Intégration et analyse de données biologiques hétérogènes par exploitation de graphes multicouches pour mieux comprendre les variations d’efficience alimentaire chez le porc

Integration and analysis of heterogeneous biological data through multilayer graph exploitation to gain deeper insights into feed efficiency variations in growing pigs

• Auteur / Autrice : Camille Juigné
• Direction : Florence Gondret, Emmanuelle Becker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique, génomique et bio-informatique
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Rennes, Agrocampus Ouest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie, Géosciences, Agronomie, Alimentation (Rennes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physiologie, Environnement et Génétique pour l'Animal et les Systèmes d'Elevage
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Emily
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuelle Becker, Michel Dumontier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Rau, Fabien Jourdan

Mots clés

Mots clés libres

Efficience alimentaire

Graphe multicouche

Intégration de données

Multi-Omiques

Web sémantique

Data integration

Feed efficiency

Multilayer graph

Multi-Omics

Web semantic

Résumé

Les progrès technologiques d’étude du vivant ont conduit à une explosion de données multimodales et multicentriques. Ce phénomène soulève de nombreuses questions liées au stockage, à la standardisation et à l’analyse de ces données massives. Ainsi, ce travail de thèse porte sur le développement d’une méthode intégrative d’analyse de données biologiques, pour en extraire de la connaissance. Pour prendre en compte leur forte interdépendance, cette approche consiste à intégrer différents types d’entités biologiques (ARNm, protéines, métabolites, caractères observables) qui sont habituellement étudiés indépendamment les uns des autres. La solution informatique élaborée permet d’intégrer ces données hétérogènes dans un graphe multicouche, avec une couche par type d’entités.L’originalité est de relier les éléments d’une couche ou de couches différentes par des propriétés extraites des bases de données et de connaissances publiques à l’aide de technologies du Web Sémantique. A partir de ce graphe, le but est de caractériser les relations entre un groupe de molécules d’intérêt grâce à des métriques de la théorie des graphes. La méthode développée a été appliquée à des jeux de données expérimentaux (transcriptomique, métabolomique et phénotypes animaux) pour décrire et comprendre les relations entre les molécules et leur importance dans la variation d’efficience alimentaire de porcs. L’efficience alimentaire est un phénotype clé pour contribuer à un élevage durable, mais complexe. Ce travail a permis de mettre à disposition des méthodes d'analyse novatrices, à différentes échelles de l’organisation du vivant, favorisant une meilleure compréhension des processus biologiques.

Recent technological advancements in biological data acquisition have resulted in an explosion of multimodal and multicentric data. This phenomenon raises numerous questions regarding the storage, standardization, and analysis of these massive datasets. This thesis focuses on the development of an integrative method for analyzing biological data to extract knowledge from them. To account for their strong interdependencies, this approach involves integrating different types of biological entities (mRNA, proteins, metabolites, observable traits) that are typically studied independently. The devised computational solution enables the integration of these heterogeneous data into a multilayer graph, with each layer representing a specific type of entity.The novelty lies in linking elements within a layer or across different layers by utilizing properties extracted from public knowledge databases through Semantic Web technologies. Based on this graph, the objective is to characterize the relationships among a group of molecules of interest using graph theory metrics. The method was applied to experimental datasets (transcriptomics, metabolomics and animal phenotypes) to describe and understand the relationships between specific molecules and determine their importance in feed efficiency variations in growing pigs. Feed efficiency is a key phenotype for sustainable farming, but is recognized as complex. This work provides innovative analysis methods to analyze and integrate various levels of biological organization, facilitating a better understanding of biological processes.