Évolution des concentrations d’enzymes dans les réseaux métaboliques

École doctorale : Structure et dynamique des systèmes vivants (SDSV)

La question de la relation génotype-phénotype est centrale en sciences de l’évolution. En effet, alors que les mutations concernent le génotype, c’est au niveau des phénotypes qu’opère la sélection naturelle qui va structurer le polymorphisme dans les populations. Pour analyser comment une pression de sélection à un niveau phénotypique donné se traduit au niveau sous-jacent, considéré comme porteur de l’information génotypique, j’ai choisi le modèle de la relation entre le flux à travers une voie métabolique et les concentrations des enzymes de cette voie. En m’appuyant sur la théorie du contrôle métabolique, j’ai développé un modèle mathématique d’évolution des concentrations d’enzymes lorsqu’il y a sélection directionnelle pour augmenter le flux, en envisageant deux contraintes biologiquement réalistes : la compétition pour les ressources cellulaires et/ou des co-régulations entre enzymes. J’ai montré que dans tous les cas un équilibre stable des concentrations relatives existait, mais avec des zones de neutralité sélective de tailles très variables selon les propriétés des enzymes et les contraintes appliquées. De plus j’ai montré qu’en cas de co-régulations, les équilibres dépendaient non seulement des activités des enzymes et des co-régulations entre elles, mais aussi de leurs concentrations initiales, ce qui constitue un exemple de contingence évolutive. Enfin un trade-off entre les concentrations de deux enzymes suffit à limiter le flux et à empêcher les concentrations de toutes les autres enzymes d’augmenter. Toutes ces prédictions ont été confirmées par des simulations d’évolution à long terme dans lesquelles certaines des hypothèses simplificatrices faites pour les développements analytiques avaient été levées. Dans une dernière partie de la thèse, j’ai cherché à étendre le modèle d’évolution aux réseaux métaboliques en exploitant l’analogie entre réseaux métaboliques et circuits électriques, qui tous les deux impliquent des flux d’énergie dans des systèmes ramifiés. Sous réserve d’hypothèses simplificatrices, cette approche m’a permis de trouver une relation entre le flux et les efficacités de toutes les enzymes d’un réseau, et de montrer que la relation entre le flux et une enzyme particulière était toujours une courbe de saturation. On dispose donc d’un système formel pour étudier l’évolution des concentrations d’enzymes dans un réseau de topologie quelconque.

Jury

Rapporteure & Examinatrice

María-Luz CÁRDENAS, Chercheuse, CNRS, Université Aix-Marseille

Rapporteur & Examinateur

Luis-Miguel CHEVIN, Directeur de recherche, CNRS, Université de Montpellier

Examinateur

Pierre CAPY, Professeur émérite, Université Paris-Saclay

Examinateur

Wolfram LIEBERMEISTER, Directeur de recherche, INRAE, Jouy-en-Josas

Examinateur

Olivier TENAILLON, Directeur de recherche, Inserm, Université de Paris

Directeur de thèse

Dominique de Vienne, Professeur émérite, Université Paris-Saclay

Co-directrice de thèse, Invitée

Christine Dillmann, Professeure, Université Paris-Saclay

En présentiel : Salle UMR - Le Moulon, Ferme du Moulon, Gif-sur-Yvette et en visioconférence

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