Extraction de concepts sous contraintes dans des données d'expression de gènes

National audienceIn this paper, we propose a technique to extract constrained formal concepts

Méthodes bayésiennes pour l'analyse génétique

Ces dernières années, la génomique a connu un intérêt scientifique grandissant, notamment depuis la publication complète des cartes du génome humain au début des années 2000. A présent, les équipes médicales sont confrontées à un nouvel enjeu : l'exploitation des signaux délivrés par les puces ADN. Ces signaux, souvent de grande taille, permettent de connaître à un instant donné quel est le niveau d'expression des gênes dans un tissu considéré, sous des conditions particulières (phénotype, traitement, ...), pour un individu. Le but de cette recherche est d'identifier des séquences temporelles caractéristiques d'une pathologie, afin de détecter, voire de prévenir, une maladie chez un groupe de patients observés. Les solutions développées dans cette thèse consistent en la décomposition de ces signaux en facteurs élémentaires (ou signatures génétiques) selon un modèle bayésien de mélange linéaire, permettant une estimation conjointe de ces facteurs et de leur proportion dans chaque échantillon. L’utilisation de méthodes de Monte Carlo par chaînes de Markov sera tout particulièrement appropriée aux modèles bayésiens hiérarchiques proposés puisqu'elle permettra de surmonter les difficultés liées à leur complexité calculatoire. ABSTRACT : In the past few years, genomics has received growing scientic interest, particularly since the map of the human genome was completed and published in early 2000's. Currently, medical teams are facing a new challenge: processing the signals issued by DNA microarrays. These signals, often of voluminous size, allow one to discover the level of a gene expression in a given tissue at any time, under specic conditions (phenotype, treatment, ...). The aim of this research is to identify characteristic temporal gene expression proles of host response to a pathogen, in order to detect or even prevent a disease in a group of observed patients. The solutions developed in this thesis consist of the decomposition of these signals into elementary factors (genetic signatures) following a Bayesian linear mixing model, allowing for joint estimation of these factors and their relative contributions to each sample. The use of Markov chain Monte Carlo methods is particularly suitable for the proposed hierarchical Bayesian models. Indeed they allow one to overcome the diculties related to their computational complexity

Modélisation métabolique à l’échelle du génome de la bactérie quasi-minimale Mesoplasma florum

