Identification of novel biomarkers to distinguish polygenic and monogenic dyslipidemia system biology approach

Dyslipidaemia is one of the major cardiovascular risk factors, it can be due to primary causes (i.e. monogenic, characterized by a single gene mutation, or dyslipidaemia of polygenic/environmental causes), or secondary to specific disorders such as obesity, diabetes mellitus or hypothyroidism. Monogenic patients present the most severe phenotype and so they need to be identified in early age so pharmacologic treatment can be implemented to decrease the cardiovascular risk. However the majority of hyperlipidemic patients most likely have a polygenic disease that can be mainly controlled just by the implementation of a healthy lifestyle. Thus, the distinction between monogenic and polygenic dyslipidaemia is important for a prompt diagnosis, cardiovascular risk assessment, counselling and treatment. Besides the already stated biomarkers as LDL, apoB and apoB/apoA-I ratio, other promising (yet, needing further research) biomarkers for clinical differentiation between dyslipidaemias are apoE, sdLDL, apoC-2 and apoC-3. However, none of these biomarkers can explain the complex lipid profile of the majority of these patients.

Novel analytical and numerical methods for solving fractional dynamical systems

During the past three decades, the subject of fractional calculus (that is, calculus of integrals and derivatives of arbitrary order) has gained considerable popularity and importance, mainly due to its demonstrated applications in numerous diverse and widespread fields in science and engineering. For example, fractional calculus has been successfully applied to problems in system biology, physics, chemistry and biochemistry, hydrology, medicine, and finance. In many cases these new fractional-order models are more adequate than the previously used integer-order models, because fractional derivatives and integrals enable the description of the memory and hereditary properties inherent in various materials and processes that are governed by anomalous diffusion. Hence, there is a growing need to find the solution behaviour of these fractional differential equations. However, the analytic solutions of most fractional differential equations generally cannot be obtained. As a consequence, approximate and numerical techniques are playing an important role in identifying the solution behaviour of such fractional equations and exploring their applications. The main objective of this thesis is to develop new effective numerical methods and supporting analysis, based on the finite difference and finite element methods, for solving time, space and time-space fractional dynamical systems involving fractional derivatives in one and two spatial dimensions. A series of five published papers and one manuscript in preparation will be presented on the solution of the space fractional diffusion equation, space fractional advectiondispersion equation, time and space fractional diffusion equation, time and space fractional Fokker-Planck equation with a linear or non-linear source term, and fractional cable equation involving two time fractional derivatives, respectively. One important contribution of this thesis is the demonstration of how to choose different approximation techniques for different fractional derivatives. Special attention has been paid to the Riesz space fractional derivative, due to its important application in the field of groundwater flow, system biology and finance. We present three numerical methods to approximate the Riesz space fractional derivative, namely the L1/ L2-approximation method, the standard/shifted Gr¨unwald method, and the matrix transform method (MTM). The first two methods are based on the finite difference method, while the MTM allows discretisation in space using either the finite difference or finite element methods. Furthermore, we prove the equivalence of the Riesz fractional derivative and the fractional Laplacian operator under homogeneous Dirichlet boundary conditions – a result that had not previously been established. This result justifies the aforementioned use of the MTM to approximate the Riesz fractional derivative. After spatial discretisation, the time-space fractional partial differential equation is transformed into a system of fractional-in-time differential equations. We then investigate numerical methods to handle time fractional derivatives, be they Caputo type or Riemann-Liouville type. This leads to new methods utilising either finite difference strategies or the Laplace transform method for advancing the solution in time. The stability and convergence of our proposed numerical methods are also investigated. Numerical experiments are carried out in support of our theoretical analysis. We also emphasise that the numerical methods we develop are applicable for many other types of fractional partial differential equations.

