérisation du système Ots suggère qu'il est impliqué dans l'internalisation de peptides de petites tailles

The Aevol model is an in silico experimental evolution model that was specifically developped by Carole Knibbe to study the evolution of the structure of the genome. Using Aevol, a very strong second-order selective pressure towards a specific level of mutational variability of the phenotype was revealed: it was shown that since the survival of a lineage on the long term is conditionned to its ability to produce beneficial mutations while not loosing those previously found, a specific trade-off between robustness and evolvability is indirectly selected. A consequence of this indirect selective pressure is the central role played by the spontaneous rate of chromosomal rearrangements in determining the structure of the genome. More specifically, it was shown that because some rearrangements (large duplications and large deletions) have an impact not only arround their breakpoints but on the whole sequence between them, non-coding sequences are actually mutagenic for the coding sequences they surround. The consequence is a clear trend for organisms having evolved under high rearrangement rates to have very short genomes with hardly any non-coding sequences while organisms evolving in the context of low rearrangement rates have huge, mostly non-coding genomes. Here, we modified the Aevol model to introduce an explicit regulation of gene expression as well as a sensitivity to sequence similarity in DNA recombination events. We observed that the effects of the second-order pressure mentioned above are very robust to modelling choices: they are similarly observed when gene regulation is made available, when rearrangements occur preferentially between similar sequences and even when a biologically plausible process of horizontal transfer is allowed. Moreover, the effects of this second-order selective pressure are not limited to the genomic level: high rearrangement rates usually lead to genomes that have many polycistronic RNAs, almost no non-coding RNAs and very simple regulation networks. On the contrary, at low rearrangement rates organisms have most of their genes transcribed on monocistronic RNAs, they own a huge number of coding RNAs and present very complex and intricate regulation networks. These astounding effects at different levels of organization can account for many features found on real organisms. Thus, the indirect selective pressure that was identified thanks to the Aevol model allows to reproduce a large panel of known biological properties by changing the sole spontaneous rearrangement rate, making this pressure a good candidate for explaining these observations on real organisms.; Le modèle Aevol est un modèle d'évolution expérimentale in silico développé par Carole Knibbe et Guillaume Beslon pour étudier l'évolution de la structure des génomes. Aevol a permis d'identifier une très forte pression de sélection indirecte vers un certain niveau de variabilité mutationnelle du phénotype : la survie à long terme d'une lignée étant conditionnée à sa capacité à produire des mutations avantageuses sans pour autant produire trop de mutations délétères, un certain compromis entre robustesse et évolvabilité est indirectement sélectionné. Une conséquence de cette pression de sélection indirecte est le rôle central joué par le taux spontané de réarrangements chromosomiques dans la détermination de la structure du génome. Dans ce travail, nous avons modifié le modèle Aevol pour introduire d'une part un processus explicite de régulation de l'expression des gènes et d'autre part, une sensibilité aux similarités entre séquences dans les événements de recombinaison de l'ADN. Nous avons ainsi pu étudier l'effet de ces variations sur la sélection de second-ordre. Nous avons en particulier observé que celle-ci est extrêmement robuste aux choix de modélisation : les effets liés aux réarrangements sont en effet observés de la même façon lorsque les organismes possèdent un réseau de régulation (qui plus est, ces effets sont visibles sur le réseau lui-même), lorsque les réarrangements se produisent préférentiellement entre séquences similaires et lorsque les transferts horizontaux sont possibles. De plus, les effets de cette pression de sélection de second-ordre ne sont pas limités au niveau génomique : de forts taux de réarrangements tendent à donner lieu à des génomes présentant beaucoup d'opérons, très peu d'ARNs non-codants et des réseaux de régulation très simples. Au contraire, chez les organismes ayant évolué avec de faibles taux de réarrangement, la plupart des gènes sont transcrits sur des ARNs monocistroniques. Ces organismes possèdent un grand nombre d'ARNs non-codants et présentent des réseaux de régulation très complexes. Ces effets observés dans le modèle à différents niveaux d'organisation peuvent s'apparenter à de nombreuses caractéristiques observées chez les organismes réels. Ainsi les pressions sélectives indirectes observées grâce au model Aevol permettent de reproduire un large spectre de propriétés biologiques connues en ne modifiant que le seul taux de réarrangements dans le modèle. Ces mécanismes de sélection indirecte apparaissent donc comme de bons candidats pour expliquer ces mêmes observations sur les organismes réels.

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National audience; Comprendre l’évolution des organismes vivants reste un enjeu majeur de la biologie. L’étude de la transmission de l’information génétique bénéficie des apports de la théorie de l’information.

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Mollicute evolution has been marked by significant changes in genome structure and use of their genetic information. These include a reduction in their genome G + C content and the use by most mollicutes of the UGA universal stop codon as tryptophan. More striking is the size reduction in their genome which, for some species, is now close to the minimal requirement for sustaining cell life. With the growing body of sequence data, a new picture has recently begun to emerge in which the evolution of these simple bacteria cannot be reduced to a race for the smallest genome.