Des avancées significatives au niveau de la synthèse et de l’assemblage de fragments d’acide désoxyribonucléique (ADN), le support physique des fonctions cellulaires encodées dans une cellule vivante, permettent maintenant la construction de génomes entiers. Ce progrès permet d’imaginer que la conception d’organismes synthétiques deviendra routinière au cours des prochaines années. Cette capacité promet de transformer radicalement le domaine de la biologie en formant une nouvelle discipline d’ingénierie biologique. Parmi les retombées anticipées, on note le remplacement de synthèses chimiques par des procédés biologiques renouvelables tels que la production de biocarburants, la synthèse de médicaments microbiens, ou des approches alternatives pour le traitement des maladies. Dans ce contexte, il devient particulièrement important d’arriver à prédire correctement le phénotype résultant des génomes qui seront générés. Pour y arriver, il convient de réduire la complexité biologique en travaillant d’abord avec les cellules les plus simples possibles. Ce type d’organisme ayant subi un processus de réduction de génome et dont la majorité des gènes sont essentiels afin de survivre en conditions définies se nomme une cellule minimale. Le groupe phylogénétique des mollicutes, bactéries dépourvues de paroi cellulaire, contient les espèces vivant avec les plus petits génomes connus à ce jour. Membre de ce groupe, le pathogène humain Mycoplasma genitalium possède le plus petit génome capable de croissance autonome (560kbp codant pour 482 protéines. Cependant, sa pathogénicité et sa vitesse de croissance réduite (~24h) limitent l’applicabilité de M. genitalium en biologie synthétique. Pour remédier à ce problème, notre laboratoire a choisi de travailler avec Mesoplasma florum dont le temps de doublement est très rapide (~32 min) et qui ne cause pas de maladies chez l’humain. Les travaux effectués chez M. florum permettent maintenant le clonage et la transplantation de son génome et des travaux récents ont permis de caractériser les propriétés physico-chimiques de sa cellule ainsi que plusieurs paramètres biologiques. Afin de permettre la conception de génomes synthétiques basés sur M. florum, il convient d’intégrer un maximum de connaissances dans un cadre informatique structuré capable de générer des prédictions phénotypiques. Un modèle métabolique à l’échelle du génome (GEM) reposant sur la méthode d’analyse des flux à l’équilibre (FBA) représente un format particulièrement intéressant pour initier ces travaux de biologie des systèmes. La qualité des prédictions générées par ce type de modèle est dépendante de la précision de l’objectif à atteindre. Pour simuler la croissance, les GEMs doivent satisfaire un objectif nommé “fonction objective de biomasse” (BOF) qui contient l’ensemble des métabolites nécessaires à la production d’une nouvelle cellule avec des coefficients stœchiométriques représentatifs de l’abondance de ces composantes dans la cellule. Pendant mon parcours de doctorat, j’ai développé le logiciel BOFdat qui permet la définition d’une BOF représentative de la composition cellulaire spécifique à une espèce avec les données expérimentales associées. Les deux premières des trois étapes de BOFdat déterminent les coefficients stoechiométriques de molécules connues pour faire partie de la composition cellulaire telles que les macromolécules principales (étape 1, ADN, ARN et protéines) et les coenzymes essentiels (étape 2). L’étape 3 de BOFdat propose une méthode non-biaisée pour déterminer les métabolites susceptibles d’améliorer la prédiction d’essentialité des gènes formulée par le modèle. Pour ce faire, un algorithme génétique maximise la composition de la biomasse en fonction des données d’essentialité expérimentales à l’échelle du génome. BOFdat a été validé en reconstruisant la BOF du modèle iML1515 de la bactérie modèle Escherichia coli. L’utilisation de BOFdat a permis de récapituler le taux de croissance prédit avec la BOF originale tout en améliorant la qualité des prédictions d’essentialité de gènes de iML1515. BOFdat est disponible en libre accès pour quiconque désire construire une BOF pour un modèle métabolique. Ensuite, un GEM nommé iJL208 a été produit et contient 208 des 676 protéines représentant l’ensemble du métabolisme de M. florum. La qualité de l’annotation du génome a d’abord été évaluée en intégrant l’information obtenue par trois approches bio-informatiques, révélant que la majorité des protéines (418/676) ont une qualité suffisante pour être incorporées dans le modèle. Ensuite, les réactions ont été identifiées et rigoureusement incorporées une à la fois afin de construire le réseau métabolique de cette bactérie quasi-minimale. L’étude de la carte métabolique reconstruite révèle une dépendance prononcée pour l’import de composantes à partir du milieu de culture ainsi que l’importance des mécanismes de recyclage des métabolites. Pour sa production d’énergie, M. florum est entièrement dépendante de la glycolyse et ne possède pas la machinerie nécessaire à la respiration cellulaire. L’élaboration d’un milieu de culture semi-défini a réduit la présence de sucres contaminants dans le milieu de culture initial et ainsi de distinguer la croissance avec ou sans supplémentation de sucrose. Cette avancée importante a permis de mesurer les taux d’assimilation de sucrose et de production des déchets métaboliques lactate et acétate. Ces paramètres ont été utilisés afin de contraindre le modèle et de mieux comprendre la sensibilité du modèle à une variété de paramètres. Aussi, la croissance de M. florum a pu être validée expérimentalement avec différents sucres. L’information contextuelle obtenue, combinée à une analyse de structures tridimensionnelles de protéines clés, a permis de suggérer des hypothèses crédibles supportant l’assimilation de ces sucres par M. florum. Finalement, iJL208 a été utilisé afin de formuler une prédiction de génome minimal pour M. florum en simulant itérativement de larges délétions dans son génome. Combiner l’intégration de données expérimentales avec les prédictions du modèle constitue une voie d’avenir pour la conception de génomes synthétiques qui rejoint les capacités techniques d’assemblage de chromosomes en biologie synthétique. Globalement, les projets réalisés au cours de mon doctorat contribuent à l’avancement de la biologie des systèmes chez M. florum dans le but de prédire efficacement les phénotypes de la souche naturelle et de variants synthétiques qui pourront être produits au cours des prochaines années