Transcriptome analysis of sulfate deficiency response in marine microalga Emiliania huxleyi

Summary The response to sulfate deficiency of plants and freshwater green algae has been extensively analysed by system biology approaches. By contrast, seawater sulfate concentration is high and very little is known about the sulfur metabolism of marine organisms. Here, we used a combination of metabolite analysis and transcriptomics to analyse the response of the marine microalga Emiliania huxleyi as it acclimated to sulfate limitation. Lowering sulfate availability in artificial seawater from 25 to 5 mM resulted in significant reduction in growth and intracellular concentrations of dimethylsulfoniopropionate and glutathione. Sulfate-limited E. huxleyi cells showed increased sulfate uptake but sulfate reduction to sulfite did not seem to be regulated. Sulfate limitation in E. huxleyi affected expression of 1718 genes. The vast majority of these genes were upregulated, including genes involved in carbohydrate and lipid metabolism, and genes involved in the general stress response. The acclimation response of E. huxleyi to sulfate deficiency shows several similarities to the well-described responses of Arabidopsis and Chlamydomonas, but also has many unique features. This dataset shows that even though E. huxleyi is adapted to constitutively high sulfate concentration, it retains the ability to re-program its gene expression in response to reduced sulfate availability.

Addressing Selective Polypharmacology of Antipsychotic Drugs Targeting the Bioaminergic Receptors through the Receptor Dynamic Conformational Ensembles

Selective polypharmacology, where a drug acts on multiple rather than single molecular targets involved in a disease, emerges to develop a structure-based system biology approach to design drugs selectively targeting a disease-active protein network. We focus on the bioaminergic receptors that belong to the group of integral membrane signalling proteins coupled to the G protein and represent targets for therapeutic agents against schizophrenia and depression. Among them, it has been shown that the serotonin (5-HT2A and 5-HT6), dopamine (D2 and D3) receptors induce a cognition-enhancing effect (group 1), while the histamine (H1) and serotonin (5-HT2C) receptors lead to metabolic side effects and the 5-HT2B serotonin receptor causes pulmonary hypertension (group 2). Thus, the problem arises to develop an approach that allows identifying drugs targeting only the disease-active receptors, i.e. group 1. The recent release of several crystal structures of the bioaminergic receptors, involving the D3 and H1 receptors provides the possibility to model the structures of all receptors and initiate a study of the structural and dynamic context of selective polypharmacology. In this work, we use molecular dynamics simulations to generate a conformational space of the receptors and subsequently characterize its binding properties applying molecular probe mapping. All-against-all comparison of the generated probe maps of the selected diverse conformations of all receptors with the Tanimoto similarity coefficient (Tc) enable to separate the receptors of group 1 from group 2. The pharmacophore built based on the Tc-selected receptor conformations, using the multiple probe maps discovers structural features that can be used to design molecules selective towards the receptors of group 1. The importance of several predicted residues to ligand selectivity is supported by the available mutagenesis and ligand structure-activity relationships studies. In addition, the Tc-selected conformations of the receptors for group 1 show good performance in isolation of known ligands from a random decoy. Our computational structure-based protocol to tackle selective polypharmacology of antipsychotic drugs could be applied for other diseases involving multiple drug targets, such as oncologic and infectious disorders.

Constraint-based modelling of mixed microbial populations: Application to polyhydroxyalkanoates production

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica

Caractérisation et étude d'un élément régulateur du gène codant pour le récepteur à la vasopressine de type 2

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Pierre et Marie Curie, Paris VI, France

Les effets d’un traitement au corticostérone sur la transmission dopaminergique mésocorticale du rat en période de stress

L’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien joue un rôle essentiel dans l’adaptation et la réponse au stress. Toutefois, l’hyperactivation de cet axe ou des niveaux chroniquement élevés de glucocorticoïdes (GC) entraînent des conséquences pathologiques. Le système dopaminergique mésocortical, qui se projette dans le cortex préfrontal médian (CPFm), joue un rôle adaptatif en protégeant contre le stress. Jusqu’à présent, les interactions fonctionnelles entre les GC (ex : corticostérone) et le système dopaminergique mésocortical ne sont pas élucidées. Dans ce mémoire, nous avons évalué les effets des GC sur les fonctions dopaminergiques préfrontales en élevant chroniquement, à l’aide de minipompes osmotiques, les niveaux de corticostérone aux concentrations physiologiques maximales (1 mg/kg/h pendant 7 jours). Ce traitement n’a pas modifié significativement, chez les rats stressés ou non, les niveaux post mortem de dopamine et de son métabolite dans le tissu du CPFm. Toutefois, l’évaluation par voltamétrie in vivo des changements de dopamine extracellulaire dans le CPFmv a permis d’observer que la corticostérone augmente significativement la libération de dopamine en réponse à l’exposition à l’odeur de renard et au pincement de la queue. Nos études nous permettent de conclure que la corticostérone potentialise la fonction dopaminergique mésocorticale qui, à son tour, facilite la régulation négative en période de stress.

