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Génomique fonctionnelle séquentielle pour la recherche de marqueurs génétiques de la croissance et de la résistance larvaire chez la moule bleue Mytilus edulis

Bassim, Sleiman (2014). Génomique fonctionnelle séquentielle pour la recherche de marqueurs génétiques de la croissance et de la résistance larvaire chez la moule bleue Mytilus edulis. Thèse. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski, 301 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: La dissertation est divisée en deux parties suivies par une discussion générale pour conclure sur des prospectifs dans les disciplines de transcriptomique, génomique et physiologique. La première partie introduit la sélection naturelle de la larve et son évolution qui varie en fonction de son adaptation locale gène-dépendante et la valeur sélective modulée par les pressions sélectives environnementales. La deuxième partie est divisée en trois chapitres qui traitent en détail de nouvelles découvertes et les expériences effectuées en biologie quantitative. Les analyses des réseaux de gènes ont contribué au développement de décisions théoriques bayésiennes et à la classification supervisée de modèles prédictifs. Enfin je discute l'importance et les avantages d'une approche multidisciplinaire dans l'étude de la biologie évolutive et je propose des précautions à entreprendre pour le traitement des données fonctionnelles en génétique. L'objectif principal est de caractériser chez la moule bleue Mytilus edulis les effets moléculaires d'une carence nutritionnelle en acides gras pro-inflammatoires, appelés les précurseurs des eicosanoïdes. Les eicosanoïdes sont des hormones impliquées dans des mécanismes moléculaires peu connus chez les larves pélago-benthiques. Ces acides gras ont un rôle fonctionnel important dans la structure et la fluidité des membranes cellulaires et sont à l'origine de la valeur sélective des populations. Une approche nutrigénomique nous a permis d'examiner les modulateurs de l'adaptation lo cale et les effets des facteurs écologiques sur l'ontogénie des espèces marines. L'histoire de vie des moules est influencée fortement par la qualité et la disponibilité des microalgues qui constituent la nourriture principale pendant la phase larvaire. Effectivement, cette dépendance est centrale dans le développement larvaire chez les invertébrés marins et spécialement chez les bivalves. Plusieurs notions relatives sont introduites dans la première partie de la thèse. D'ailleurs nous décrivons les interactions écophysiologiques et la prédisposition génétique sur la valeur inclusive des espèces. En effet, le taux des réserves énergétiques des larves varie en fonction de la nature de la nourriture. Elle est fondamentale pour leur adaptation locale, la survie, le succès métamorphique puis l'acquisition d'une maturité sexuelle. Ces hypothèses ont été testées par des méthodes modernes en génomique développementale. Nous avo ns donc réussi à identifier un lien entre la dynamique du génome et la valeur sélective du phénotype à transition rapide. La biométrie larvaire a été déterminée au début de la période du développement ontogénique. Nous avo ns ainsi enregistré les diffé rentes transitions d'un organisme jeune, peu développé et suscep tible à de fortes mortalités, en un organisme plus résistant. Ensuite, le transcriptome a été séquencé par RNA-seq afin de caractériser les régulations différen tielles des larves. Par conséquent, le premier chapitre de la deuxième partie traite l' importance du séquençage à l'échelle d'un génome entier. Notre stratégie a permis d'incorporer toutes les interactions et les variantes géniques dans une étude physiogénétique plus fiab le. Par exemple, les mécanismes qui s'activent pendant une défense immunitaire en réponse à une infection bactérienne peuvent aussi être impliqués dans la croissance cellulaire et le développement sans la présence de perturbations exogènes. Par ailleurs, l'interaction entre les régulateurs transcriptionnels et leurs gènes cibles a été étudiée pendant le développement. Ceci nous a aidé à définir la coordination du réseautage génique et les changements physiologiques essentiels pour l'assemblage morphologique des larves. Des modèles de prédiction (Machine Learning) pour la recherche supervisée des signatures de l'expression génique ont permis l'exploration du lien dynamique entre les acides gras nutritionnels et la réponse génomique. D'ailleurs, nous avons caractérisé de nouveaux biomarqueurs par les différents modèles statistiques employés sur tout le transcriptome de M. edulis. Par exemple, nous avons découvert de nouveaux gènes différentiellement exprimés pendant le développement larvaire et dépendamment du régime nutritionnel par classification supervisée. Ces marqueurs sont relatifs à la tolérance aux stress et la réparation de l'ADN. L'exploitation des données physiologiques et génomiques a permis de confirmer l'existence d'un impact environnemental sur la dynamique du génome larvaire de M. edulis. En plus, les acides gras pro-inflammatoires sont capables d'activer plusieurs mécanismes de défense et du métabolisme énergétique. Ces mécanismes sont basés sur des connexions géniques complexes dont l'activation varie en fonction de l'âge des larves. Enfin, l'ensemble de ces résultats confirme que l'adaptation locale est dépendante de la valeur sélective de plusieurs réseaux de gènes interconnectés. Pour cette raison nous avons réussi à caractériser 29 biomarqueurs génomiques capables d'associer les effets des précurseurs des eicosanoïdes à la croissance et la mortalité des larves de M. edulis. Nous avons présenté dans cette thèse une approche intégrative qui inclue le transcriptome et les données comportementales. De cette manière nous apportons une compréhension globale de la biologie des systèmes. Ceci permettra la mise en place d'une relation entre l'évaluation environnementale et le