Contribution au développement de médicament de thérapie innovante à base d'ASCS pour la réparation des lésions osseuses de la face de l'homme : comparaison des ASCS isolées du corps adipeux de la bouche et du tissus adipeux sous-cutané

Les lésions des os de la face sont des pathologies fréquentes en médecine humaine, aux conséquences fonctionnelles et esthétiques lourdes pour les patients. Les thérapies cellulaires à base de cellules stromales mésenchymateuses dérivées de tissus adipeux sous-cutané (SC-ASCs) ont montré leur efficacité pour supporter la reconstruction osseuse. Mais le corps adipeux de la bouche, serait aussi une source originale et prometteuse de cellules stromales mésenchymateuses (CAB-ASCs). Nous présenterons dans une première partie une étude bibliographique exposant les éléments essentiels de la biologie de l’os, des cellules stromales mésenchymateuses et de l’état actuel des thérapies cellulaires appliquées aux os de la face. Dans un deuxième temps, nous présenterons le travail expérimental réalisé, ayant pour objectif de comparer les propriétés de différenciation mésodermique in vitro des CAB-ASCs et SC-ASC isolées à partir de tissu adipeux de mêmes donneurs, et capacité à soutenir la reconstruction osseuse in vivo dans un modèle de lésion osseuse de taille critique de la calvaria chez la souris, conjointement ou non à un biomatériau composé d’hydroxyapatite et de béta-tricalcium phosphate

Cartographie fonctionnelle des macrophages porcins : expression des gènes et architecture nucléaire lors de l'activation par LPS-IFNg

