Birhythmicity in a model for the cyclic AMP signalling system of the slime mold Dictyostelium discoideum

AbstractWe demonstrate the coexistence of two simultaneously stable periodic regimes in a model based on receptor desensitization for the cyclic AMP signalling system of the slime mold Dictyostelium discoideum. These results provide the first example of autonomous birhythmicity in a biochemical model closely related to experimental observations. Whereas the transition from one stable mode of oscillations to the other can be elicited by suprathreshold stimuli, the two periodic regimes differ in their sensitivity to perturbations. That multiple oscillations occur in a model based on a single feedback loop suggests that the conditions for birhythmicity are widely satisfied in biological systems

Cofilin tunes the nucleotide state of actin filaments and severs at bare and decorated segment boundaries.

International audienceActin-based motility demands the spatial and temporal coordination of numerous regulatory actin-binding proteins (ABPs) [1], many of which bind with affinities that depend on the nucleotide state of actin filament. Cofilin, one of three ABPs that precisely choreograph actin assembly and organization into comet tails that drive motility in vitro [2], binds and stochastically severs aged ADP actin filament segments of de novo growing actin filaments [3]. Deficiencies in methodologies to track in real time the nucleotide state of actin filaments, as well as cofilin severing, limit the molecular understanding of coupling between actin filament chemical and mechanical states and severing. We engineered a fluorescently labeled cofilin that retains actin filament binding and severing activities. Because cofilin binding depends strongly on the actin-bound nucleotide, direct visualization of fluorescent cofilin binding serves as a marker of the actin filament nucleotide state during assembly. Bound cofilin allosterically accelerates P(i) release from unoccupied filament subunits, which shortens the filament ATP/ADP-P(i) cap length by nearly an order of magnitude. Real-time visualization of filament severing indicates that fragmentation scales with and occurs preferentially at boundaries between bare and cofilin-decorated filament segments, thereby controlling the overall filament length, depending on cofilin binding density

Autonomous chaotic behaviour of the slime mould Dictyostelium discoideum predicted by a model for cyclic AMP signalling

SCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

Du monomère à la cellule (modèle de la dynamique de l'actine)

Les filaments d'actine sont des polymères biologiques très abondants dans le cytosquelette des eucaryotes. Leur auto-assemblage et leur autoorganisation sont très dynamiques et ils jouent un rôle majeur dans la motilité cellulaire et dans les déformations de la membrane. Nous présentons dan cette thèse trois approches de modélisation, à différentes échelles, afin de mieux comprendre les mécanismes de régulation de l'assemblage, de l'organisation et de la production de forces par des filaments biologiques tels que les filaments d'actine. Nous avons tout d'abord développé un outil de simulation multi-agent stochastique pour l'étude de la dynamique de filaments biologiques prenant en compte les interactions à l'échelle du nanomètre. Ce nouvel outil nous a permis de mettre en évidence l'accélération du turnover des monomères d'actine par fragmentation des filaments par l'ADF/Cofiline ainsi que les ruptures de symétries induites par cette protéine, résultats concordant avec les expériences de l'équipe de L. Blanchoin (CEA Grenoble). Nous avons également mené l'étude d'un modèle continu pour le flambage de filaments qui a permis d'estimer les forces exercées in vivo et in vitro en fonction des conditions d'attachement des extrémités et de donner des conditions limites de certains paramètres permettant le flambage. Troisièmement, nous avons développé un cadre pour l'organisation des données de cinétique biochimique de réseaux de régulation que nous avons utilisé pour la régulation de la polymérisation de l'actine. Ces trois approches de modélisation ont permis d'améliorer la connaissance sur la dynamique de l'actine et sont complémentaires aux approches expérimentales de la biologieActin filaments are biological polymers that are very abundant in eucaryot cytoskeleton. Their auto-assembly and auto-organization are highly dynami. and are essential in cell motility and membrane deformations. ln this thesis we propose three approaches, on different scales, in order to enlighten mechanisms for the regulation ofassembly of, organization of and production of force by biological filaments such as actin filaments. First, we have developed a stochastic multi-agent simulation tool for studying biological filaments taking into consideration interactions on the nanometer scale. This new tool allowed us to bring out the acceleration of actin monomer turnover due to fragmentation of filaments by ADF/Cofilin and the symmetry breaking induced by thisprotein, which agree weil with experimental data from L. Blanchoin team (CEA Grenoble). Secondly, we studied a continuou model for filament buckling, providing, on the one hand, an estimation of forces exerted in vitro or in vivo with respect to extremity attachment conditions and, on the other hand, limit conditions for buckling. Thirdly, we developed a framework for organizing kinetic biochemical data from reaction networks, which was used for the regulation of actin polymerization. These three modeling approaches improved the knowledge on actin dynamics and are useful complements for experimental approaches in biologyGRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Modèle pour l'étude du rôle de la membrane dans la déformation cellulaire (application à la spinogénèse)

Nous avons conçu un modèle pour étudier le rôle de la membrane dans les déformations cellulaires. Le cytoplasme est modélisé par un fluide selon les équations de Navier-Stokes supplémentées d'un nouveau terme pour rendre compte de l'activité de l'actine. La membrane est considérée comme une coque mince élastique. Les outils développés (utilisant la méthode des éléments finis, FEMLAB et MATLAB) permettent des simulations 2D. La simulation de déformations à tension de membrane constante ou en supposant la tension fonction décroissante de la densité de membrane montre que seul le second cas permet des déformations de grande amplitude avec une forte courbure. La définition de la tension de membrane comme une fonction décroissante de la densité de membrane donne une interprétation mécanique de l'ajout de membrane qui permet de rendre compte de déformations plus importantes encore. Les dynamiques proposées pour la courbure de repos permettent d'étudier le maintien des déformations en l'absence de poussée d'actine. Nous suggérons que les paramètres mécaniques de la membrane varient selon les types et les compartiments cellulaires.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Transposable elements and fitness of bacteria.

A stochastic model was designed to describe the evolution of bacterial cultures during 10,000 generations. It is based on a decreasing law for the generation of beneficial mutations as they become fixed in the genomes. Seven beneficial mutations on average were necessary to improve the relative fitness from 1.0 to 1.43 and the model was consistent with the population biology and the genetic data of 12 experimental lines. In one bacterial line, comparison between the model and the data suggests that pivotal mutations mediated by insertion sequences account for a large part of bacterial adaptation. In a more detailed analysis of one simulation, it was shown that only 0.01% of the mutations generated by a population over 10,000 generations can go to fixation as a consequence of their improved fitness. However in the model, the probability of being better fit than its parent should be set initially at ca. 10% to promote an evolution similar to the observed data