Modèles mathématiques pour l’étude de l’interaction entre suppression de recombinaison et mutations délétères au voisinage d’un locus de type sexuel

Mathematical models to study the interaction between recombination suppression and deleterious mutations near a mating-type locus

• Auteur / Autrice : Emilie Tezenas du montcel
• Direction : Amandine Véber, Tatiana Giraud, Sylvain Billiard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 27/10/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques appliquées de l'Ecole polytechnique (Palaiseau ; 1974-....) - Centre de Mathématiques appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Evolution de Population et Systèmes de Particules en Interaction (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Bansaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amandine Véber, Tatiana Giraud, Sylvain Billiard, Laurent Serlet, Bastien Mallein, Sophie Penisson, Solenn Stoeckel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Serlet, Bastien Mallein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mutation (biologie)

Markov, Processus de -- Solutions numériques

Recombinaison génétique

Processus stochastiques

Mots clés libres

Processus de branchement multitype

Processus markovien de sauts

Simulations stochastiques

Recombinaison

Mutations délétères

Locus de type sexuel

Multitype branching process

Markovian jump processes

Stochastic simulations

Recombination

Deleterious mutations

Mating-Type locus

Résumé

Cette thèse propose et développe plusieurs modèles stochastiques permettant d’avancer dans la compréhension de l’évolution de la suppression de recombinaison sur les chromosomes sexuels et de type sexuel. La recombinaison est un mécanisme d’échange de parties de chromosomes, qui crée de nouvelles combinaisons d’allèles. Cependant, de larges régions de suppression de recombinaison ont été observées chez de nombreuses espèces englobant des gènes impliqués dans la compatibilité lors de la reproduction sexuée (gènes déterminant le sexe ou le type sexuel). Les mécanismes induisant l’extension de la zone sans recombinaison au-delà de ces gènes impliqués dans la compatibilité sexuelle font encore débat. Dans cette thèse, on met en place différentes approches mathématiques pour étudier l’interaction entre la dynamique des mutations délétères et celle d’un suppresseur de recombinaison. Le premier chapitre a permis, grâce à l’analyse d’un modèle déterministe simple et à des simulations d’un modèle stochastique plus complexe, de montrer l’effet de la présence de mutations délétères à plusieurs étapes de l’évolution de la suppression de recombinaison. Le deuxième chapitre se concentre sur la dynamique des mutations délétères au voisinage d’un locus en permanence hétérozygote et dans des populations d’individus pouvant se reproduire par allo- ou auto-fécondation. On modélise l’évolution initiale de mutations délétères au moyen d’un processus de branchement multitype, dont on étudie la criticité et la distribution du temps d’extinction. Enfin, le troisième chapitre compare l’effet de l’accumulation de mutations délétères chez des individus autofécondants selon qu’ils peuvent recombiner ou non. On utilise un processus de sauts à valeurs mesures sur un espace de traits à trois dimensions pour étudier l’évolution de la charge mutationnelle d’individus possédant un locus de type sexuel toujours hétérozygote.

This PhD manuscript presents the development of several stochastic models that contribute to our understanding of recombination suppression evolution on sex and mating-type chromosomes. Recombination is a mechanism that exchanges parts of chromosomes, which creates novel allelic combinations. However, there have been reports in a wide range of organisms of large regions with suppressed recombination that encompass genes involved in mating compatibility (i.e., genes determining sex or mating type). The nature of the mechanisms that induce the extension of the non-recombining zone beyond the genes involved in sex compatibility remains debated. In this PhD thesis, we use various mathematical approaches to study the dynamics of deleterious mutations and recombination suppressors. The first chapter shows, with the analysis of a simple deterministic model and the simulation of a more complex stochastic one, that deleterious mutations impact the evolution of a recombination suppressor at several stages. The second chapter focuses on deleterious mutations dynamics near a permanently heterozygous locus in selfing or outcrossing populations. We model the initial evolution of deleterious mutations with a multitype branching process and study its criticality and its extinction time distribution. In the third chapter, we compare the effect of deleterious mutation accumulation in selfing populations of recombining or non-recombining individuals. We use a measure-valued branching process on a three-dimensional trait space to study the evolution of the mutational load for populations carrying an always-heterozygous mating-type locus.