Mathematical modelling and integration of complex biological data : analysis of the heterosis phenomenon in yeast

Autor: Petrizzelli, Marianyela
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
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Popis: Le cadre général de cette thèse est la question de la relation génotype-phénotype, abordée à travers l'analyse du phénomène d'hétérosis chez la levure, dans une approche associant biologie, mathématiques et statistiques. Antérieurement à ce travail, un très gros jeu de données hétérogènes, correspondant à différents niveaux d'organisation (protéomique, caractères de fermentation et traits d'histoire de vie), avait été recueilli sur un dispositif demi-diallèle entre 11 souches appartenant à deux espèces. Ce type de données est idéalement adapté pour la modélisation multi-échelle et pour tester des modèles de prédiction de la variation de phénotypes intégrés à partir de caractères protéiques et métaboliques (flux), tout en tenant compte des structures de dépendance entre variables et entre observations. J’ai d'abord décomposé, pour chaque caractère, la variance génétique totale en variances des effets additifs, de consanguinité et d'hétérosis, et j’ai montré que la distribution de ces composantes permettait de définir des groupes bien tranchés de protéines dans lesquels se plaçaient la plupart des caractères de fermentation et de traits d'histoire de vie. Au sein de ces groupes, les corrélations entre les variances des effets d'hétérosis et de consanguinité pouvaient être positives, négatives ou nulles, ce qui a constitué la première mise en évidence expérimentale d’un découplage possible entre les deux phénomènes. Le second volet de la thèse a consisté à interfacer les données de protéomique quantitative avec un modèle stœchiométrique du métabolisme carboné central de la levure, en utilisant une approche de modélisation à base de contraintes. M'appuyant sur un algorithme récent, j’ai cherché, dans l'espace des solutions possibles, celle qui minimisait la distance entre le vecteur de flux et le vecteur des abondances observées des protéines. J’ai ainsi pu prédire un ensemble de flux et comparer les patrons de corrélations entre caractères à plusieurs niveaux d'intégration. Les données révèlent deux grandes familles de caractères de fermentation ou de traits d'histoire de vie dont l'interprétation biochimique est cohérente en termes de trade-off, et qui n'avaient pas été mises en évidence à partir des seules données de protéomique quantitative. L'ensemble de mes travaux permet de mieux comprendre l'évolution de la relation entre génotype et phénotype.
The general framework of this thesis is the issue of the genotype-phenotype relationship, through the analysis of the heterosis phenomenon in yeast, in an approach combining biology, mathematics and statistics. Prior to this work, a very large set of heterogeneous data, corresponding to different levels of organization (proteomics, fermentation and life history traits), had been collected on a semi-diallel design involving 11 strains belonging to two species. This type of data is ideally suited for multi-scale modelling and for testing models for predicting the variation of integrated phenotypes from protein and metabolic (flux) traits, taking into account dependence patterns between variables and between observations. I first decomposed, for each trait, the total genetic variance into variances of additive, inbreeding and heterosis effects, and showed that the distribution of these components made it possible to define well-defined groups of proteins in which most of the characters of fermentation and life history traits took place. Within these groups, the correlations between the variances of heterosis and inbreeding effects could be positive, negative or null, which was the first experimental demonstration of a possible decoupling between the two phenomena. The second part of the thesis consisted of interfacing quantitative proteomic data with the yeast genome-scale metabolic model using a constraint-based modelling approach. Using a recent algorithm, I looked, in the space of possible solutions, for the one that minimized the distance between the flux vector and the vector of the observed abundances of proteins. I was able to predict unobserved fluxes, and to compare correlation patterns at different integration levels. Data allowed to distinguish between two major types of fermentation or life history traits whose biochemical interpretation is consistent in terms of trade-off, and which had not been highlighted from quantitative proteomic data alone. Altogether, my thesis work allows a better understanding of the evolution of the genotype-phenotype map.
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