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Réseaux génétiques : conception, modélisation et dynamique

By Paul François

Abstract

This thesis presents a series of works all dealing with the structure and the dynamics of genetic networks. After a first part introducing various recent works in the field, we propose a method to design genetic networks by evolution in silico. This procedure aims at designing genetic motifs performing a given function without any constraints on their structure. With the help of the algorithm, we found both new and well-known motifs. We also compare the obtained modules to real ones and propose some possible applications of the algorithm. In a second part, we analyze the properties of one of the modules found with the help of the algorithm which happens to be overrepresented in real genetic networks. The so-called ``Mixed Feedback Loop'' consists of two proteins A and B. Protein A regulates transcription of gene b, and the two proteins can form an inactive dimer. A detailed mathematical analysis is proposed. We show that this module can act either as a genetic switch, either as an oscillator. A phase diagram and a precise description of the limit-cycle is also derived analytically. Finally, in the third part, we focus on circadian clocks, which are important examples of genetic oscillators. The general properties of these oscillators are recalled and a model for the Neurospora crassa circadian clock is proposed. We especially show the importance of a second feedback loop to explain the robustness of the period of the oscillations with the variation of parameters.Cette thèse regroupe une série de travaux concernant la structure et la dynamique des réseaux génétiques. Nous proposons tout d'abord une méthode de conception de réseaux génétiques par évolution in silico. Cette procédure vise à concevoir des motifs réalisant une fonction donnée sans aucune contrainte sur leurs structures a priori. L'algorithme a permis de trouver de nombreux motifs originaux et connus. Une comparaison avec les réseaux existants ainsi que diverses extensions possibles du champ d'application de l'algorithme sont proposées. Nous étudions dans une seconde partie les propriétés d'un motif fréquemment trouvé par cet algorithme et sur représenté dans les réseaux naturels. Ce module de rétroaction mixte (``Mixed Feedback Loop'' ou MFL) est constitué de deux protéines A et B, la protéine A régulant la transcription du gène b, les deux protéines formant un dimère inactif. Une analyse mathématique détaillée de ce module est proposée. En particulier, nous montrons que ce module peut se comporter soit comme un commutateur génétique bistable, soit comme un oscillateur. Un diagramme de phase ainsi qu'une description mathématique précise du cycle de l'oscillateur sont dérivés analytiquement. Enfin, dans une troisième partie, nous nous intéressons plus particulièrement à des exemples biologiques d'oscillateurs génétiques : les horloges circadiennes. Les propriétés générales de ces oscillateurs sont rappelées et un modèle pour l'horloge circadienne de Neurospora crassa, basé sur le réseau MFL, est proposé. En particulier, nous montrons l'importance d'une seconde boucle de rétroaction pour la robustesse des oscillations face à la variation des paramètres

Topics: Genetic networks, Genetic switches, Genetic oscillators, Modelling, Circadian clocks, Réseaux génétiques, Evolution in silico, Commutateurs génétiques, Oscillateurs génétiques, Modélisation, Horloges circadiennes, [PHYS.PHYS] Physics [physics]/Physics [physics]
Publisher: HAL CCSD
Year: 2005
OAI identifier: oai:HAL:tel-00010681v1
Provided by: Hal-Diderot
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