Stochastic models and numerical algorithms for a class of regulatory gene networks.

Regulatory gene networks contain generic modules, like those involving feedback loops, which are essential for the regulation of many biological functions (Guido et al. in Nature 439:856-860, 2006). We consider a class of self-regulated genes which are the building blocks of many regulatory gene networks, and study the steady-state distribution of the associated Gillespie algorithm by providing efficient numerical algorithms. We also study a regulatory gene network of interest in gene therapy, using mean-field models with time delays. Convergence of the related time-nonhomogeneous Markov chain is established for a class of linear catalytic networks with feedback loops.

Qualitative modeling identifies IL-11 as a novel regulator in maintaining self-renewal in human pluripotent stem cells.

Pluripotency in human embryonic stem cells (hESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) is regulated by three transcription factors-OCT3/4, SOX2, and NANOG. To fully exploit the therapeutic potential of these cells it is essential to have a good mechanistic understanding of the maintenance of self-renewal and pluripotency. In this study, we demonstrate a powerful systems biology approach in which we first expand literature-based network encompassing the core regulators of pluripotency by assessing the behavior of genes targeted by perturbation experiments. We focused our attention on highly regulated genes encoding cell surface and secreted proteins as these can be more easily manipulated by the use of inhibitors or recombinant proteins. Qualitative modeling based on combining boolean networks and in silico perturbation experiments were employed to identify novel pluripotency-regulating genes. We validated Interleukin-11 (IL-11) and demonstrate that this cytokine is a novel pluripotency-associated factor capable of supporting self-renewal in the absence of exogenously added bFGF in culture. To date, the various protocols for hESCs maintenance require supplementation with bFGF to activate the Activin/Nodal branch of the TGFβ signaling pathway. Additional evidence supporting our findings is that IL-11 belongs to the same protein family as LIF, which is known to be necessary for maintaining pluripotency in mouse but not in human ESCs. These cytokines operate through the same gp130 receptor which interacts with Janus kinases. Our finding might explain why mESCs are in a more naïve cell state compared to hESCs and how to convert primed hESCs back to the naïve state. Taken together, our integrative modeling approach has identified novel genes as putative candidates to be incorporated into the expansion of the current gene regulatory network responsible for inducing and maintaining pluripotency.

Multimodal MRI analysis of structural and functional networks in the human brain : application to two clinical studies : driving abilities under THC intoxication and early white matter changes in FXTAS

Les approches multimodales dans l'imagerie cérébrale non invasive sont de plus en plus considérées comme un outil indispensable pour la compréhension des différents aspects de la structure et de la fonction cérébrale. Grâce aux progrès des techniques d'acquisition des images de Resonance Magnetique et aux nouveaux outils pour le traitement des données, il est désormais possible de mesurer plusieurs paramètres sensibles aux différentes caractéristiques des tissues cérébraux. Ces progrès permettent, par exemple, d'étudier les substrats anatomiques qui sont à la base des processus cognitifs ou de discerner au niveau purement structurel les phénomènes dégénératifs et développementaux. Cette thèse met en évidence l'importance de l'utilisation d'une approche multimodale pour étudier les différents aspects de la dynamique cérébrale grâce à l'application de cette approche à deux études cliniques: l'évaluation structurelle et fonctionnelle des effets aigus du cannabis fumé chez des consommateurs réguliers et occasionnels, et l'évaluation de l'intégrité de la substance grise et blanche chez des jeunes porteurs de la prémutations du gène FMR1 à risque de développer le FXTAS (Fragile-X Tremor Ataxia Syndrome). Nous avons montré que chez les fumeurs occasionnels de cannabis, même à faible concentration du principal composant psychoactif (THC) dans le sang, la performance lors d'une tâche visuo-motrice est fortement diminuée, et qu'il y a des changements dans l'activité des trois réseaux cérébraux impliqués dans les processus cognitifs: le réseau de saillance, le réseau du contrôle exécutif, et le réseau actif par défaut (Default Mode). Les sujets ne sont pas en mesure de saisir les saillances dans l'environnement et de focaliser leur attention sur la tâche. L'augmentation de la réponse hémodynamique dans le cortex cingulaire antérieur suggère une augmentation de l'activité introspective. Une investigation des ef¬fets au niveau cérébral d'une exposition prolongée au cannabis, montre des changements persistants de la substance grise dans les régions associées à la mémoire et au traitement des émotions. Le niveau d'atrophie dans ces structures corrèle avec la consommation de cannabis au cours des trois mois précédant l'étude. Dans la deuxième étude, nous démontrons des altérations structurelles des décennies avant l'apparition du syndrome FXTAS chez des sujets jeunes, asymptomatiques, et porteurs de la prémutation du gène FMR1. Les modifications trouvées peuvent être liées à deux mécanismes différents. Les altérations dans le réseau moteur du cervelet et dans la fimbria de l'hippocampe, suggèrent un effet développemental de la prémutation. Elles incluent aussi une atrophie de la substance grise du lobule VI du cervelet et l'altération des propriétés tissulaires de la substance blanche des projections afférentes correspondantes aux pédoncules cérébelleux moyens. Les lésions diffuses de la substance blanche cérébrale peu¬vent être un marquer précoce du développement de la maladie, car elles sont liées à un phénomène dégénératif qui précède l'apparition des symptômes du FXTAS. - Multimodal brain imaging is becoming a leading tool for understanding different aspects of brain structure and function. Thanks to the advances in Magnetic Resonance imaging (MRI) acquisition schemes and data processing techniques, it is now possible to measure different parameters sensitive to different tissue characteristics. This allows for example to investigate anatomical substrates underlying cognitive processing, or to disentangle, at a pure structural level degeneration and developmental processes. This thesis highlights the importance of using a multimodal approach for investigating different aspects of brain dynamics by applying this approach to two clinical studies: functional and structural assessment of the acute effects of cannabis smoking in regular and occasional users, and grey and white matter assessment in young FMR1 premutation carriers at risk of developing FXTAS. We demonstrate that in occasional smokers cannabis smoking, even at low concentration of the main psychoactive component (THC) in the blood, strongly decrease subjects' performance on a visuo-motor tracking task, and globally alters the activity of the three brain networks involved in cognitive processing: the Salience, the Control Executive, and the Default Mode networks. Subjects are unable to capture saliences in the environment and to orient attention to the task; the increase in Hemodynamic Response in the Anterior Cingulate Cortex suggests an increase in self-oriented mental activity. A further investigation on long term exposure to cannabis, shows a persistent grey matter modification in brain regions associated with memory and affective processing. The degree of atrophy in these structures also correlates with the estimation of drug use in the three months prior the participation to the study. In the second study we demonstrate structural changes in young asymptomatic premutation carriers decades before the onset of FXTAS that might be related to two different mechanisms. Alteration of the cerebellar motor network and of the hippocampal fimbria/ fornix, may reflect a potential neurodevelopmental effect of the premutation. These include grey matter atrophy in lobule VI and modification of white matter tissue property in the corresponding afferent projections through the Middle Cerebellar Peduncles. Diffuse hemispheric white matter lesions that seem to appear closer to the onset of FXTAS and be related to a neurodegenerative phenomenon may mark the imminent onset of FXTAS.