Méthodes bioinformatiques pour l'analyse de données de séquençage dans le contexte du cancer

Bioinformatics methods for cancer sequencing data analysis

• Auteur / Autrice : Justine Rudewicz
• Direction : Macha Nikolski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 30/06/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bordelais de recherche en informatique
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Merlio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Macha Nikolski, Jean-Philippe Merlio, Valentina Boeva, Jacques Colinge, Sylvain Marchand, David Santamaria
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valentina Boeva, Jacques Colinge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles de mélanges gaussiens

Graphes de de Bruijn

Séquençage à haut débit

Séquençage des acides nucléiques

Bioinformatique

Cancer

Mots clés libres

Cancer

Bioinformatique

NGS

TGS

Graphes de de Bruijn

Modèles de mélanges

Cancer

Bioinformatics

NGS

TGS

De Bruijn graphs

Mixture models

Résumé

Le cancer résulte de la prolifération excessive de cellules qui dérivent toutes de la même cellule initiatrice et suivent un processus Darwinien de diversification et de sélection. Ce processus est défini par l'accumulation d'altérations génétiques et épigénétiques dont la caractérisation est un élément majeur pour pouvoir proposer une thérapie ciblant spécifiquement les cellules tumorales. L'avènement des nouvelles technologies de séquençage haut débit permet cette caractérisation à un niveau moléculaire. Cette révolution technologique a entraîné le développement de nombreuses méthodes bioinformatiques. Dans cette thèse, nous nous intéressons particulièrement au développement de nouvelles méthodes computationnelles d'analyse de données de séquençage d'échantillons tumoraux permettant une identification précise d'altérations spécifiques aux tumeurs et une description fine des sous populations tumorales. Dans le premier chapitre, il s'agît d'étudier des méthodes d'identification d'altérations ponctuelles dans le cadre de séquençage ciblé, appliquées à une cohorte de patientes atteintes du cancer du sein. Nous décrivons deux nouvelles méthodes d'analyse, chacune adaptée à une technologie de séquençage, spécifiquement Roche 454 et Pacifique Biosciences.Dans le premier cas, nous avons adapté des approches existantes au cas particulier de séquences de transcrits. Dans le second cas, nous avons été confronté à un bruit de fond élevé entraînant un fort taux de faux positifs lors de l'utilisation d'approches classiques. Nous avons développé une nouvelle méthode, MICADo, basée sur les graphes de De Bruijn et permettant une distinction efficace entre les altérations spécifiques aux patients et les altérations communes à la cohorte, ce qui rend les résultats exploitables dans un contexte clinique. Le second chapitre aborde l'identification d'altérations de nombre de copies. Nous décrivons l'approche mise en place pour leur identification efficace à partir de données de très faible couverture. L'apport principal de ce travail consiste en l'élaboration d'une stratégie d'analyse statistique afin de mettre en évidence des changements locaux et globaux au niveau du génome survenus durant le traitement administré à des patientes atteintes de cancer du sein. Notre méthode repose sur la construction d'un modèle linéaire permettant d'établir des scores de différences entre les échantillons avant et après traitement. Dans le troisième chapitre, nous nous intéressons au problème de reconstruction clonale. Cette problématique récente est actuellement en plein essor, mais manque cependant d'un cadre formel bien établi. Nous proposons d'abord une formalisation du problème de reconstruction clonale. Ensuite nous utilisons ce formalisme afin de mettre en place une méthode basée sur les modèles de mélanges Gaussiens. Cette méthode utilise les altérations ponctuelles et de nombre de copies - comme celles abordées dans les deux chapitres précédents - afin de caractériser et quantifier les différentes populations clonales présentes dans un échantillon tumoral.

Cancer results from the excessive proliferation of cells decending from the same founder cell and following a Darwinian process of diversification and selection. This process is defined by the accumulation of genetic and epigenetic alterations whose characterization is a key element for establishing a therapy that would specifically target tumor cells. The advent of new high-throughput sequencing technologies enables this characterization at the molecular level. This technological revolution has led to the development of numerous bioinformatics methods. In this thesis, we are particularly interested in the development of new computational methods for the analysis of sequencing data of tumor samples allowing precise identification of tumor-specific alterations and an accurate description of tumor subpopulations. In the first chapter, we explore methods for identifying single nucleotide alterations in targeted sequencing data and apply them to a cohort of breast cancer patients. We introduce two new methods of analysis, each tailored to a particular sequencing technology, namely Roche 454 and Pacific Biosciences. In the first case, we adapted existing approaches to the particular case of transcript sequencing. In the second case, when using conventional approaches, we were confronted with a high background noise resulting in a high rate of false positives. We have developed a new method, MICADo, based on the De Bruijn graphs and making possible an effective distinction between patient-specific alterations and alterations common to the cohort, which makes the results usable in a clinical context. Second chapter deals with the identification of copy number alterations. We describe the approach put in place for their efficient identification from very low coverage data. The main contribution of this work is the development of a strategy for statistical analysis in order to emphasise local and global changes in the genome that occurred during the treatment administered to patients with breast cancer. Our method is based on the construction of a linear model to establish scores of differences between samples before and after treatment. In the third chapter, we focus on the problem of clonal reconstruction. This problem has recently gathered a lot of interest, but it still lacks a well-established formal framework. We first propose a formalization of the clonal reconstruction problem. Then we use this formalism to put in place a method based on Gaussian mixture models. Our method uses single nucleotide and copy number alterations - such as those discussed in the previous two chapters - to characterize and quantify different clonal populations present in a tumor sample.