Évolution de l’architecture des génomes : modélisation et reconstruction phylogénétique

Genomes evolve through processes that modify their content and organization at different scales, ranging from the substitution, insertion or deletion of a single nucleotide to the duplication, loss or transfer of a gene and to large scale chromosomal rearrangements. Extant genomes are the result of a combination of many such processes, which makes it difficult to reconstruct the overall picture of genome evolution. As a result, most models and methods focus on one scale and use only one kind of data, such as gene orders or sequence alignments. Most phylogenetic reconstruction methods focus on the evolution of sequences. Recently, some of these methods have been extended to integrate gene family evolution. Chromosomal rearrangements have also been extensively studied, leading to the development of many models for the evolution of the architecture of genomes. These two ways to model genome evolution have not exchanged much so far, mainly because of computational issues. In this thesis, I present a new model of evolution for the architecture of genomes that accounts for the evolution of gene families. With this model, one can reconstruct the evolutionary history of gene adjacencies and gene order accounting for events that modify the gene content of genomes (duplications and losses of genes) and for events that modify the architecture of genomes (chromosomal rearrangements). Integrating these two types of information in a single model yields more accurate evolutionary histories. Moreover, we show that reconstructing ancestral gene orders can provide feedback on the quality of gene trees thus paving the way for an integrative model and reconstruction methodL'évolution des génomes peut être observée à plusieurs échelles, chaque échelle révélant des processus évolutifs différents. A l'échelle de séquences ADN, il s'agit d'insertions, délétions et substitutions de nucléotides. Si l'on s'intéresse aux gènes composant les génomes, il s'agit de duplications, pertes et transferts horizontaux de gènes. Et à plus large échelle, on observe des réarrangements chromosomiques modifiant l'agencement des gènes sur les chromosomes. Reconstruire l'histoire évolutive des génomes implique donc de comprendre et de modéliser tous les processus à l'œuvre, ce qui reste hors de notre portée. A la place, les efforts de modélisation ont exploré deux directions principales. D'un côté, les méthodes de reconstruction phylogénétique se sont concentrées sur l'évolution des séquences, certaines intégrant l'évolution des familles de gènes. D'un autre côté, les réarrangements chromosomiques ont été très largement étudiés, donnant naissance à de nombreux modèles d'évolution de l'architecture des génomes. Ces deux voies de modélisation se sont rarement rencontrées jusqu'à récemment. Au cours de ma thèse, j'ai développé un modèle d'évolution de l'architecture des génomes prenant en compte l'évolution des gènes et des séquences. Ce modèle rend possible une reconstruction probabiliste de l'histoire évolutive d'adjacences et de l'ordre des gènes de génomes ancestraux en tenant compte à la fois d'évènements modifiant le contenu en gènes des génomes (duplications et pertes de gènes), et d'évènements modifiant l'architecture des génomes (les réarrangements chromosomiques). Intégrer l'information phylogénétique à la reconstruction d'ordres des gènes permet de reconstruire des histoires évolutives plus complètes. Inversement, la reconstruction d'ordres des gènes ancestraux peut aussi apporter une information complémentaire à la phylogénie et peut être utilisée comme un critère pour évaluer la qualité d'arbres de gènes, ouvrant la voie à un modèle et une reconstruction intégrativ