Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Recommandations de pratique clinique dans la schizophrénie: de la théorie à la mise en application = Clinical practice guidelines for the treatment of schizophrenia: from theory to practice

Dans le cadre d'une étude rétrospective au sein d'une unité de réhabilitation, nous avons cherché à examiner le degré de respect de recommandations de pratique clinique (RPC) abordant le traitement pharmacologique au long cours de la schizophrénie, par des médecins qui n'en ont qu'une connaissance indirecte. The Expert Consensus Guideline for the treatment of schizophrenia (ECGTS) a été retenu comme référence sur la base d'une comparaison avec cinq autres RPC principales. Sur un collectif de 20 patients, les recommandations de l'ECGTS sont totalement respectées dans 65 % des cas, partiellement respectées dans 10 % et non respectées dans 25 %, démontrant ainsi que la pratique clinique est clairement perfectible (principalement dans le traitement des symptômes psychotiques et dépressifs). Cependant, le respect des RPC ne garantit pas forcément la résolution de tous les problèmes cliniques rencontrés : 12 patients sur 20 présentent des effets secondaires à l'évaluation clinique et pour huit d'entre eux, les recommandations à ce niveau, sont respectées. Notre étude montre cependant que le choix et l'application d'une RPC ne sont pas simples. Les RPC actuelles donnent peu ou pas d'instruments de mesure, ni de critères précis pour évaluer les problèmes cliniques auxquels elles font référence. L'avenir appartient donc à des RPC qui proposent, outre les recommandations cliniques elles-mêmes, les moyens de leur vérification et de leur application sur le terrain.

Comparison between computational alanine scanning and per-residue binding free energy decomposition for protein-protein association using MM-GBSA: application to the TCR-p-MHC complex.

Recognition by the T-cell receptor (TCR) of immunogenic peptides (p) presented by Class I major histocompatibility complexes (MHC) is the key event in the immune response against virus-infected cells or tumor cells. A study of the 2C TCR/SIYR/H-2K(b) system using a computational alanine scanning and a much faster binding free energy decomposition based on the Molecular Mechanics-Generalized Born Surface Area (MM-GBSA) method is presented. The results show that the TCR-p-MHC binding free energy decomposition using this approach and including entropic terms provides a detailed and reliable description of the interactions between the molecules at an atomistic level. Comparison of the decomposition results with experimentally determined activity differences for alanine mutants yields a correlation of 0.67 when the entropy is neglected and 0.72 when the entropy is taken into account. Similarly, comparison of experimental activities with variations in binding free energies determined by computational alanine scanning yields correlations of 0.72 and 0.74 when the entropy is neglected or taken into account, respectively. Some key interactions for the TCR-p-MHC binding are analyzed and some possible side chains replacements are proposed in the context of TCR protein engineering. In addition, a comparison of the two theoretical approaches for estimating the role of each side chain in the complexation is given, and a new ad hoc approach to decompose the vibrational entropy term into atomic contributions, the linear decomposition of the vibrational entropy (LDVE), is introduced. The latter allows the rapid calculation of the entropic contribution of interesting side chains to the binding. This new method is based on the idea that the most important contributions to the vibrational entropy of a molecule originate from residues that contribute most to the vibrational amplitude of the normal modes. The LDVE approach is shown to provide results very similar to those of the exact but highly computationally demanding method.

Public sector rationing and private sector selection [paper accepted and forthcoming in Journal of Public Economic Theory]

We study the interaction between nonprice public rationing and prices in the private market. Under a limited budget, the public supplier uses a rationing policy. A private firm may supply the good to those consumers who are rationed by the public system. Consumers have different amounts of wealth, and costs of providing the good to them vary. We consider two regimes. First, the public supplier observes consumers' wealth information; second, the public supplier observes both wealth and cost information. The public supplier chooses a rationing policy, and, simultaneously, the private firm, observing only cost but not wealth information, chooses a pricing policy. In the first regime, there is a continuum of equilibria. The Pareto dominant equilibrium is a means-test equilibrium: poor consumers are supplied while rich consumers are rationed. Prices in the private market increase with the budget. In the second regime, there is a unique equilibrium. This exhibits a cost-effectiveness rationing rule; consumers are supplied if and only if their costbenefit ratios are low. Prices in the private market do not change with the budget. Equilibrium consumer utility is higher in the cost-effectiveness equilibrium than the means-test equilibrium [Authors]

Hemispheric asymmetry and theory of mind: Is there an association?

