Oscillations et bistabilité dans des réseaux de régulation transcriptionnelle: étude théorique et expérimentale

Face à un environnement changeant, la cellule a dû développer des systèmes de régulation lui permettant de s’adapter et d’assurer son développement et sa survie. Ces systèmes de régulation s’organisent autour de réseaux de régulation transcriptionnelle permettant l’expression des gènes codant pour les protéines dont la cellule a besoin. Dans la plupart des réseaux trancriptionnels, la régulation de la transcription des gènes est « raffinée » par la présence de circuits de rétroaction positifs et négatifs à l’origine de deux types de comportements différents: la multistabilité d’une part, et les comportements homéostatiques ou oscillants d’autre part. Deux réseaux de régulation transcriptionnelle de complexité différente ont été étudiés au cours de cette thèse :le réseau p53-Mdm2 impliqué dans l'arrêt de la croissance cellulaire, la réparation de l’ADN et l’apoptose chez les mammifères, et le réseau de facteurs transcriptionnels GATA impliqué dans la régulation du catabolisme de l’azote chez la levure Saccharomyces cerevisiae. L’analyse théorique du réseau p53-Mdm2 a eu pour principal objectif de reproduire et d’interpréter les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant la réponse oscillante de la p53 lorsque l’ADN de la cellule est endommagé. L’analyse théorique des comportements du réseau GATA, quant à elle, a été couplée à une étude expérimentale dans les milieux de qualité intermédiaire en azote peu investigués jusqu’à présent. Pour analyser les propriétés dynamiques de ces deux réseaux, plusieurs approches complémentaires, se situant à différents niveaux de description, ont été utilisées: l’approche logique, différentielle et stochastique.La première partie de cette thèse a été consacrée à l’étude du réseau p53-Mdm2 pour lequel nous avons développé un modèle simple composé d’un circuit de rétroaction positif imbriqué dans un circuit de rétroaction négatif. Les résultats de notre analyse logique montrent que les principales propriétés dynamiques du réseau peuvent être résumées par un petit nombre de diagrammes de bifurcation logique. Ces scénarios de bifurcations diffèrent par la séquence d’activation du circuit positif et négatif composant le réseau et dépendent d’une part de l’affinité de la p53 pour ses gènes cibles et d’autre part de son activité transcriptionnelle. Nous proposons que différents stress et types cellulaires pourraient correspondre à différents scénarios de bifurcation et donc conduire à des réponses différentes après irradiation. Cette première analyse qualitative nous a permis de rendre compte de différents aspects de la dynamique du réseau observés expérimentalement, tels que le changement de fréquence des oscillations en cours de réponse, les oscillations de longue durée de la p53 ou l’amortissement rapide des oscillations à l’échelle d’une population de cellules. Pour nous affranchir des fortes non-linéarités inhérentes au traitement logique, nous avons ensuite traduit le modèle logique en un modèle différentiel et montré que les principaux comportements présentés par le modèle logique sont conservés, suggérant que la structure du réseau détermine dans une large mesure les principales potentialités dynamiques du système. L’analyse des propriétés de bifurcation du modèle différentiel en fonction du niveau de dommage à l’ADN nous a également permis de mettre en évidence la présence de deux régimes oscillants d’amplitude, de valeur moyenne et de fréquence nettement différentes, séparés par une zone de bicyclicité où ces deux régimes coexistent. Cette propriété permet d’expliquer l’existence des deux fréquences d’oscillation différentes qui ont été observées expérimentalement en fonction de la dose d’irradiation. Enfin l’analyse