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The genotype-phenotype relationship across different scales

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Academic year: 2021

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HAL Id: tel-02438077

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02438077

Submitted on 14 Jan 2020

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The genotype-phenotype relationship across different scales

Henry Kemble

To cite this version:

Henry Kemble. The genotype-phenotype relationship across different scales. Molecular biology. Uni-

versité Sorbonne Paris Cité, 2018. English. �NNT : 2018USPCC178�. �tel-02438077�

(2)

(3)

β

β

(4)
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(6)

1

(7)

2

α β

(8)

3

(9)

4

(10)

5

(11)

6

β

(12)

7

(13)

8

(14)

9

(15)

10

genotype genotype genotype

phenotype phenotype phenotype Development

Heredity

Generation n n + 1 n + 2

(16)

11

(17)

12

(18)

13 AUGCGAUGCUAG Met-Arg-Cys

DNA RNA Protein

TACGCTACGATC ATGCGATGCTAG

Transcription Translation

Replication

(19)

14

(20)

15

(21)

16

(22)

17

(23)

18

(24)

19

(25)

20

(26)

21

(27)

22

(28)

23

(29)

24

(30)

25

KEGG PATHWAY

(31)

26

(32)

27

(33)

28

(34)

29

(35)

30

(36)

31

(37)

32

Phage display library Bind

and wash

Immobilised surface

Elute and amplify

Sequence

(38)

33

(39)

34

(40)

35

FACS

Deep-sequence

Cell library Fluorescence bins

(41)

36

Illumina flow cell

Illumina-sequence;

Strip and re-synthesise second-strand with unmodifieddNTPs

Flow low concentration of fluorescently-tagged DNA-binding protein;

Image

Flow higher concentration of fluorescently-tagged

DNA-binding protein;

Image

(42)

37

(43)

38 Propagate Propagate

Deep- sequence

Deep-

sequence

(44)

39

(45)

40

(46)

41

(47)

42

(48)

43

-6 -4 -2 0 2 4 6

0.20.40.60.81.00.0

ΔG

[Nati v el y f ol de d protei n] Mutant dens ity

Wildtype stability

[Natively folded protein] relative to wildtype

Mutant f requenc y

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.00.10.20.30.4

Δ 𝑃 𝑛𝑎𝑡 =

1 1+ 𝑒 𝛥𝐺/𝑘𝑏𝑇

Δ Δ

Δ

Δ

Δ

(49)

44

(50)

45

(51)

46

(52)

47

(53)

48

(54)

49

(55)

50 e = 0

e < 0 e > 0

magnitude

magnitude simple

sign

reciprocal sign reciprocal

sign none

Log phenotype

P

B

P

A

P

A

+ P

B

0

A

+

B

+

WT A

B

AB

A

-

B

-

A

+

B

-

simple sign

e < 0 e = 0 e > 0

(56)

51

(57)

52

(58)

53

Lo g ph en oty pe E pi s tas is

ΔG

-6 -4 -2 0 2 4 6

-2 -1 0 1 2

Δ

Δ

Δ

Δ Δ

(59)

54

(60)

55

(61)

56

(62)

57

(63)

58

(64)

59

(65)

60

(66)

61

(67)

62

(68)

63

Encapsulate single cells in droplets;

Ligate barcodes with

mutated regions Deep-sequence

Selection experiment

Deep-sequence

(69)

64

(70)

65

(71)

66

Γ

(72)

67

Γ

(73)

68

0 0,2

0,4

0,6 0,8 1

Rela tiv e f itn e ss

(74)

69

(75)

70

(76)

71

(77)

72

(78)

73 β

α

(79)

74

(80)

75

(81)

76

(82)

77

(83)

78

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79

(85)

80

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81

(87)

82

(88)

83

(89)

84

(90)

85

0.00 0.25 0.50 0.75

Growth rate (doub/hr)

crp-[pBC-crp+] crp-[pBC-crp-]

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00

0.00 0.25 0.50 0.75

- cAMP - NaCl + cAMP - NaCl - cAMP + NaCl + cAMP + NaCl

Growth rate (doub/hr) Growth rate (doub/hr)

- NaCl + NaCl

[cAMP] (mM)

A B

C

(91)

86

(92)

87

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 2 4 6 8 10 12

Occu rr e n ce s (x 1 0

4

)

log

10

counts at t

0

log

10

counts at t

0

Occu rr e n ce s (x 1 0

2

)

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4 6 8 10 12

WT

0 1 2 3 4 5

0 2 4 6 8 10 12 14 Occu rr e n ce s (x 1 0

2

)

log

10

# barcodes/genotype WT

A B C

(93)

88

(94)

89

(95)

90

(96)

91

(97)

92

(98)

93

(99)