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Étude du rôle spécifique du système à deux composantes PhoBR et du système Pst (phosphate specific transport) dans la virulence d’une souche pathogène aviaire de Escherichia coli (APEC)

Les souches d’Escherichia coli pathogènes aviaires (APEC) sont responsables d’infections respiratoires et de septicémies chez la volaille. Le régulon Pho est contrôlé conjointement par le système à deux composantes PhoBR et par le système de transport spécifique du phosphate (Pst). Afin de déterminer l’implication de PhoBR et du système Pst dans la pathogenèse de la souche APEC O78 χ7122, différentes souche mutantes phoBR et pst ont été testées pour divers traits de virulence in vivo et in vitro. Les mutations menant à l’activation constitutive du régulon Pho rendaient les souches plus sensibles au peroxyde d’hydrogène et au sérum de lapin comparativement à la souche sauvage. De plus, l’expression des fimbriae de type 1 était affectée chez ces souches. L’ensemble des mutants Pho-constitutifs étaient aussi significativement moins virulents que la souche sauvage dans un modèle de coinfection de poulet, incluant les souches avec un système Pst fonctionnel. De plus, l’inactivation du régulateur PhoB chez un mutant Pst restaure la virulence. Par ailleurs, l’inactivation de PhoB n’affecte pas la virulence de la souche χ7122 dans notre modèle. De manière intéressante, le degré d’atténuation des souches mutantes corrèle directement avec le niveau d’activation du régulon Pho. Globalement, les résultats indiquent que l’activation du régulon Pho plutôt que le transport du phosphate via le système Pst joue un rôle majeur dans l’atténuation des APEC.

Étude du rôle de Pax6 dans la gliogenèse

Les astrocytes sont des cellules gliales présentes dans le système nerveux central, qui exercent de nombreuses fonctions physiologiques essentielles et sont impliquées dans la réponse aux lésions et dans plusieurs pathologies du cerveau. Les astrocytes sont générés par les cellules de la glie radiale, les précurseurs communs de la plupart des cellules neuronales et gliales du cerveau, après le début de la production des neurones. Le passage de la neurogenèse à la gliogenèse est le résultat de mécanismes moléculaires complexes induits par des signaux intrinsèques et extrinsèques responsables du changement de propriété des précurseurs et de leur spécification. Le gène Pax6 code pour un facteur de transcription hautement conservé, impliqué dans plusieurs aspects du développement du système nerveux central, tels que la régionalisation et la neurogenèse. Il est exprimé à partir des stades les plus précoces dans les cellules neuroépithéliales (les cellules souches neurales) et dans la glie radiale, dérivant de la différenciation de ces cellules. L’objectif de cette étude est d’analyser le rôle de Pax6 dans la différenciation et dans le développement des astrocytes. À travers l’utilisation d’un modèle murin mutant nul pour Pax6, nous avons obtenu des résultats suggérant que la suppression de ce gène cause l'augmentation de la prolifération et de la capacité d'auto-renouvellement des cellules souches neurales embryonnaires. In vitro, les cellules mutantes prolifèrent de façon aberrante et sous-expriment les gènes p57Kip2, p16Ink4a, p19Arf et p21Cip1, qui inhibent la progression du le cycle cellulaire. De plus, Pax6 promeut la différenciation astrocytaire des cellules souches neurales embryonnaires et est requis pour la différenciation des astrocytes dans la moëlle épinière. Les mutants nuls pour Pax6 meurent après la naissance à cause de graves défauts développementaux dus aux fonctions essentielles de ce gène dans le développement embryonnaire de plusieurs organes. En utilisant un modèle murin conditionnel basé sur le système CRE/ loxP (hGFAP-CRE/ Pax6flox/flox) qui présente l’inactivation de Pax6 dans les cellules de la glie radiale, viable après la naissance, nous avons montré que Pax6 est impliqué dans la maturation et dans le développement post-natal des astrocytes. Le cortex cérébral des souris mutantes conditionnelles ne présente pas d’astrocytes matures à l’âge de 16 jours et une très faible quantité d’astrocytes immatures à l’âge de trois mois, suggérant que Pax6 promeut la différenciation et la maturation des astrocytes. De plus, Pax6 semble jouer un rôle même dans le processus de différenciation et de maturation de cellules gliales rétiniennes. L’étude des gènes et des mécanismes moléculaires impliqués dans la génération des astrocytes est crucial pour mieux comprendre le rôle physiologique et les altérations pathologiques des ces cellules.