Depuis les 15 dernières années, de nombreuses études ont mis en évidence le rôle majeur de l’architecture nucléaire dans la régulation de l’expression des gènes et ceci dans une grande diversité de processus biologiques. Bien que la réponse immunitaire soit un de ces processus, peu de données existent sur l’organisation spatiale du génome dans les cellules immunitaires et son impact sur la régulation des gènes dans le contexte d’une réponse à l’infection bactérienne. En utilisant le porc comme organisme modèle, nous avons concentré notre étude sur les macrophages dérivés de monocytes, premières lignes de défense contre les pathogènes. Les cellules immunitaires étant les cibles des mycotoxines, nous nous sommes également intéressés aux effets de la toxine T-2 sur les macrophages et leur réponse induite par les récepteurs TLR. Un effet cytotoxique de la T-2 à une dose de 10 nM, ainsi que des effets inhibiteurs sur certaines réponses liées aux récepteurs TLR ont été mis en évidence. Nous avons ensuite examiné si les changements dans l'expression des gènes dus à l'activation impliquent un repositionnement dans l'espace nucléaire. Une analyse du transcriptome a permis d’identifier les gènes différentiellement exprimés dans les macrophages activés par le mélange LPS-IFNγ et de mettre en évidence des réseaux de gènes impliqués lors de l’activation. Les 4 gènes les plus sur-exprimés (IL1β, IL8, CXCL10 et TNFα) et les 4 gènes les plus sous-exprimés (VIM, LGALS3, TUBA3 et IGF2) ont été sélectionnés pour analyser leur comportement dans l'espace nucléaire au cours de l’activation des macrophages en utilisant la technique FISH 3D. Parmi les 4 gènes sur-exprimés, 3 présentent des modifications de leur position durant le processus d'activation alors que les 4 gènes sous-exprimés ne montent pas de variation de leur position. L'analyse de la position des gènes par rapport à leurs territoires chromosomiques (TC) a été étendue à un second type de cellules immunitaires : les neutrophiles. Des résultats similaires ont été obtenus. Les analyses ont été ensuite complétées par l'étude des 4 gènes sur-exprimés dans un type cellulaire indépendant de la réponse immunitaire (fibroblastes). Nos données suggèrent que les relocalisations dans l'espace nucléaire des gènes différentiellement exprimés dans les cellules immunitaires activées sont gène spécifique, type cellulaire spécifique et concernent essentiellement ceux qui sont sur-exprimés. ABSTRACT : For the past 15 years, numerous studies have highlighted the role of nuclear architecture in regulating gene expression in a variety of biological processes. Although the immune response is one of these processes, few data exist on the spatial organization of the genome in immune cells and its impact on gene regulation in the context of a response to bacterial infection. Using pigs as a model organism, we focused our study on monocytederived macrophages, the first lines of defence against pathogens. As immune cells are the targets of mycotoxins, we also studied the effects of T-2 toxin on macrophages and on their responses induced by TLRs. A cytotoxic effect of T-2 at a dose of 10 nM, and an inhibitory effect on some responses related to TLRs have been demonstrated. We then examined whether changes in gene expression due to activation involve a repositioning within the nuclear space. A transcriptome analysis allowed us to identify differentially expressed genes in macrophages activated by LPS-IFNγ and to analyze gene networks involved during activation. The top 4 up-regulated genes (IL1 beta, IL-8, CXCL10 and TNF) and the top 4 down-regulated ones (VIM LGALS3, TUBA3 and IGF2) have been selected to analyze their behaviour in nuclear space during macrophages activation using 3D FISH technique. Among the 4 up-regulated genes, 3 show changes in their position during the activation process while the 4 down-regulated ones did not reposition. The analysis of gene behaviours towards their chromosome territories (CT) was extended to neutrophils and similar results were obtained. The analyses were then completed by the study of the 4 up-regulated genes in a non immune cell type (fibroblast). Our data suggest that relocation in the nuclear space of genes differentially expressed in activated immune cells is gene and cell type specific and mostly concerns those that are up-regulated

Etude de la réponse de Saccharomyces cerevisiae à une perturbation NADPH par une approche de biologie des systèmes