développement fonctionnel chez les bivalves marins. -- Mots clés : Mytilus edulis, larve, ontogenèse, précurseurs des eicosanoïdes, RNA-seq, transcriptome, data mining, Machine Learning, croissance, mortalité. -- ABSTRACT: The dissertation is divided into two parts followed by a general discussion and concluding remarks to future goals in transcriptomics, genomics and physiology. The n.rst part introduces the influencing fac tors of natural selection and evolution of larvae that are dependent on their local adap tation and their genes' inclusive n.tness which is modulated by selective environmental pressures. The second part is divided into three chapters, where each addresses in detail new discoveries and all the biological experiments, expression analysis, and pipeline des igns. Analysis of ge ne networks contributed to the development ofBayesian decision theories and supervised class in.cation models. The discussion assesses the impor tance of a multidisciplinary approach in studying evolutionary biology and the precautions in the assessmen t of functional genomic data. The main objective here was to characterize the impact of a den.cient diet in fa tty acids in the blue mus sel Mytilus edulis. These fatty acids are pro-inflammatory eicosanoid precursors responsible of the molecular mechanisms behind larval n.tness during early developmen t. They confer further structural fluidity to ceU membranes. A nutrigenomic approach provided us with essential informa tion about modulators in marine adaptation and thorough knowledge of the ecological players during the progress of larval ontogenesis. Life cycle history of adult bivalves is strongly influenced by the quality and availability of food during the larval phase. Indeed, this dependency found amongst invertebra tes and specin.cally in bivalves is central to the growing larvae. Several related concepts have been introduced in the n.rst part of the thesis. In addition, we included detailed examples of the effect of eco-physiological interactions and genetic predisposition on the inclusive n.tness of species. Energy reserves can vary greatly depending on the microalgal fatty acid composition. Microalgae constitute the main food source for the feeding larvae and are fundamental to their local adaptation. Moreover, they are nutrient-rich, which can contribute to the survival of larvae, their metamorphic success, and the duration of their transitional period to sexualIy mature adults. AlI these physiological hypotheses were tested using modern methods in developmental genomics. We thus identified a connection between the dynamical function of the genome and the fast-changing phenotype's inclusive fitness. Furthermore, biometrics were measured at early larval development. We recorded the various transitions of a young, underdeveloped body and likely susceptible of high mortality, into a more resistant form. Next, larval transcriptome was RNA-sequenced. Consequently, the first chapter of the second part addresses the importance of whole-genome sequencing. Our strategy helped integrate various constituents of the genome for a more reliable physiogenetic assessment. For example, mechanisms known to be specifically activated during an immune defence in response to infections, can also be associated with cellular growth and development in the absence of exogenous perturbations. In addition, interactions between transcriptional regulators and their target genes were thoroughly investigated. This helped us define coordinated expressions between genes and the physiological changes underlying larval body-plan transitions. Supervised Machine Learning models were used to identify gene signatures from expression profiles during larval development, provided that the genomic response generated was assessed relatively to the impact of dietary fatty acids. Statistical modeling enabled us to map the whole transcriptome of M. edulis and to identify new genetic biomarkers. For example, we discovered new differentialIy regulated genes implicated in stress resistance and DNA repair using specialized supervised classifications. Therefore, data mining of the newly built transcriptome of M. edulis and notably the large-scale examination of gene expressions provided new insights on the existence of a direct environmental impact on the dynamic of larval transcriptome. Furthermore, pro-inflammatory fatty acids can activate depending on the stage of development, a newly discovered set of interrelated genes that promo te defence and metabolic regulation. Lastly, these results confirm that the inclusive fitness of the identified genetic regulatory networks (GRNs) can affect the local adaptation of larvae. for this reason, we were able to characterize 29 genetic markers that conne ct the effect of eicosanoid precursors with M. edulis larval growth and mortality. We have presented in this thesis an integrative approach of transcriptomic and behavioural data that brings a holistic understanding of systems biology. This will help to establish links between environmental assessment and functional development in marine bivalves. -- Keywords : Mytilus edulis, larvae, ontogenesis, eicosanoid precursors, RNA-seq, transcrip tome, data mining, Machine Learning, growth, mortality.

Type de document: Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur de mémoire/thèse: Tremblay, Réjean
Co-directeur(s) de mémoire/thèse: Moraga, Dario
Informations complémentaires: Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en océanographie en vue de l'obtention du grade de Philosophiae Doctor ès océanographie.
Mots-clés: Moule Bleu Mytilus Edulis Larve Croissance Genomique
Départements et unités départementales: Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par: DIUQAR UQAR
Date de dépôt: 09 mai 2016 15:01
Dernière modification: 09 mai 2016 15:01
URI: http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1030

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