| Méthodes sémantiques pour la comparaison inter-espèces de voies métaboliques : application au métabolisme des lipides chez l'humain, la souris et la poule (Semantic methods for the cross-species metabolic pathways comparison : application to human, mice and chicken lipid metabolism) Bettembourg, Charles - (2013-12-16) / Université de Rennes 1 - Méthodes sémantiques pour la comparaison inter-espèces de voies métaboliques : application au métabolisme des lipides chez l'humain, la souris et la poule
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Langue : Français Directeur(s) de thèse: Diot, Christian; Dameron, Olivier Discipline : Biologie Laboratoire : IRISA Ecole Doctorale : Vie-Agro-Santé Classification : Informatique, Sciences de la vie, biologie, biochimie Mots-clés : Bio-informatique, Ontologies, Sémantique, Génétique, Gene Ontology, Voies métaboliques
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Résumé : La comparaison inter-espèces de voies métaboliques est une problématique importante en biologie. Actuellement, les connaissances sont générées à partir d'expériences sur un nombre relativement limité d'espèces dites modèles. Mieux connaître une espèce permet de valider ou non une inférence faite à partir de ces données expérimentales et de déterminer si ou dans quelle mesure des résultats obtenus sur une espèce modèle peuvent être transposés à une autre espèce. Cette thèse propose une méthode de comparaison inter-espèces de voies métaboliques. Elle compare chaque étape d'une voie métabolique en exploitant les annotations dans Gene Ontology qui leur sont associées. Ce travail valide l'intérêt des mesures de similarités sémantiques pour interpréter ces annotations, propose d'utiliser conjointement une mesure de particularité sémantique et propose une méthode basée sur des motifs de similarité et de particularité pour interpréter chaque étape de voie métabolique. De nombreuses mesures sémantiques quantifient la similarité entre des produits de gènes en fonction des annotations qu'ils ont en commun. Nous en avons identifié et utilisé une adaptée à la problématique de comparaison inter-espèces. En se focalisant sur la part commune aux produits de gènes comparés, les mesures de similarité sémantiques ignorent les caractéristiques spécifiques d'un seul produit de gène. Or la comparaison inter-espèces de voies métaboliques se doit de quantifier non seulement la similarité des produits de gènes qui interviennent dans celles-ci, mais également leurs particularités. Nous avons développé une mesure de particularité sémantique répondant à cette problématique. Pour chaque étape de voie métabolique, nous calculons un profil composé de sa valeur de similarité et de ses deux valeurs de particularité sémantiques. Il n'est pas possible d'établir formellement que deux produits de gènes sont similaires ou que l'un d'eux a des particularités significatives sans disposer d'un seuil de similarité et d'un seuil de particularité. Jusqu'à présent, ces interprétations se faisaient sur la base d'un seuil implicite ou arbitraire. Pour combler ce manque, nous avons développé une méthode de définition de seuils pour les mesures de similarité et de particularité sémantiques. Nous avons enfin appliqué une mesure de similarité inter-espèces et notre mesure de particularité pour comparer le métabolisme des lipides entre l'Homme, la souris et la poule. Nous avons pu interpréter les résultats à l'aide des seuils que nous avions définis. Chez les trois espèces, des particularités ont pu être observées, y compris au niveau de produits de gènes similaires. Elles concernent notamment des processus biologiques et des composants cellulaires. Les fonctions moléculaires présentent une forte similarité et peu de particularités. Ces résultats sont biologiquement pertinents. Abstract : Cross-species comparison of metabolic pathways is an important task in biology. It is a major stake for both human health and agronomy. Currently, knowledge is acquired from some experiments on a relatively low number of species referred to as ``models''. A better understanding of a species determines whether to validate or not an inference made from these experimental data. It also determines whether or to what extent results obtained on model species can be transposed to another species. This thesis proposes a cross-species metabolic pathways comparison method. Our method compares each step of a metabolic pathway using the associated Gene Ontology annotations. This work validates the interest of the semantic similarity measures for interpreting these annotations, proposes to use jointly a semantic particularity measure and proposes a method based on similarity and particularity patterns to interpret each metabolic pathway step. Several gene products are involved throughout a metabolic pathway. They are associated to some annotations in order to describe their biological roles. Based on a shared ontology, these annotations allow to compare data from different species and to take into account several level of abstraction. Several semantic measures quantifying the similarity between gene products from their annotations have been developed previously. We have identified and used a semantic similarity measure appropriate for cross-species comparisons. Because they focus on the common part of the compared gene products, the semantic similarity measures ignore their specific characteristics. Therefore, cross-species metabolic pathways comparison has to quantify not only the similarity of the gene products involved, but also their particularity. We have developed a semantic particularity measure addressing this issue. For each pathway step, we proposed to create a profile combining its semantic similarity and its two semantic particularity values. Concerning the results interpretation, it is not possible to establish formally that two gene products are similar or that one of them have some significant particularities without having a similarity threshold and a particularity threshold. So far, these interpretations were based on an implicit or an arbitrary threshold. To address this gap, we developed a threshold definition method for the semantic similarity and particularity measures. We last applied a cross-species similarity measure and our particularity measure to compare the lipid metabolism between human, mice and chicken. We then interpreted the results using the previously defined thresholds. In all three species, we observed some particularities, including on similar genes. They concerned notably some biological processes and cellular components. The molecular functions present a strong similarity and few particularities. These results are biologically relevant. | |||