Introduction. In autism and schizophrenia attenuated/atypical functional hemispheric asymmetry and theory of mind impairments have been reported, suggesting common underlying neuroscientific correlates. We here investigated whether impaired theory of mind performance is associated with attenuated/atypical hemispheric asymmetry. An association may explain the co-occurrence of both dysfunctions in psychiatric populations. Methods. Healthy participants (n 129) performed a left hemisphere (lateralised lexical decision task) and right hemisphere (lateralised face decision task) dominant task as well as a visual cartoon task to assess theory of mind performance. Results. Linear regression analyses revealed inconsistent associations between theory of mind performance and functional hemisphere asymmetry: enhanced theory of mind performance was only associated with (1) faster right hemisphere language processing, and (2) reduced right hemisphere dominance for face processing (men only). Conclusions. The majority of non-significant findings suggest that theory of mind and functional hemispheric asymmetry are unrelated. Instead of ''overinterpreting'' the two significant results, discrepancies in the previous literature relating to the problem of the theory of mind concept, the variety of tasks, and the lack of normative data are discussed. We also suggest how future studies could explore a possible link between hemispheric asymmetry and theory of mind.

Computational quest for understanding the role of astrocyte signaling in synaptic transmission and plasticity.

The complexity of the signaling network that underlies astrocyte-synapse interactions may seem discouraging when tackled from a theoretical perspective. Computational modeling is challenged by the fact that many details remain hitherto unknown and conventional approaches to describe synaptic function are unsuitable to explain experimental observations when astrocytic signaling is taken into account. Supported by experimental evidence is the possibility that astrocytes perform genuine information processing by means of their calcium signaling and are players in the physiological setting of the basal tone of synaptic transmission. Here we consider the plausibility of this scenario from a theoretical perspective, focusing on the modulation of synaptic release probability by the astrocyte and its implications on synaptic plasticity. The analysis of the signaling pathways underlying such modulation refines our notion of tripartite synapse and has profound implications on our understanding of brain function.

A multi-perspective approach to performance anxiety in music students

AbstractPerforming publicly has become increasingly important in a variety of professions. This condition is associated with performance anxiety in almost all performers. Whereas some performers successfully cope with this anxiety, for others it represents a major problem and even threatens their career. Musicians and especially music students were shown to be particularly affected by performance anxiety.Therefore, the goal of this PhD thesis was to gain a better understanding of performance anxiety in university music students. More precisely, the first part of this thesis aimed at increasing knowledge on the occurrence, the experience, and the management of performance anxiety (Article 1). The second part aimed at investigating the hypothesis that there is an underlying hyperventilation problem in musicians with a high level of anxiety before a performance. This hypothesis was addressed in two ways: firstly, by investigating the association between the negative affective dimension of music performance anxiety (MPA) and self-perceived physiological symptoms that are known to co-occur with hyperventilation (Article 2) and secondly, by analyzing this association on the physiological level before a private (audience-free) and a public performance (Article 3). Article 4 places some key variables of Article 3 in a larger context by jointly analyzing the phases before, during, and after performing.The main results of the self-report data show (a) that stage fright is experienced as a problem by one-third of the surveyed students, (b) that the students express a considerable need for more help to better cope with it, and (c) that there is a positive association between negative feelings of MPA and the self-reported hyperventilation complaints before performing. This latter finding was confirmed on the physiological level in a tendency of particularly high performance-anxious musicians to hyperventilate. Furthermore, the psycho-physiological activation increased from a private to a public performance, and was higher during the performances than before or after them. The physiological activation was mainly independent of the MPA score. Finally, there was a low response coherence between the actual physiological activation and the self-reports on the instantaneous anxiety, tension, and perceived physiological activation.Given the high proportion of music students who consider stage fright as a problem and given the need for more help to better cope with it, a better understanding of this phenomenon and its inclusion in the educational process is fundamental to prevent future occupational problems. On the physiological level, breathing exercises might be a good means to decrease - but also to increase - the arousal associated with a public performance in order to meet an optimal level of arousal needed for a good performance.