How chromosomal rearrangements shape genomes : a computational and mathematical study

Comment les réarrangements chromosomiques façonnent les génomes : étude par modélisation et simulations Les origines de la complexité des génomes, ainsi que les déterminants de la taille des génomes, restent largement débattus. Cette thèse montre que les réarrangements chromosomiques sont un facteur clé de l'évolution de l'architecture du génome en termes de taille et de complexité. Elle montre en particulier que la taille et la fraction codante des génomes sont étroitement liées à la sélection de la robustesse aux réarrangements chromosomiques, et que celle-ci est notamment modulée par la taille de la population et le taux de mutation. Dans un premier temps, nous avons étudié l'impact des réarrangements chromosomiques sur l'évolution de l'architecture des génomes bactériens. Pour cela, la thèse s'appuie sur des simulations informatiques et des modélisations mathématiques. En particulier, pour les simulations, elle s'appuie sur Aevol, un logiciel conçu pour étudier l'évolution de la structure des génomes procaryotes, qui permet aux réarrangements chromosomiques d'agir directement sur la séquence génomique des individus. En utilisant Aevol, nous avons pu montrer que les réarrangements chromosomiques sont essentiels pour soutenir l'adaptation à long terme, mais aussi pour stabiliser la taille du génome. Ce résultat nous a permis de montrer, par des campagnes de simulation à grande échelle, que la pression imposée par les réarrangements sur la taille du génome est modulée à la fois par le taux de mutation (qui modifie la robustesse des génomes) et par la taille de la population (qui modifie l'efficacité de la sélection pour la robustesse). Ce résultat a ensuite été confirmé par un modèle mathématique qui met en évidence comment ces deux paramètres déterminent une proportion d'équilibre du génome non codant. La deuxième partie de la thèse se concentre sur la généralisation des résultats précédents aux génomes eucaryotes. Tout d'abord, elle présente une nouvelle version d'Aevol développée spécifiquement pour le projet, qui modélise des organismes diploïdes avec des chromosomes linéaires se reproduisant sexuellement et subissant un événement de recombinaison méiotique obligatoire. Avec ce modèle, nous montrons que les génomes de type eucaryote réagissent aux changements du taux de mutation et de la taille de la population de la même manière que les génomes de type procaryote. Dans le dernier chapitre, nous montrons que le mode de reproduction est également un déterminant important de l'architecture du génome, car l'auto-fécondation conduit à des génomes réduits.En conclusion, cette thèse de doctorat présente un nouveau cadre permettant de comprendre les aspects fondamentaux de l'évolution de la taille des génomes, en se concentrant sur l'impact direct et indirect des mutations, et en particulier des réarrangements chromosomiques, et sur la manière dont elles affectent l'avenir de chaque lignée. Nous montrons également comment d'autres paramètres, tels que la taille de la population et le mode de reproduction (asexué, sexué, autofécondation), interagissent avec ces mutations et modulent leur impact sur l'évolution de la taille du génome. L'ensemble de ces résultats contribue à une vision unifiée de l'évolution de l'architecture et de la complexité des génomes le long de l'arbre de la vie.