94

(100)

95

(101)

96

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(103)

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(105)

100

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101

(107)

102

(108)

103

(109)

104

(110)

105

(111)

106

(112)

107

(113)

108

(114)

109

β

(115)

110

α

(116)

111

(117)

112

(118)

113

(119)

114

μ

(120)

115

α

(121)

116

μ

(122)

117

α

(123)

118

(124)

119

(125)

120

(126)

121

(127)

122

(128)

123

(129)

124

(130)

125

(131)

126

𝑃(𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑠 𝑡 1 | 𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑠 𝑡 2 , 𝜆)

(132)

127

𝑃(𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑠 𝑡 2 | 𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑠 𝑡 1 , 𝜆) 𝜆

(133)

128

γ

λ

β

(134)

129

(135)

130

(136)

131

(137)

132

(138)

133

(139)

134

(140)

135

(141)

136

(142)

137

(143)

138

α

β

(144)

139

(145)

140

(146)

141

(147)

142

(148)

143

(149)

144

(150)

145

(151)

146

∆ ∆∆

𝑃𝑛𝑎𝑡 = 1+𝑒 ∆𝐺0+∆∆𝐺 1

𝑙𝑜𝑔( 𝑊0 𝑊 ) = 𝑙𝑜𝑔(1 + 𝑒 ∆𝐺 0 ) − 𝑙𝑜𝑔(1 + 𝑒 ∆𝐺 0 +∆∆𝐺 ) ∆∆

∆∆

∆∆

(152)

147

∆∆

(153)

148

∆∆

(154)

149

(155)

150

(156)

151

∆∆

(157)

152 α

λ

(158)

153

λ

(159)

154

α

(160)

155

(161)

156

(162)

157

(163)

158

(164)

159

(165)

160

(166)

161

(167)

162

(168)

163 𝐾 𝑗 = ( ∑ 𝐵𝐶 𝑊𝑡 𝑖 1 𝑖𝑗 1 𝑊𝑡 0

∑ 𝐵𝐶 𝑖 𝑖𝑗 0 ) 𝐵𝐶 𝑖𝑗 1 𝑊𝑡 1

𝐵𝐶 𝑖𝑗 0

𝐾 𝑖𝑗 = ( 𝐵𝐶 𝑖𝑗 1 𝑊𝑡 1

𝑊𝑡 0

𝐵𝐶 𝑖𝑗 0 ) = 𝐾 𝑗 .

𝐵𝐶 𝑖𝑗 1 ∑ 𝐵𝐶 𝑖 𝑖𝑗 1

∑ 𝐵𝐶 𝑖 𝑖𝑗 0 𝐵𝐶 𝑖𝑗 0

(169)

164

𝐺

𝑖𝑡

𝑊𝑡

𝑡

= 𝐺

𝑖0

𝑊𝑡

0

(𝑓 𝑖 ) 𝑡 𝑙𝑜𝑔 ( 𝑊𝑡 𝐺 𝑖 𝑡 𝑡 ) = 𝑡 𝐹 𝑖 + 𝑙𝑜𝑔 ( 𝑊𝑡 𝐺 𝑖 0 0 ) 𝐹 𝑖 = log(𝑓 𝑖 ).

𝐺 𝑖 𝑡 𝑊𝑡 𝑡

𝑛𝑏𝑝 𝑖 =

𝑐𝑒𝑖𝑙𝑖𝑛𝑔 ( 5

1+ 𝑉𝑖 (𝑀𝑖) 2

)

𝐺 𝑖 𝑡 𝑊𝑡 𝑡

𝐺 𝑖 𝑡

𝑊𝑡 𝑡

(170)

165 𝑀 ≈ 𝑋/5

𝑉 ≈ 𝑋 5 2𝑋 25 2 = 4𝑋 25 2 𝑛𝑏𝑝 𝑖 = 5

1+ 𝑉𝑖 (𝑀𝑖) 2

= 1

5 1+ 𝑉𝑖

(𝑀𝑖) 2

> 1 𝑛𝑏𝑝 𝑖 = 2.

𝑀 ≈ 𝑋 𝑉 = 0 𝑛𝑏𝑝 𝑖 = 5.

(171)

166 𝑀𝐼𝐶 𝑖 = 6

1+

𝑉𝑖

(𝑀𝑖)2

.