stochastique de notre modèle nous a, en particulier, permis de rendre compte de l’augmentation du nombre de cellules oscillant à des fréquences élevées lorsque la dose d’irradiation augmente, observée expérimentalement.La deuxième partie de notre thèse a été consacrée à l’étude du réseau de facteurs GATA chez la levure S.cerevisiae. Ce réseau, constitué des activateurs Gln3 et Nil1 et des répresseurs Dal80 et Gzf3, comporte plusieurs circuits de rétroaction positifs et négatifs interconnectés. Dans le but d’aider à comprendre le rôle et le fonctionnement du réseau GATA, nous avons effectué une analyse théorique et expérimentale de son comportement dynamique en fonction de la qualité de la source azotée. L’analyse différentielle montre la possibilité d’un comportement bistable dans les milieux de qualité intermédiaire en azote et d’oscillations amorties suite à un transfert nutritionnel d’une condition azotée à une autre, lorsque l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 est synergique ou lorsque le gène Gln3 est supprimé. Gzf3 serait le répresseur clef impliqué dans la bistabilité tandis que Dal80 serait le répresseur clef impliqué dans les comportements oscillants. L’analyse stochastique nous a permis d’étudier l’effet des fluctuations moléculaires sur ces comportements et les distributions de variables importantes du système dans une population de cellules. Pour le modèle synergique de la souche sauvage et celui du mutant gln3°, elle a montré l’existence, dans des milieux de qualité intermédiaire en azote, de deux populations de cellules qui coexistent :une population où l’expression de Dal80 est réprimée, une autre où son expression est activée. Enfin, l’étude de la dynamique du couplage entre la protéine fluorescente Gfp, sous le contrôle du promoteur de DAL80, et le réseau GATA montre que, pour des ordres de grandeur physiologique de la vitesse de disparition de la Gfp, la bimodalité présente au niveau du réseau GATA devrait se refléter au niveau de la Gfp.Les comportements bistables et oscillants mis en évidence dans notre étude théorique du réseau GATA ont ensuite été testés expérimentalement en suivant la Gfp sous le contrôle du promoteur de DAL80 en fonction de la concentration de la source azotée glutamine. Cette étude expérimentale nous a permis de mettre en évidence l’existence d’oscillations amorties de la fluorescence de la protéine de fusion Dal80-Gfp. De telles oscillations cependant n’ont pas été observées dans les expériences réalisées sur les autres souches testées pour lesquelles le gène de la Gfp est fusionné au promoteur de DAL80. Notre étude expérimentale montre également l’existence, chez la souche sauvage, d’une population unique de cellules fluorescentes quelle que soit la concentration du milieu extérieur en glutamine testé (0.2mM à 10mM). Un modèle additif où l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 n’est pas synergique serait donc en meilleur accord avec nos observations. Chez les souches où le facteur Gln3 est inactivé, par contre, deux populations cellulaires, l’une de forte fluorescence et constituée de cellules de grande taille, l’autre de plus faible fluorescence et constituée de cellules de taille plus petite, coexistent pour des concentrations intermédiaires du milieu extérieur en glutamine. La forte corrélation observée entre la taille et la fluorescence des cellules suggère que le comportement bimodal observé au niveau de la fluorescence est lié au comportement bimodal observé au niveau de la taille. Enfin, un modèle phénoménologique de la croissance cellulaire nous a permis de reproduire l’existence de deux populations cellulaires de taille distincte.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Oscillations et bistabilité dans des réseaux de régulation transcriptionnelle: étude théorique et expérimentale