Caractérisation et délétion de tous les systèmes d'adhésion connus de Salmonella enterica sérovar Typhi

Les fimbriae sont des structures protéiques extracellulaires retrouvées chez une vaste diversité de bactéries. Ces structures ont fait l’objet de nombreuses études et sont maintenant reconnus pour leur implication dans l’adhésion et l’invasion aux cellules eucaryotes, mais aussi dans la production de biofilms. Ils sont groupés selon leur voie de sécrétion. Certains utilisent une machinerie spécifique et individuelle, c’est le cas des pili de type IV, tandis que d’autres utilisent la voie de sécrétion générale suivit d’une voie spécifique telle que la voie du chaperon-placier (« Chaperon Usher Pathway ») (fimbriae CUP) ou la voie de nucléation précipitation (« nucleation precipitation pathway ») (Curli). Malgré toutes les connaissances actuelles concernant les fimbriae, très peu d’informations sont disponibles quant aux fimbriae de Salmonella enterica sérovar Typhi (S. Typhi). Ce pathogène unique à l’homme est l’agent étiologique de la fièvre typhoïde. Puisque les fimbriae sont reconnus pour être impliqués dans l’adaptation à l’hôte, nous avons décidé d’étudier davantage l’arsenal fimbriaire de S. Typhi, dans l’espoir d’identifier des facteurs de virulence uniques à S. Typhi et impliqués dans la ségrégation de l’hôte. La souche S. Typhi ISP1820 possède 14 opérons codant pour des systèmes d’adhésion, mais plusieurs contiennent des pseudogènes et leur expression n’a jamais été observée in vitro. Afin d’étudier les systèmes d’adhésion de S. Typhi, nous avons supprimé chaque opéron du génome individuellement et cumulativement à l’aide une technique de mutagénèse par échange allélique. Ainsi, nous avons testé chaque mutant individuel et la souche mutante pour tous les systèmes d’adhésion dans plusieurs essais tels que des infections de cellules épithéliales et de macrophages, de mobilité et de formation de biofilm. Nous avons aussi évalué l’expression des fimbriae lors de différentes conditions de croissance en laboratoire par RT-PCR. Tous les tests réalisés nous ont permis de découvrir que plusieurs opérons fimbriaires de S. Typhi sont opérationnels et utilisés pour différentes fonctions par la bactérie.

Interaction d'Escherichia coli entérohémorragique (EHEC) avec Acanthamoeba castellanii et rôle du régulon Pho chez les EHEC

