Molecular modeling study of the binding and signaling properties of the TCRpMHC complex

The activation of the specific immune response against tumor cells is based on the recognition by the CD8+ Cytotoxic Τ Lymphocytes (CTL), of antigenic peptides (p) presented at the surface of the cell by the class I major histocompatibility complex (MHC). The ability of the so-called T-Cell Receptors (TCR) to discriminate between self and non-self peptides constitutes the most important specific control mechanism against infected cells. The TCR/pMHC interaction has been the subject of much attention in cancer therapy since the design of the adoptive transfer approach, in which Τ lymphocytes presenting an interesting response against tumor cells are extracted from the patient, expanded in vitro, and reinfused after immunodepletion, possibly leading to cancer regression. In the last decade, major progress has been achieved by the introduction of engineered lypmhocytes. In the meantime, the understanding of the molecular aspects of the TCRpMHC interaction has become essential to guide in vitro and in vivo studies. In 1996, the determination of the first structure of a TCRpMHC complex by X-ray crystallography revealed the molecular basis of the interaction. Since then, molecular modeling techniques have taken advantage of crystal structures to study the conformational space of the complex, and understand the specificity of the recognition of the pMHC by the TCR. In the meantime, experimental techniques used to determine the sequences of TCR that bind to a pMHC complex have been used intensively, leading to the collection of large repertoires of TCR sequences that are specific for a given pMHC. There is a growing need for computational approaches capable of predicting the molecular interactions that occur upon TCR/pMHC binding without relying on the time consuming resolution of a crystal structure. This work presents new approaches to analyze the molecular principles that govern the recognition of the pMHC by the TCR and the subsequent activation of the T-cell. We first introduce TCRep 3D, a new method to model and study the structural properties of TCR repertoires, based on homology and ab initio modeling. We discuss the methodology in details, and demonstrate that it outperforms state of the art modeling methods in predicting relevant TCR conformations. Two successful applications of TCRep 3D that supported experimental studies on TCR repertoires are presented. Second, we present a rigid body study of TCRpMHC complexes that gives a fair insight on the TCR approach towards pMHC. We show that the binding mode of the TCR is correctly described by long-distance interactions. Finally, the last section is dedicated to a detailed analysis of an experimental hydrogen exchange study, which suggests that some regions of the constant domain of the TCR are subject to conformational changes upon binding to the pMHC. We propose a hypothesis of the structural signaling of TCR molecules leading to the activation of the T-cell. It is based on the analysis of correlated motions in the TCRpMHC structure. - L'activation de la réponse immunitaire spécifique dirigée contre les cellules tumorales est basée sur la reconnaissance par les Lymphocytes Τ Cytotoxiques (CTL), d'un peptide antigénique (p) présenté à la suface de la cellule par le complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (MHC). La capacité des récepteurs des lymphocytes (TCR) à distinguer les peptides endogènes des peptides étrangers constitue le mécanisme de contrôle le plus important dirigé contre les cellules infectées. L'interaction entre le TCR et le pMHC est le sujet de beaucoup d'attention dans la thérapie du cancer, depuis la conception de la méthode de transfer adoptif: les lymphocytes capables d'une réponse importante contre les cellules tumorales sont extraits du patient, amplifiés in vitro, et réintroduits après immunosuppression. Il peut en résulter une régression du cancer. Ces dix dernières années, d'importants progrès ont été réalisés grâce à l'introduction de lymphocytes modifiés par génie génétique. En parallèle, la compréhension du TCRpMHC au niveau moléculaire est donc devenue essentielle pour soutenir les études in vitro et in vivo. En 1996, l'obtention de la première structure du complexe TCRpMHC à l'aide de la cristallographie par rayons X a révélé les bases moléculaires de l'interaction. Depuis lors, les techniques de modélisation moléculaire ont exploité les structures expérimentales pour comprendre la spécificité de la reconnaissance du pMHC par le TCR. Dans le même temps, de nouvelles techniques expérimentales permettant de déterminer la séquence de TCR spécifiques envers un pMHC donné, ont été largement exploitées. Ainsi, d'importants répertoires de TCR sont devenus disponibles, et il est plus que jamais nécessaire de développer des approches informatiques capables de prédire les interactions moléculaires qui ont lieu lors de la liaison du TCR au pMHC, et ce sans dépendre systématiquement de la résolution d'une structure cristalline. Ce mémoire présente une nouvelle approche pour analyser les principes moléculaires régissant la reconnaissance du pMHC par le TCR, et l'activation du lymphocyte qui en résulte. Dans un premier temps, nous présentons TCRep 3D, une nouvelle méthode basée sur les modélisations par homologie et ab initio, pour l'étude de propriétés structurales des répertoires de TCR. Le procédé est discuté en détails et comparé à des approches standard. Nous démontrons ainsi que TCRep 3D est le plus performant pour prédire des conformations pertinentes du TCR. Deux applications à des études expérimentales des répertoires TCR sont ensuite présentées. Dans la seconde partie de ce travail nous présentons une étude de complexes TCRpMHC qui donne un aperçu intéressant du mécanisme d'approche du pMHC par le TCR. Finalement, la dernière section se concentre sur l'analyse détaillée d'une étude expérimentale basée sur les échanges deuterium/hydrogène, dont les résultats révèlent que certaines régions clés du domaine constant du TCR sont sujettes à un changement conformationnel lors de la liaison au pMHC. Nous proposons une hypothèse pour la signalisation structurelle des TCR, menant à l'activation du lymphocyte. Celle-ci est basée sur l'analyse des mouvements corrélés observés dans la structure du TCRpMHC.

