Modelling the evolution of mobile genetic elements

W ramach tej rozprawy zostały przeprowadzone badania nad znanym pytaniem dotyczącym roli elementów transpozonowych w genomach organizmów. Przedkładamy tutaj, i analizujemy hipotezę mówiącą o tym, że elementy transpozonowe mogą działać jako czynnik wspomagający ewolucję organizmu gospodarza, pozwalając mu szybciej dostosować się do nowych warunków środowiskowych, pozostając jednocześnie nieaktywnymi w okresach stabilności środowiska.Hipoteza ta jest analizowana poprzez stworzenie modeli aktywności elementów transpozonowych: w ramach tej pracy zaproponowany został stochastyczny, obliczeniowy model proliferacji elementów transpozonowych w warunkach stresu środowiskowego. Następnie przy jego pomocy pokazane zostało, że stres środowiskowy powoduje wybuch aktywności elementów transpozonowych, zwiększając szybkość mutacji organizmów, i wspomagając je w adaptacji.Dodatkowo, sformułowany i przeanalizowany został matematyczny model proliferacji elementów transpozonowych, oraz wyprowadzone zostały zamknięte formuły opisujące stan równowagi pomiędzy mutacjami i selekcją w organizmach zawierających pewne typy elementów transpozonowych.Badania te zostały poparte wynikami eksperymentalnymi, które wiążą nasze modele z rzeczywistymi zjawiskami: analizujemy rolę elementów LINE w mediowaniu nieallelicznej homologicznej rekombinacji, pokazując że nawet nieaktywne elementy transpozonowe mogą wywierać znaczący mutagenny wpływ na organizm gospodarza. Wreszcie na końcu przedstawione są dwa narzędzia, służące do wykrywania elementów transpozonowych w zsekwencjonowanych genomach: TRANScendence oraz TIRfinder.

This thesis studies the long-standing question about the role of transposable elements in host genomes. We put forward and study a hypothesis that transposable elements may act as evolutionary helpers, hastening the adaptation of the host organism to a new environment, while remaining inactive during periods of environmental stability.This hypothesis is analyzed by a modelling approach: we construct and study a computational model of transposable element proliferation, in conditions of environmental stress, then we show that environmental stress causes a burst of transposable element activity, increasing mutability of the organisms, and assisting adaptation.Next, we analyze a mathematical model of transposable element proliferation, deriving closed-form formulas for selection-mutation equilibrium in organisms with certain kinds of transposable elements.The study is augmented by empirical experiments, tying the models to real-world phenomena: by analyzing the role of LINE elements in mediating Nonallelic Homologous Recombination we prove that even inactive transposable elements may exert a significant mutagenic effect on the genome.Finally, we conclude by presenting two tools for mining transposable elements in genomic sequences which we have developed over the course of experiments: TRANScendence, and TIRfinder.