State aggregation for fast likelihood computations in molecular evolution.

MOTIVATION: Codon models are widely used to identify the signature of selection at the molecular level and to test for changes in selective pressure during the evolution of genes encoding proteins. The large size of the state space of the Markov processes used to model codon evolution makes it difficult to use these models with large biological datasets. We propose here to use state aggregation to reduce the state space of codon models and, thus, improve the computational performance of likelihood estimation on these models. RESULTS: We show that this heuristic speeds up the computations of the M0 and branch-site models up to 6.8 times. We also show through simulations that state aggregation does not introduce a detectable bias. We analysed a real dataset and show that aggregation provides highly correlated predictions compared to the full likelihood computations. Finally, state aggregation is a very general approach and can be applied to any continuous-time Markov process-based model with large state space, such as amino acid and coevolution models. We therefore discuss different ways to apply state aggregation to Markov models used in phylogenetics. AVAILABILITY: The heuristic is implemented in the godon package (https://bitbucket.org/Davydov/godon) and in a version of FastCodeML (https://gitlab.isb-sib.ch/phylo/fastcodeml). CONTACT: [email protected] SUPPLEMENTARY INFORMATION: Supplementary data are available at Bioinformatics online

Molecular évolution of RuBisCO subunits

The environmental conditions of our planet have been changing since its origin. For species’ survival, adaptation to the environment is crucial, for example through the adaptive evolution of photosynthesis. The appearance of the mechanism to concentrate CO2 has given some species a selective advantage under CO2-depleted conditions. C4 plants comprise one of the main groups of such species that have diverged from classical C3 plants and adapted to depletion of CO2 by modifying the cellular structures and biochemical cascades. Ribulose- 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO), an enzyme which catalyzes the first step of CO2 fixation, has changed cellular location during C4 evolution. RuBisCO of C4 is surrounded by highly concentrated CO2, which prevents the loss of energy and CO2 caused by the affinity of the enzyme for both O2 and CO2. The intercellular gas composition surrounding RuBisCO directly influences the rate of photosynthesis because RuBisCO’s slow turnover rate is often the limiting factor for the rate of photosynthesis in higher plants. Therefore, RuBisCO has been considered as the determining factor of the photosynthetic rate and it has been thought to play an important role in plant adaptation to the environmental conditions. In previous studies, the evidence of adaptive evolution of RuBisCO has been detected by positive selection acting on the chloroplast rbcL gene encoding large subunits of RuBisCO (RBCL) in independent C4 lineages. The other subunit of RuBisCO, the small subunit (RBCS), has been reported to influence the catalytic efficiency, CO2 specificity, assembly, activity, and stability of RuBisCO. However, the evolution of its encoding nuclear gene rbcS is yet poorly studied. Therefore, I aimed to study the molecular evolution of rbcS in angiosperms. The rbcS gene is a multigene family and the number of gene copies is different between species. The phylogenetic tree of the rbcS gene reveals two lineages that may have originated from a duplication event before the divergence of land plants. Copies originating from ancient duplication events seem to have been removed, whereas the copies from recent events appear to be retained. This explains the observation in the rbcS tree that gene copies of the same species are more closely related to each other than ones from different species. I hypothesized that each rbcS gene copy of the same species may have different characteristics. I compared the interaction of rbcS and rbcL genes as well as the influence of different encoding RBCS subunits to the stability of RuBisCO by respectively testing coevolution between rbcS and each rbcL and by homology modelling of RuBisCO composed with a RBCS encoded by different rbcS copies. The results suggested that the interaction between RBCS and RBCL, and the influence on the overall stability of the enzyme, are the same among different rbcS copies. Therefore, I assumed that all the rbcS gene copies cannot be divergent because they need to be structurally compatible with RBCL. In general, when all the gene copies of a multigene family have the same characteristics, multiple gene copies of a species exist to maintain the number of transcripts at the same level as that of a single copy carrying species (dosage effect hypothesis). To test this hypothesis, I estimated the gene expression levels of each gene copy by using published transcriptome data. The results suggest that the gene expression level is similar between species carrying single and multiple copies. The results suggest that species carrying a higher gene copy number have a larger amount of RuBisCO. It has been reported that RuBisCO is degraded or down regulated under specific environmental stress. Thus, I conclude that plants living in such an environmental stress condition may need to synthesize more RuBisCO to prevent a shortage of the enzyme. To understand better the role of RBCS to cope with environmental changes, I tested the positive selection of the rbcS gene in species of Poaceae that have different photosynthetic types. Positive selection was detected all over the tree and the signal was not C4-specific. This suggests that the positive selection acting on the rbcS gene has not led to the shift of photosynthetic types. I assume that RBCS might be involved in the optimization of RuBisCO after the establishment of C4 photos nthesis type or after migration to new habitats that require different catalytic properties. -- Les conditions environnementales de notre planète ne cessent de changer depuis son origine. Pour survivre, il est crucial pour les espèces de s’adapter à leur environnement. Un exemple est l’évolution adaptative de la photosynthèse. L’apparition de mécanismes permettant de concentrer le CO2 a donné à certaines espèces un avantage sélectif lorsqu’elles font face à des conditions appauvries en CO2. Les plantes C4 constituent l’un des principaux groupes d’espèces qui ont divergé des plantes C3 classiques en s’adaptant en