(172)

167

(173)

168

(174)

169

∆∆

∆ ∆

∆∆

∆∆

∆∆

∆∆

(175)

170

∆∆

∆∆

∆∆

∆∆

𝐹 𝑖 = 𝐿𝑜𝑔 ( 1 + 𝑒 ∆𝐺 𝑅𝑇 0 1 + 𝑒 ∆𝐺 0 𝑅𝑇 +∆∆𝐺 𝑖

) = 𝑔(∆∆𝐺 𝑖 )

(176)

171 𝐹 𝑖𝑗 = 𝐿𝑜𝑔 ( 1 + 𝑒 ∆𝐺 𝑅𝑇 0

1 + 𝑒 ∆𝐺 0 +∆∆𝐺 𝑅𝑇 𝑖 +∆∆𝐺 𝑗

) = 𝑔(∆∆𝐺 𝑖 + ∆∆𝐺 𝑗 ).

𝐹 𝑖 = ℎ 𝑖 + 𝐿𝑜𝑔 ( 1 + 𝑒 ∆𝐺 𝑅𝑇 0 1 + 𝑒 ∆𝐺 0 𝑅𝑇 +∆∆𝐺 𝑖

) = ℎ 𝑖 + 𝑔(∆∆𝐺 𝑖 )

𝐹 𝑖𝑗 = ℎ 𝑖 + ℎ 𝑗 + 𝐿𝑜𝑔 ( 1 + 𝑒 ∆𝐺 𝑅𝑇 0 1 + 𝑒 ∆𝐺 0 +∆∆𝐺 𝑅𝑇 𝑖 +∆∆𝐺 𝑗

) = ℎ 𝑖 + ℎ 𝑗 + 𝑔(∆∆𝐺 𝑖 + ∆∆𝐺 𝑗 ).

∆∆

∆∆

𝐹 𝑗 𝐹 𝑖𝑗 − 𝐹 𝑗 − ℎ 𝑖 𝐹 𝑖𝑗 − 𝐹 𝑗

𝐹 𝑖 − ℎ 𝑖 𝐹 𝑖𝑗 − 𝐹 𝑗 − ℎ 𝑖

(177)

172

∆∆

𝜎 𝑖𝑗

𝐿𝑜𝑔(𝐿𝑘(𝜎 𝑚 ))~ − ∑ 𝐿𝑜𝑔(𝜎 𝑖𝑗 2 + 𝜎 𝑚 2 )

𝑖,𝑗,𝑖≠𝑗

− ∑ (𝐹 𝑖𝑗 − 𝑔(∆∆𝐺 𝑖 + ∆∆𝐺 𝑗 )) 2 𝜎 𝑖𝑗 2 + 𝜎 𝑚 2 .

𝑖,𝑗,𝑖≠𝑗

𝐿𝑜𝑔(𝐿𝑘(𝜎 𝑚𝑝, 𝜎 𝑚𝑑 ))~ − ∑ 𝑖,𝑗,𝑖≠𝑗 𝐿𝑜𝑔(𝜎 𝑖𝑗 2 + 𝜎 𝑚𝑝 2 𝛿 𝑖𝑗 + 𝜎 𝑚𝑑 2 (1 − 𝛿 𝑖𝑗 )) − ∑ (𝐹

𝑖𝑗

−𝑔(∆∆𝐺

𝑖

+∆∆𝐺

𝑗

))

2

𝜎

𝑖𝑗2

+𝜎

𝑚𝑝2

𝛿

𝑖𝑗

+𝜎

𝑚𝑑2

(1−𝛿

𝑖𝑗

)

𝑖,𝑗,𝑖≠𝑗 ,

𝛿 𝑖𝑗 = 1

(178)

173

(179)

174

(180)

175

(181)

176

(182)

177

(183)

178

(184)

179

β

Log araAexpression

Log araB expression

Env2

[aTc]2, [IPTG]2

Env3 [aTc]3, [IPTG]2

AraA AraB

L-arabinose L-ribulose L-ribulose-5-P

Growth

PPP

A

B C

aTc IPTG DaraBA

PLtetO-1

PLlacO-1

…AATTGACATTGTGATCGGATAACAAGATACTGA…

…GATTGACATCCCTATCAGTGATAGAGATACTGA…

-35 -10

Env1 [aTc]1, [IPTG]1

D

ATP ADP

H+

e = 0 e < 0 e > 0

magnitude

magnitude simple

sign reciprocal

sign reciprocal

sign none

ln fitness

FrelaB FrelAb FrelAb+ FrelaB

0

A+B+

ab Ab

aB AB

A-B- A+B-

simple sign

e < 0 e = 0 e > 0

(185)

180

(186)

181

(187)

182

(188)

183

(189)

184

(190)

185 𝐹 = (𝜔 + 𝑢𝜑 − 1/𝜂−𝜑 𝑣 ) (1 – 𝜃 𝐴 𝐴 – 𝜃 𝐵 𝐵) 𝜔

𝜑 θ

𝜑 = 1/𝐴+1/𝐵+𝜂 1

(191)

186

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187

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188

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189

(195)

190

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191

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192

α

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(199)

194

(200)

195

Références

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