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International audience; The integrative and conjugative elements (ICEs) excise by site-specific recombination, self-transfer the resulting circular form by conjugation and integrate into the genome of the recipient bacterium. The 34.7-kb element from Streptococcus thermophilus CNRZ368, ICESt1, excises and integrates by site-specific recombination. This element also possesses a conjugation module distantly related to that of the conjugative transposon Tn916 from Enterococcus faecalis. Therefore, ICESt1 is probably an ICE. Four types of elements related to ICESt1 are integrated into the same location as ICESt1 in seven other strains of S. thermophilus. One of these elements, ICESt3, is probably an ICE whereas the three others (CIMEs) would have arisen from ICEs by deletion of the conjugation and recombination modules. These elements also encode functions that are not involved in element maintenance or transfer, such as restriction-modification systems. Each of these elements has a chimerical structure resulting from the acquisition of modules from different origins. Sequence analyses indicate that these elements are involved in horizontal transfers with various species of dairy or pathogenic lactic acid bacteria. $\Delta$CIME308 has exchanged restriction-modification and cadmium resistance modules with plasmids. CIME19258 has acquired a cadmium resistance module by the integration of an ICE related to Tn916 within the CIME. The site-specific recombination between an internal attL-related site and attR of ICESt1 leads to the excision of a circular molecule which could be another ICE, ICESt2, suggesting that ICESt1 has arisen by accretion of a CIME and ICESt2. CIME302, ICESt2 and ICESt3 would also have arisen by site-specific accretion of CIMEs and ICEs and/or mobilization of CIMEs by ICEs. An ICE would integrate by site-specific recombination in the attR site of a CIME; then the CIME-ICE would excise by site-specific recombination and transfer by conjugation.; Structure et évolution d'une famille d'éléments intégratifs potentiellement conjugatifs ou mobilisables de Streptococcus thermophilus. Les éléments intégratifs conjugatifs (ICEs) s'excisent par recombinaison site-spécifique sous forme circulaire, se transfèrent par conjugaison puis s'intègrent dans la bactérie réceptrice. L'élément ICESt1 de Streptococcus thermophilus CNRZ368 (34,7 kb) s'intègre et s'excise par recombinaison site-spécifique. Par ailleurs, il code un système de conjugaison putatif apparenté de façon lointaine à celui de Tn916 d'Enterococcus faecalis et constitue donc un ICE putatif. Quatre éléments apparentés à ICESt1 sont intégrés au même site que lui chez sept souches de S. thermophilus. L'un des éléments, ICESt3 est probablement un ICE. Les trois autres (CIMEs) dériveraient d'un ICE par délétion des modules de conjugaison et de recombinaison. Ces éléments codent des fonctions non impliquées dans le transfert comme des systèmes de restriction-modification. Chacun d'entre eux présente une structure chimérique résultant de l'acquisition de modules d'origines différentes. L'analyse de leur séquence indique qu'ils sont impliqués dans des transferts horizontaux entre S. thermophilus et diverses espèces de bactéries lactiques alimentaires ou pathogènes. $\Delta$CIME308 a échangé des modules de restriction-modification et de résistance aux ions Cd$^{++}$ avec des plasmides. CIME19258 a acquis un module de résistance aux ions Cd$^{++}$ par intégration d'un ICE apparenté à Tn916 dans un CIME. La recombinaison site-spécifique entre un site interne d'ICESt1 de type attL et le site attR provoque l'excision de la partie droite d'ICESt1 qui constituerait elle-même un ICE, ICESt2. ICESt1 serait ainsi apparu par accrétion d'un CIME et d'ICESt2. CIME302, ICESt2 et ICESt3 seraient également apparus par accrétion site-spécifique d'ICEs et de CIMEs et/ou mobilisation de CIMEs par des ICEs. Un ICE s'intégrerait par recombinaison site-spécifique dans le site attR d'un CIME formant ainsi un élément composite (CIME-ICE) par accrétion. Celui-ci s'exciserait par recombinaison site-spécifique puis se transférerait par conjugaison.