modifiant leurs structures cellulaires et cascades biochimiques. La ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO) – une enzyme catalysant la première étape de fixation de CO2 – a changé de localisation cellulaire durant l’évolution du mode de fixation du carbone C4. La RuBisCO des plantes C4 est localisée dans un compartiment caractérisé par une haute concentration en CO2, évitant ainsi la perte d’énergie et de CO2 causée par l’affinité de l’enzyme pour deux substrats: le CO2 et le O2. L’environnement gazeux intracellulaire auquel est confrontée la RuBisCO influence directement le taux de photosynthèse, car son faible taux de renouvellement par rapport à d’autres enzymes photosynthétiques constitue souvent le facteur limitant le taux de photosynthèse chez les plantes supérieures. De ce fait, la RuBisCO est considérée comme le facteur déterminant le taux de photosynthèse et jouant un rôle important dans l’adaptation des plantes aux conditions environnementales. De précédentes études démontrèrent l’évolution adaptative de la RuBisCO par sélection positive agissant sur le gène chloroplastique rbcL – qui code pour la grande sous-unité de la RuBisCO (RBCL) – dans des lignées indépendantes de plantes C4. Il a été démontré que l’autre sous-unité de la RuBisCO – la petit sous-unité (RBCS) – influence l’efficacité catalytique, la spécificité de liaison au CO2, l’assemblement, l’activité et la stabilité de la RuBisCO. Néanmoins, l’évolution du gène codant pour cette sous-unité – le gène nucléaire rbcS – n’a été que très peu étudiée jusqu’à présent. Par conséquent, le but de mon projet est d’étudier l’évolution moléculaire du gène rbcS chez les Angiospermes. Le gène rbcS fait partie d’une famille de gènes multiples et son nombre de copies varie selon les espèces. Des arbres phylogénétiques se basant sur rbcS ont révélé deux lignées provenant potentiellement d’un événement de duplication ayant eu lieu avant la divergence des plantes terrestres. Les copies provenant d’anciens événements de duplication semblent avoir été éliminées, alors que les copies provenant d’événements récents de duplications paraissent avoir été conservées. Cela explique que les copies de rbcS provenant d’une même espèce soient plus proches phylogénétiquement les unes des autres que des copies provenant d’espèces différentes. Je mets en avant l’hypothèse que chaque copie du gène rbcS de la même espèce pourrait avoir différentes caractéristiques. J’ai comparé l’interaction entre les gènes rbcS et rbcL ainsi que l’influence des différentes sous-unités RBCS à la stabilité de la RuBisCO en testant respectivement la coévolution entre rbcS et chaque rbcL et en modélisant par homologie la RuBisCO composée par une sous-unité RBCS codée par différentes copies du gène rbcS. Les résultats suggèrent que l’interaction entre chaque rbcS et rbcL et l’influence sur la stabilité générale de l’enzyme est similaire entre les différentes copies de rbcS. En conséquence, je présume que les différentes copies du gène rbcS ne peuvent pas être divergentes car il est nécessaire qu’elles soient compatibles structurellement avec la sous-unité RBCL. En général, lorsque toutes les copies de gènes provenant d’une même famille de gènes multiples ont les mêmes caractéristiques, les différentes copies de gènes permettent de maintenir la même quantité d’éléments transcrits en comparaison avec une espèce ne possédant qu’une copie du gène (hypothèse « d’effet de dosage »). Afin de tester cette hypothèse, j’ai estimé le niveau d’expression pour chaque copie de gène de la même espèce en me basant sur des données transcriptomiques déjà publiées. Les résultats suggèrent que le niveau d’expression des gènes est similaire entre les espèces ayant une ou plusieurs copies du gène. De ce fait, l’hypothèse d’effet de dosage n’est pas applicable dans le cadre de l’évolution de rbcS. Les résultats suggèrent que les espèces ayant un plus grand nombre de copies du gène disposent également d’une plus grande quantité de RuBisCO. Il a été rapporté que la RuBisCO se dégrade ou est régulée négativement dans des conditions de stress spécifiques. Par conséquent, je présume que les plantes vivant dans de telles conditions environnementales stressantes doivent synthétiser plus de RuBisCO pour éviter une pénurie de l’enzyme. Pour mieux comprendre le rôle de RBCS face aux changements environnementaux, j’ai testé la sélection positive du gène rbcS chez des espèces de Poacées ayant différents mécanismes photosynthétiques. Une sélection positive a été détectée chez toutes les espèces et le signal n’était pas spécifique aux espèces à système C4. Cela suggère que la sélection positive agissant sur le gène rbcS n’est pas responsable du changement de type de photosynthèse. Je présume que RBCS ne serait donc pas impliquée dans la transition C3 à C4, mais que cette sous-unité pourrait être impliquée dans l’optimisation de la RuBisCO après l’établissement de la photosynthèse de type C4 ou après la migration vers de nouveaux habitats nécessitant différentes propriétés catalytiques

State aggregation for fast likelihood computations in molecular evolution

Abstract Motivation Codon models are widely used to identify the signature of selection at the molecular level and to test for changes in selective pressure during the evolution of genes encoding proteins. The large size of the state space of the Markov processes used to model codon evolution makes it difficult to use these models with large biological datasets. We propose here to use state aggregation to reduce the state space of codon models and, thus, improve the computational performance of likelihood estimation on these models. Results We show that this heuristic speeds up the computations of the M0 and branch-site models up to 6.8 times. We also show through simulations that state aggregation does not introduce a detectable bias. We analyzed a real dataset and show that aggregation provides highly correlated predictions compared to the full likelihood computations. Finally, state aggregation is a very general approach and can be applied to any continuous-time Markov process-based model with large state space, such as amino acid and coevolution models. We therefore discuss different ways to apply state aggregation to Markov models used in phylogenetics. Availability and Implementation The heuristic is implemented in the godon package (https://bitbucket.org/Davydov/godon) and in a version of FastCodeML (https://gitlab.isb-sib.ch/phylo/fastcodeml). Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online