L'élucidation des propriétés du réseau métabolique est fondamentale pour la compréhension du fonctionnement cellulaire et pour l'élaboration de stratégies d'ingénierie métabolique. L'objectif de cette thèse était de mieux comprendre la régulation du métabolisme du NADPH, un métabolite "hub" qui joue un rôle central dans de nombreux processus cellulaires, chez Saccharomyces cerevisiae en fermentation. Nous avons utilisé une démarche systématique couplant modélisation et approches multi- omics pour étudier de façon quantitative la réponse à une perturbation de la demande en NADPH. Un système expérimental original, basé sur l'expression d'une butanediol déshydrogénase modifiée NADPH-dépendante a été utilisé pour augmenter de façon contrôlée la demande en NADPH. L'utilisation de ce dispositif, le développement et l'utilisation d'un modèle stœchiométrique de la levure dédié à la fermentation ont permis de prédire la répartition des flux pour différents niveaux de perturbation. Ces analyses ont montré, en premier lieu, la très grande capacité de la levure à faire face à des demandes très importantes de NADPH représentant jusqu'à 40 fois la demande anabolique. Pour des demandes modérées (allant jusqu'à 20 fois la demande anabolique), la perturbation est principalement compensée par une augmentation du flux à travers la voie des pentoses phosphate (VPP) et à moindre titre à travers la voie acétate (Ald6p). Pour une forte demande en NADPH, correspondant à 40 fois la demande anabolique, le modèle prédit la saturation de la VPP ainsi que la mise en place du cycle glycérol-DHA, qui permet l'échange du NADH en NADPH. Des analyses fluxomique (13C), métabolomique et transcriptomique, ont permis de valider ces hypothèses et de les compléter. Nous avons mis en évidence différents niveaux de régulation selon l'intensité de la perturbation : pour les demandes modérées, les flux sont réajustés par un contrôle au niveau enzymatique ; pour de fortes demandes, un contrôle transcriptionnel de plusieurs gènes de la VPP ainsi que de certains gènes des voies de biosynthèse des acides aminés est observé, cet effet résultant probablement de la moindre disponibilité en NADPH. Dans l'ensemble, ce travail a apporté un nouvel éclairage sur les mécanismes impliqués dans l'homéostasie du NADPH et plus généralement dans l'équilibre redox intracellulaire.The elucidation of the properties of metabolic network is essential to increase our understanding of cellular function and to design metabolic engineering strategies. The objective of this thesis was to better understand the regulation of the metabolism of NADPH, a hub metabolite which plays a central role in many cellular processes in Saccharomyces cerevisiae during fermentation. We used a systematic approach combining modeling and multi- omics analyses to study quantitatively the response to a perturbation of the NADPH demand. An original experimental system, based on the expression of a modified NADPH-dependent butanediol dehydrogenase was used to increase the demand for NADPH in a controlled manner. Through the use of this device and the development and use of a stoichiometric model of yeast dedicated to the fermentation, we predicted the flux distribution for different levels of perturbation. These experiments showed, first, the overwhelming ability of yeast to cope with very high NADPH demand, up to 40 times the anabolic demand. For a moderate level (up to 20 times the anabolic demand), the perturbation is mainly compensated by increased flux through the pentose phosphate pathway (PPP) and to a lesser extent through the acetate pathway (Ald6p). For a high NADPH demand, corresponding to 40 times the anabolic demand, the model predicts the saturation of the PPP as well as the operation of the glycerol-DHA cycle, which allows the exchange of NADH to NADPH. Fluxomics (13C), metabolomics and transcriptomics data were used to validate and to complement these hypotheses. We showed different levels of control depending on the intensity of the perturbation: for moderate demands, flux remodeling is mainly achieved by enzymatic control; for a high demand, a transcriptional control is observed for several genes of the PPP as well as some genes of the amino acids biosynthetic pathways, this latter effect being likely due to the low NADPH availability. Overall, this work has shed new light on the mechanisms governing NADPH homeostasis and more generally the intracellular redox balance.MONTPELLIER-SupAgro La Gaillarde (341722306) / SudocSudocFranceF

Mise au point d'une méthode de RT-PCR et d'hybridation in situ afin de mesurer les niveaux d'expression des convertases à proprotéines de type subtilisine (SPCs) dans l'arthrite expérimentale chez le rat

Nous savons qu'une famille d'endoprotéases à sérine, les convertases à proprotéines de type subtilisine (SPCs), est responsable du clivage de plusieurs de ces facteurs et pourrait donc contribuer à l'évolution de la maladie en activant des médiateurs d'importance majeure. En effet, par l'étude plus approfondie des substrats connus et potentiels des convertases à proprotéines dans le contexte de l'arthrite, il est convenable de leur attribuer un rôle dans l'inflammation ainsi que dans la dégradation de la matrice extracellulaire et des composants majeurs du tissu conjonctif de l'articulation. À partir de ces hypothèses, nous avons décidé de vérifier le rôle de certaines SPCs (furine/SPC1, PACE4/SPC4 et PC6B/SPC6B) dans le développement de l'arthrite expérimentale en évaluant les niveaux d'expression des gènes encodant ces enzymes au niveau de la membrane synoviale. Utilisant un modèle expérimental d'arthrite induite au collagène de type II bovin chez le rat, nous avons donc mis au point une méthode de RT-PCR semi-quantitative permettant de mesurer les niveaux d'ARNm de ces enzymes ainsi que de certains de leurs substrats au niveau de la membrane synoviale, selon l'évolution de la pathologie. De plus, par la technique d'hybridation in situ , nous avons tenté de localiser l'expression de ces enzymes à l'intérieur de l'articulation du genou