Face à un environnement changeant, la cellule a dû développer des systèmes de régulation lui permettant de s’adapter et d’assurer son développement et sa survie. Ces systèmes de régulation s’organisent autour de réseaux de régulation transcriptionnelle permettant l’expression des gènes codant pour les protéines dont la cellule a besoin. Dans la plupart des réseaux trancriptionnels, la régulation de la transcription des gènes est « raffinée » par la présence de circuits de rétroaction positifs et négatifs à l’origine de deux types de comportements différents: la multistabilité d’une part, et les comportements homéostatiques ou oscillants d’autre part. Deux réseaux de régulation transcriptionnelle de complexité différente ont été étudiés au cours de cette thèse :le réseau p53-Mdm2 impliqué dans l'arrêt de la croissance cellulaire, la réparation de l’ADN et l’apoptose chez les mammifères, et le réseau de facteurs transcriptionnels GATA impliqué dans la régulation du catabolisme de l’azote chez la levure Saccharomyces cerevisiae. L’analyse théorique du réseau p53-Mdm2 a eu pour principal objectif de reproduire et d’interpréter les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant la réponse oscillante de la p53 lorsque l’ADN de la cellule est endommagé. L’analyse théorique des comportements du réseau GATA, quant à elle, a été couplée à une étude expérimentale dans les milieux de qualité intermédiaire en azote peu investigués jusqu’à présent. Pour analyser les propriétés dynamiques de ces deux réseaux, plusieurs approches complémentaires, se situant à différents niveaux de description, ont été utilisées: l’approche logique, différentielle et stochastique.<p>La première partie de cette thèse a été consacrée à l’étude du réseau p53-Mdm2 pour lequel nous avons développé un modèle simple composé d’un circuit de rétroaction positif imbriqué dans un circuit de rétroaction négatif. Les résultats de notre analyse logique montrent que les principales propriétés dynamiques du réseau peuvent être résumées par un petit nombre de diagrammes de bifurcation logique. Ces scénarios de bifurcations diffèrent par la séquence d’activation du circuit positif et négatif composant le réseau et dépendent d’une part de l’affinité de la p53 pour ses gènes cibles et d’autre part de son activité transcriptionnelle. Nous proposons que différents stress et types cellulaires pourraient correspondre à différents scénarios de bifurcation et donc conduire à des réponses différentes après irradiation. Cette première analyse qualitative nous a permis de rendre compte de différents aspects de la dynamique du réseau observés expérimentalement, tels que le changement de fréquence des oscillations en cours de réponse, les oscillations de longue durée de la p53 ou l’amortissement rapide des oscillations à l’échelle d’une population de cellules. Pour nous affranchir des fortes non-linéarités inhérentes au traitement logique, nous avons ensuite traduit le modèle logique en un modèle différentiel et montré que les principaux comportements présentés par le modèle logique sont conservés, suggérant que la structure du réseau détermine dans une large mesure les principales potentialités dynamiques du système. L’analyse des propriétés de bifurcation du modèle différentiel en fonction du niveau de dommage à l’ADN nous a également permis de mettre en évidence la présence de deux régimes oscillants d’amplitude, de valeur moyenne et de fréquence nettement différentes, séparés par une zone de bicyclicité où ces deux régimes coexistent. Cette propriété permet d’expliquer l’existence des deux fréquences d’oscillation différentes qui ont été observées expérimentalement en fonction de la dose d’irradiation. Enfin l’analyse stochastique de notre modèle nous a, en particulier, permis de rendre compte de l’augmentation du nombre de cellules oscillant à des fréquences élevées lorsque la dose d’irradiation augmente, observée expérimentalement.<p>La deuxième partie de notre thèse a été consacrée à l’étude du réseau de facteurs GATA chez la levure S.cerevisiae. Ce réseau, constitué des activateurs Gln3 et Nil1 et des répresseurs Dal80 et Gzf3, comporte plusieurs circuits de rétroaction positifs et négatifs interconnectés. Dans le but d’aider à comprendre le rôle et le fonctionnement du réseau GATA, nous avons effectué une analyse théorique et expérimentale de son comportement dynamique en fonction de la qualité de la source azotée. L’analyse différentielle montre la possibilité d’un comportement bistable dans les milieux de qualité intermédiaire en azote et d’oscillations amorties suite à un transfert nutritionnel d’une condition azotée à une autre, lorsque l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 est synergique ou lorsque le gène Gln3 est supprimé. Gzf3 serait le répresseur clef impliqué dans la bistabilité tandis que Dal80 serait le répresseur clef impliqué dans les comportements oscillants. L’analyse stochastique nous a permis d’étudier l’effet des fluctuations moléculaires sur ces comportements et les distributions de variables importantes du système dans une population de cellules. Pour le modèle synergique de la souche sauvage et celui du mutant gln3°, elle a montré l’existence, dans des milieux de qualité intermédiaire en azote, de deux populations de cellules qui coexistent :une population où l’expression de Dal80 est réprimée, une autre où son expression est activée. Enfin, l’étude de la dynamique du couplage entre la protéine fluorescente Gfp, sous le contrôle du promoteur de DAL80, et le réseau GATA montre que, pour des ordres de grandeur physiologique de la vitesse de disparition de la Gfp, la bimodalité présente au niveau du réseau GATA devrait se refléter au niveau de la Gfp.<p>Les comportements bistables et oscillants mis en évidence dans notre étude théorique du réseau GATA ont ensuite été testés expérimentalement en suivant la Gfp sous le contrôle du promoteur de DAL80 en fonction de la concentration de la source azotée glutamine. Cette étude expérimentale nous a permis de mettre en évidence l’existence d’oscillations amorties de la fluorescence de la protéine de fusion Dal80-Gfp. De telles oscillations cependant n’ont pas été observées dans les expériences réalisées sur les autres souches testées pour lesquelles le gène de la Gfp est fusionné au promoteur de DAL80. Notre étude expérimentale montre également l’existence, chez la souche sauvage, d’une population unique de cellules fluorescentes quelle que soit la concentration du milieu extérieur en glutamine testé (0.2mM à 10mM). Un modèle additif où l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 n’est pas synergique serait donc en meilleur accord avec nos observations. Chez les souches où le facteur Gln3 est inactivé, par contre, deux populations cellulaires, l’une de forte fluorescence et constituée de cellules de grande taille, l’autre de plus faible fluorescence et constituée de cellules de taille plus petite, coexistent pour des concentrations intermédiaires du milieu extérieur en glutamine. La forte corrélation observée entre la taille et la fluorescence des cellules suggère que le comportement bimodal observé au niveau de la fluorescence est lié au comportement bimodal observé au niveau de la taille. Enfin, un modèle phénoménologique de la croissance cellulaire nous a permis de reproduire l’existence de deux populations cellulaires de taille distincte.<p>Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

