Estimation de l'héritabilité dans les modèles mixtes en grande dimension : théorie et applications.

Heritability Estimation in High-dimensional Mixed Models : Theory and Applications.

• Auteur / Autrice : Anna Bonnet
• Direction : Elisabeth Gassiat, Céline Lévy-Leduc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 05/12/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Mathématiques et Informatique Appliquées (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Giraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Gassiat, Céline Lévy-Leduc, Christophe Giraud, Lee Dicker, Thomas Bourgeron, Nicolas Verzelen, Christophe Ambroise
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lee Dicker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Statistique mathématique -- Théorie asymptotique

Génomique

Génétique quantitative

Mots clés libres

Héritabilité

Modèles mixtes

Grande dimension

Sélection de variables

Heritability

Mixed models

High dimension

Variable selection

Résumé

Nous nous intéressons à desméthodes statistiques pour estimer l'héritabilitéd'un caractère biologique, qui correspond à lapart des variations de ce caractère qui peut êtreattribuée à des facteurs génétiques. Nousproposons dans un premier temps d'étudierl'héritabilité de traits biologiques continus àl'aide de modèles linéaires mixtes parcimonieuxen grande dimension. Nous avons recherché lespropriétés théoriques de l'estimateur du maximumde vraisemblance de l'héritabilité : nousavons montré que cet estimateur était consistantet vérifiait un théorème central limite avec unevariance asymptotique que nous avons calculéeexplicitement. Ce résultat, appuyé par des simulationsnumériques sur des échantillons finis,nous a permis de constater que la variance denotre estimateur était très fortement influencéepar le ratio entre le nombre d'observations et lataille des effets génétiques. Plus précisément,quand le nombre d’observations est faiblecomparé à la taille des effets génétiques (ce quiest très souvent le cas dans les étudesgénétiques), la variance de l’estimateur était trèsgrande. Ce constat a motivé le développementd'une méthode de sélection de variables afin dene garder que les variants génétiques les plusimpliqués dans les variations phénotypiques etd’améliorer la précision des estimations del’héritabilité.La dernière partie de cette thèse est consacrée àl'estimation d'héritabilité de données binaires,dans le but d'étudier la part de facteursgénétiques impliqués dans des maladies complexes.Nous proposons d'étudier les propriétésthéoriques de la méthode développée par Golanet al. (2014) pour des données de cas-contrôleset très efficace en pratique. Nous montronsnotamment la consistance de l’estimateur del’héritabilité proposé par Golan et al. (2014).

We study statistical methods toestimate the heritability of a biological trait,which is the proportion of variations of thistrait that can be explained by genetic factors.First, we propose to study the heritability ofquantitative traits using high-dimensionalsparse linear mixed models. We investigate thetheoretical properties of the maximumlikelihood estimator for the heritability and weshow that it is a consistent estimator and that itsatisfies a central limit theorem with a closedformexpression for the asymptotic variance.This result, supported by an extendednumerical study, shows that the variance of ourestimator is strongly affected by the ratiobetween the number of observations and thesize of the random genetic effects. Moreprecisely, when the number of observations issmall compared to the size of the geneticeffects (which is often the case in geneticstudies), the variance of our estimator is verylarge. This motivated the development of avariable selection method in order to capturethe genetic variants which are involved themost in the phenotypic variations and providemore accurate heritability estimations. Wepropose then a variable selection methodadapted to high dimensional settings and weshow that, depending on the number of geneticvariants actually involved in the phenotypicvariations, called causal variants, it was a goodidea to include or not a variable selection stepbefore estimating heritability.The last part of this thesis is dedicated toheritability estimation for binary data, in orderto study the proportion of genetic factorsinvolved in complex diseases. We propose tostudy the theoretical properties of the methoddeveloped by Golan et al. (2014) for casecontroldata, which is very efficient in practice.Our main result is the proof of the consistencyof their heritability estimator.