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*INRA C.R.Tours UR86 BASE 37380 Nouzilly Diffusion du document : INRA C.R.Tours UR86 BASE 37380 Nouzilly Diplôme : Dr. d'Université

International audience; A 34.7-kb element, ICESt1, is integrated in the 3' end of fda locus from Streptococcus thermophilus CNRZ368. ICESt1 excises by a site-specific recombination between two 27-pb identical sequences flanking the element. It encodes an integrase required for excision. Furthermore, eleven putative proteins encoded by ICESt1 are related to proteins encoded by various conjugative elements from low G + C Gram positive bacteria. Therefore, ICESt1 could be a site-specific integrative conjugative element (ICE). Comparison of proteins encoded by ICESt1 and the sequenced genome of Bacillus subtilis 168 revealed a putative 20.5-kb ICE, ICEBs1. Sequence comparison of ICESt1, ICEBs1, Tn916 and Tn5252 revealed exchanges of modules between ICEs, conjugative transposons and prophages. Four types of elements related to ICESt1 (IEs) were found in seven other strains of S. thermophilus and are integrated in the same location as ICESt1. One of these elements, IE385, could be an ICE whereas the others do not seem to be integrative and conjugative. Comparison of the various elements and ICESt1 showed that all of them have a chimerical structure resulting from exchanges of regions from different origins. The left end of IE19258 is identical to an internal recombination site of ICESt1, attL', but shares only 57% identity with its left end, attL. The site-specific recombination between the cores of attL' and of the right end, attR, leads to the excision of a circular molecule corresponding to the region flanked by these sites. Therefore, this suggests that ICESt1 results from the integration of a 28.2-kb ICE, ICESt2, in the attR' site of an IE element and that ICESt2 have mobilized the IE.; Caractérisation et structure chimérique d'une famille d'éléments intégratifs potentiellement conjugatifs chez Streptococcus thermophilus . Un élément de 34,7 kb, ICESt1, est intégré dans l'extrémité 3' du locus fda de Streptococcus thermophilus CNRZ368. ICESt1 s'excise par recombinaison site-spécifique entre des séquences identiques de 27 pb flanquant l'élément. ICESt1 code une intégrase nécessaire à cette excision. Onze des ORF d'ICESt1 codent des protéines apparentées à celles codées par divers éléments conjugatifs de bactéries Gram positives à bas G + C. ICESt1 serait donc un élément conjugatif à intégration site-spécifique (ICE). La comparaison des protéines codées par ICESt1 et le génome séquencé de Bacillus subtilis 168 a révélé un ICE de 20,5 kb, ICEBs1. L'analyse des séquences d'ICESt1, ICEBs1, Tn916 et Tn5252 révèle des échanges de modules entre éléments conjugatifs intégratifs, transposons conjugatifs et prophages. Par ailleurs, 4 types d'éléments apparentés à ICESt1 d'une taille de 12,8 à 26,1 kb (IE) sont intégrés exactement au même site qu'ICESt1 chez 7 autres souches de S. thermophilus. Seul, IE385 serait un ICE. Les autres éléments ne semblent ni conjugatifs ni intégratifs. Les hybridations entre éléments et le séquençage partiel montrent que chacun des éléments possède une structure chimérique complexe associant des régions d'origines différentes. L'extrémité gauche d'IE19258 est identique à un site de recombinaison interne d'ICESt1, attL', mais ne présente que 57 % d'identité avec son extrémité gauche. La recombinaison site spécifique entre attL' et l'extrémité droite attR d'ICESt1 conduit à l'excision d'une forme circulaire de la région comprise entre les 2 sites. Ceci indique qu'ICESt1 serait constitué de 2 éléments : un IE compris entre attL et attL' et un élément conjugatif intégratif de 28,2 kb compris entre attL' et attR, ICESt2, qui se serait intégré à la frontière de l'IE et l'aurait mobilisé.

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Background While the genomic era is accumulating a tremendous amount of data, the question of how genomics can describe a bacterial species remains to be fully addressed. The recent sequencing of the genome of the Mycoplasma agalactiae type strain has challenged our general view on mycoplasmas by suggesting that these simple bacteria are able to exchange significant amount of genetic material via horizontal gene transfer. Yet, events that are shaping mycoplasma genomes and that are underlining diversity within this species have to be fully evaluated. For this purpose, we compared two strains that are representative of the genetic spectrum encountered in this species: the type strain PG2 which genome is already available and a field strain, 5632, which was fully sequenced and annotated in this study. Results The two genomes differ by ca. 130 kbp with that of 5632 being the largest (1006 kbp). The make up of this additional genetic material mainly corresponds (i) to mobile genetic elements and (ii) to expanded repertoire of gene families that encode putative surface proteins and display features of highly-variable systems. More specifically, three entire copies of a previously described integrative conjugative element are found in 5632 that accounts for ca. 80 kbp. Other mobile genetic elements, found in 5632 but not in PG2, are the more classical insertion sequences which are related to those found in two other ruminant pathogens, M. bovis and M. mycoides subsp. mycoides SC. In 5632, repertoires of gene families encoding surface proteins are larger due to gene duplication. Comparative proteomic analyses of the two strains indicate that the additional coding capacity of 5632 affects the overall architecture of the surface and suggests the occurrence of new phase variable systems based on single nucleotide polymorphisms. Conclusion Overall, comparative analyses of two M. agalactiae strains revealed a very dynamic genome which structure has been shaped by gene flow among ruminant mycoplasmas and expansion-reduction of gene repertoires encoding surface proteins, the expression of which is driven by localized genetic micro-events.