A theoretical radiobiological assessment of the influence of radionuclide half-life on tumor response in targeted radiotherapy when a constant kidney toxicity is maintained

The potential of targeted radionuclide therapy may be limited if the antibody affinity to the tumor is relatively low and if significant normal tissue damage occurs while the tumor is sterilized. One way to increase the efficiency of the antibody-radionuclide complex might be to use knowledge of the radiobiological processes to select a near-optimal radionuclide half-life. In this paper, the role of physical half-life in targeted radiotherapy optimization is investigated using the linear quadratic (LQ) radiobiological model in conjunction with a range of radiobiological parameters relevant to the tumor. Five radionuclides (211At, 90Y, 131I, 86Rb, and 114mIn) were selected, providing a half-life range from 0.3-49.5 days. The dose-limiting organ was assumed to be the kidney, with a simple fractional link between the initial (extrapolated) dose-rate to the tumor and the initial dose-rate to the kidney. The results suggest that short-lived radionuclides (half-life in the range of 1-10 days) have an advantage over medium- and long-lived radionuclides. Furthermore, for very rapid tumor uptake (uptake half-time of a few hours), very short-lived radionuclides (half-life of less than 1 day) could be efficiently employed. Ultimately, however, treatment outcome (in terms of tumor cell kill) is limited by the antibody affinity to the tumor.SCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

The Goodwin Model: Behind the Hill Function

The Goodwin model is a 3-variable model demonstrating the emergence of oscillations in a delayed negative feedback-based system at the molecular level. This prototypical model and its variants have been commonly used to model circadian and other genetic oscillators in biology. The only source of non-linearity in this model is a Hill function, characterizing the repression process. It was mathematically shown that to obtain limit-cycle oscillations, the Hill coefficient must be larger than 8, a value often considered unrealistic. It is indeed difficult to explain such a high coefficient with simple cooperative dynamics. We present here molecular models of the standard Goodwin model, based on single or multisite phosphorylation/dephosphorylation processes of a transcription factor, which have been previously shown to generate switch-like responses. We show that when the phosphorylation/dephosphorylation processes are fast enough, the limit-cycle obtained with a multisite phosphorylation-based mechanism is in very good quantitative agreement with the oscillations observed in the Goodwin model. Conditions in which the detailed mechanism is well approximated by the Goodwin model are given. A variant of the Goodwin model which displays sharp thresholds and relaxation oscillations is also explained by a double phosphorylation/dephosphorylation-based mechanism through a bistable behavior. These results not only provide rational support for the Goodwin model but also highlight the crucial role of the speed of post-translational processes, whose response curve are usually established at a steady state, in biochemical oscillators. © 2013 Gonze, Abou-Jaoudé.SCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

From structure to dynamics: frequency tuning in the p53-Mdm2 network. II Differential and stochastic approaches.