Les EHEC de sérotype O157:H7 sont des agents zoonotiques d’origine alimentaire ou hydrique. Ce sont des pathogènes émergeants qui causent chez l’humain des épidémies de gastro-entérite aiguë et parfois un syndrome hémolytique-urémique. Les EHEC réussissent leur transmission à l’humain à partir de leur portage commensal chez l’animal en passant par l’étape de survie dans l’environnement. L’endosymbiose microbienne est une des stratégies utilisées par les bactéries pathogènes pour survivre dans les environnements aquatiques. Les amibes sont des protozoaires vivants dans divers écosystèmes et connus pour abriter plusieurs agents pathogènes. Ainsi, les amibes contribueraient à transmettre les EHEC à l'humain. La première partie de mon projet de thèse est centrée sur l'interaction de l’amibe Acanthamoeba castellanii avec les EHEC. Les résultats montrent que la présence de cette amibe prolonge la persistance des EHEC, et ces dernières survivent à leur phagocytose par les amibes. Ces résultats démontrent le potentiel réel des amibes à héberger les EHEC et à contribuer à leur transmission. Cependant, l’absence de Shiga toxines améliore leur taux de survie intra-amibe. Par ailleurs, les Shiga toxines sont partiellement responsables de l’intoxication des amibes par les EHEC. Cette implication des Shiga toxines dans le taux de survie intracellulaire et dans la mortalité des amibes démontre l’intérêt d’utiliser les amibes comme modèle d'interaction hôte/pathogène pour étudier la pathogénicité des EHEC. Durant leur cycle de transmission, les EHEC rencontrent des carences en phosphate inorganique (Pi) dans l’environnement. En utilisant conjointement le système à deux composantes (TCS) PhoB-R et le système Pst (transport spécifique de Pi), les EHEC détectent et répondent à cette variation en Pi en activant le régulon Pho. La relation entre la virulence des EHEC, le PhoB-R-Pst et/ou le Pi environnemental demeure inconnue. La seconde partie de mon projet explore le rôle du régulon Pho (répondant à un stress nutritif de limitation en Pi) dans la virulence des EHEC. L’analyse transcriptomique montre que les EHEC répondent à la carence de Pi par une réaction complexe impliquant non seulement un remodelage du métabolisme général, qui est critique pour sa survie, mais aussi en coordonnant sa réponse de virulence. Dans ces conditions le régulateur PhoB contrôle directement l’expression des gènes du LEE et de l’opéron stx2AB. Ceci est confirmé par l’augmentation de la sécrétion de l’effecteur EspB et de la production et sécrétion de Stx2 en carence en Pi. Par ailleurs, l’activation du régulon Pho augmente la formation de biofilm et réduit la motilité chez les EHEC. Ceci corrèle avec l’induction des gènes régulant la production de curli et la répression de la voie de production d’indole et de biosynthèse du flagelle et du PGA (Polymère β-1,6-N-acétyle-D-glucosamine).

Influence de la mécanoréception faciale sur les comportements moteurs chez l’opossum nouveau-né, Monodelphis domestica

L’opossum nait dans un état très immature, mais rampe avec ses membres antérieurs (MA) de l’orifice urogénital de la mère à une tétine, où il s’attache pour poursuivre son développement. Des informations sensorielles sont nécessaires pour guider le nouveau-né vers une tétine et déclencher son attachement. Des expériences précédentes ont montré que le système du trijumeau, dont dépend l’innervation somesthésique du museau, influence les mouvements précoces des MA. Le présent projet vise à déterminer si les mécanorécepteurs faciaux sont fonctionnels et exercent une influence sur les MA. On s’intéresse particulièrement aux cellules de Merkel, un mécanorécepteur épidermique innervé par des fibres à adaptation lente de type I (SA I). Ces cellules ont été localisées sur le pourtour du museau de l’opossum nouveau-né en utilisant un traceur cellulaire, l’AM1-43. Nous avons analysé les réponses musculaires des MA consécutives à l’application de forces calibrées au museau sur des préparations in vitro. Ces réponses sont bilatérales et simultanées, très variables, et leur intensité augmente avec la force de la stimulation. Lors de stimulations répétitives pendant 60 min, les réponses diminuent avec le temps. Le retrait de la peau faciale abolit presque ces réponses. De plus, l’application d’un antagoniste des récepteurs métabotropiques du glutamate, qui affecte l’activité des fibres SA I, ou d’un antagoniste des récepteurs purinergiques les diminue fortement, suggérant une participation des cellules de Merkel. Ces résultats soutiennent que le sens du toucher facial relayé par le système du trijumeau est fonctionnel chez l’opossum nouveau-né et qu’il pourrait influencer les mouvements des MA.

IaaS clouds vs. clusters for HPC: a performance study

The increasing amount of data collected in the fields of physics and bio-informatics allows researchers to build realistic, and therefore accurate, models/simulations and gain a deeper understanding of complex systems. This analysis is often at the cost of greatly increased processing requirements. Cloud computing, which provides on demand resources, can offset increased analysis requirements. While beneficial to researchers, adaption of clouds has been slow due to network and performance uncertainties. We compare the performance of cloud computers to clusters to make clear the advantages and limitations of clouds. Focus has been put on understanding how virtualization and the underlying network effects performance of High Performance Computing (HPC) applications. Collected results indicate that performance comparable to high performance clusters is achievable on cloud computers depending on the type of application run.