In Part I of this work, we carried out a logical analysis of a simple model describing the interplay between protein p53, its main negative regulator Mdm2 and DNA damage, and briefly discussed the corresponding differential model (Abou-Jaoudé et al. 2009). This analysis allowed us to reproduce several qualitative features of the kinetics of the p53 response to damage and provided an interpretation of the short and long characteristic periods of oscillation reported by Geva-Zatorsky et al. (2006) depending on the irradiation dose. Starting from this analysis, we focus here on more quantitative aspects of the dynamics of our network and combine the differential description of our system with stochastic simulations which take molecular fluctuations into account. We find that the amplitude of the p53 and Mdm2 oscillations is highly variable (to a degree that depends, however, on the bifurcation properties of the system). In contrast, peak width and timing remain more regular, consistent with the experimental data. Our simulations also show that noise can induce repeated pulses of p53 and Mdm2 that, at low damage, resemble the slow irregular fluctuations observed experimentally. Adding the stochastic dimension in our modeling further allowed us to account for an increase of the fraction of cells oscillating with a high frequency when the irradiation dose increases, as observed by Geva-Zatorsky et al. (2006).Journal ArticleResearch Support, Non-U.S. Gov'tSCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

From structure to dynamics: frequency tuning in the p53-Mdm2 network I. Logical approach.

We investigate the dynamical properties of a simple four-variable model describing the interactions between the tumour suppressor protein p53, its main negative regulator Mdm2 and DNA damage, a model inspired by the work of Ciliberto et al. [2005. Steady states and oscillations in the p53/Mdm2 network. Cell Cycle 4(3), 488-493]. Its core consists of an antagonist circuit between p53 and nuclear Mdm2 embedded in a three-element negative circuit involving p53, cytoplasmic and nuclear Mdm2. A major concern has been to develop an integrated approach in which various types of descriptions complement each other. Here we present the logical analysis of our network and briefly discuss the corresponding differential model. Introducing the new notion of "logical bifurcation diagrams", we show that the essential qualitative dynamical properties of our network can be summarized by a small number of bifurcation scenarios, which can be understood in terms of the balance between the positive and negative circuits of the core network. The model displays a wide variety of behaviours depending on the level of damage, the efficiency of damage repair and, importantly, the DNA-binding affinity and transcriptional activity of p53, which are both stress- and cell-type specific. Our results qualitatively account for several experimental observations such as p53 pulses after irradiation, failure to respond to irradiation, shifts in the frequency of the oscillations, or rapid dampening of the oscillations in a cell population. They also suggest a great variability of behaviour from cell to cell and between different cell-types on the basis of different post-translational modifications and transactivation properties of p53. Finally, our differential analysis provides an interpretation of the high and low frequency oscillations observed by Geva-Zatorsky et al. [2006. Oscillations and variability in the p53 system. Mol. Syst. Biol. 2, 2006.0033] depending on the irradiation dose. A more detailed analysis of our differential model as well as its stochastic analysis will be developed in a next paper.Journal ArticleSCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

How molecular should your molecular model be? On the level of molecular detail required to simulate biological networks in systems and synthetic biology.

The recent advance of genetic studies and the rapid accumulation of molecular data, together with the increasing performance of computers, led researchers to design more and more detailed mathematical models of biological systems. Many modeling approaches rely on ordinary differential equations (ODE) which are based on standard enzyme kinetics. Michaelis-Menten and Hill functions are indeed commonly used in dynamical models in systems and synthetic biology because they provide the necessary nonlinearity to make the dynamics nontrivial (i.e. limit-cycle oscillations or multistability). For most of the systems modeled, the actual molecular mechanism is unknown, and the enzyme equations should be regarded as phenomenological. In this chapter, we discuss the validity and accuracy of these approximations. In particular, we focus on the validity of the Michaelis-Menten function for open systems and on the use of Hill kinetics to describe transcription rates of regulated genes. Our discussion is illustrated by numerical simulations of prototype systems, including the Repressilator (a genetic oscillator) and the Toggle Switch model (a bistable system). We systematically compare the results obtained with the compact version (based on Michaelis-Menten and Hill functions) with its corresponding developed versions (based on "elementary" reaction steps and mass action laws). We also discuss the use of compact approaches to perform stochastic simulations (Gillespie algorithm). On the basis of these results, we argue that using compact models is suitable to model qualitatively biological systems.Journal ArticleSCOPUS: ar.kinfo:eu-repo/semantics/publishe