Revue du traitement chirurgical de la pseudarthrose de la diaphyse fémorale

Ce travail consiste en l'analyse et la revue des différentes prises en charge de la pseudarthrose de la diaphyse fémorale dans un groupe nommé « Echantillon CHUV » formé par 16 patients. Les patients ont tous été opérés au Centre Hospitalier Universitaire Vaudois, CHUV, entre 2008 et 2011 pour cure de pseudarthrose. Une présentation succincte des fractures de la diaphyse fémorale ainsi que de la pseudarthrose de la diaphyse fémorale consiste en la première partie du rapport. La deuxième partie est une revue des cas des patients de l'échantillon CHUV. Des paramètres tels que le mode initial de fracture, la durée effective de la pseudarthrose, le nombre de révisions avant la consolidation ou la répartition des pseudarthroses selon leur type font partie des différents éléments caractéristiques répertoriés puis analysés dans cette revue. 25 cures de pseudarthroses sont effectuées sur les 16 patients. Les techniques de fixations les plus utilisées sont la fixation par plaque après réduction ouverte (ORIF, 64%, 16 cures sur 25) et l'enclouage centromédullaire (24%, 6 cures sur 25). L'utilisation de substituts osseux est très souvent complémentaire à la refixation mécanique lors des cures de pseudarthrose (recours à la greffe osseuse dans 72% des cures). Le taux d'union après la première cure de pseudarthrose s'établit à 63% et il monte à 100% après l'ensemble des cures. Le retour à une fonction adéquate du membre inférieur est obtenu chez 14 des 16 patients (1 patient est traité par arthrodèse du genou sur pseudarthrose du tiers distal de la diaphyse fémorale et 1 patient tétraplégique est traité par résection de la tête et du col fémoral sur pseudarthrose du tiers proximal de la diaphyse fémorale). La revue quantifie la durée de l'invalidité causée par la pseudarthrose de la diaphyse fémorale : la longueur totale du traitement avant union est d'au minimum 12 mois pour 75% des patients. 8 patients sur 16 ont un temps avant union supérieur à 20 mois. La pseudarthrose de la diaphyse fémorale doit être considérée comme une complication grave. La localisation au niveau du fémur réduit voire abolit l'autonomie de marche du patient et limite ses activités de la vie quotidienne. Elle entrave le retour au travail et réduit terriblement la qualité de vie pendant souvent plus d'une année. L'ensemble des symptômes ont un effet dévastateur sur la rééducation et peuvent parfois laisser d'importantes séquelles physiques ou psychologiques sur le long terme. Pour ces raisons, le traitement doit être adapté du mieux possible à la pseudarthrose du patient afin d'augmenter les chances de réussite de la cure.

Troubles emotionnels en médecine de famille ou le visage caché d'une souffrance [Mental disorders in primary care].

Mental disorders (depression, anxiety and somatization) are frequent in Primary care and are often associated to physical complaints and to psychosocial stressors. Mental disorders have in this way a specific presentation and in addition patients may present different associations of them. Sometimes it is difficult to recognize them, but it is important to do so and to take rapidly care of these patients. Specific screening questions exist and have been used in a research of the Institute of General Medicine and the Department of Ambulatory Care and Community Medicine (PMU), University of Lausanne, Switzerland.

Médecine d'urgence [Emergency medicine: updates 2011].

Emergency medicine physicians aim to stabilize or restore vital functions, establish diagnosis, initiate specific treatments and adequately orientate patients. This year, new evidences have improved our knowledge about diagnostic strategy for patients with acute non traumatic headache, treatment of acute atrial fibrillation and outpatient management of acute pulmonary embolism. Reducing injection pain of local anesthetics, reducing irradiation by using alternative diagnostic tools in appendicitis suspicion, and identification of trauma patients who benefit from tranexamic acid administration are other illustrations of the efforts to improve efficacy, safety and comfort in the management of emergency patients.

Le frisson et le baume : souffrantes et soignantes au siècle des Lumières (France, Suisse)

Au siècle des Lumières, les femmes sont exclues des principales professions médicales - à l'exception des sages-femmes - et leurs pratiques sont l'objet de nombreuses critiques de la part des médecins et chirurgiens qui promeuvent leurs propres connaissances sur le corps, soucieux d'acquérir un nouveau statut social, économique et politique. La médicalisation de la société ne se fait pas pour autant contre les femmes, car les plus aisées d'entre elles sont sollicitées comme médiatrices de la nouveauté. Dans ce contexte, cette thèse interroge la réception des ambitions médicales et la place prise par les femmes dans le processus de médicalisation. Les sources sollicitées ne sont pas celles qui sont produites par les soignants, afin de prendre de la distance avec leur discours normatif et professionnel, mais celles qui ressortent de l'intime : journaux et mémoires, correspondances et livres de raison, recueils de recettes féminins. Il s'agit ainsi de composer une histoire des souffrantes et des soignantes à partir de discours « de » femmes et non « sur » les femmes, à l'intersection de l'histoire socio¬culturelle de la médecine, de l'histoire des femmes et de celle du genre. Ceci limite l'analyse aux lettrées, membres de la noblesse ou de la haute bourgeoisie, française et helvétique en l'occurrence. Les savoirs féminins sont au coeur de l'analyse à travers la définition des lieux d'apprentissage du corps et des représentations corporelles que leurs écrits mettent en scène. Les pratiques de soin féminines sont également étudiées, en dissociant le soin de soi -incluant aussi bien l'automédication, le recours aux thérapeutes que l'influence de la parenté dans la gestion de la santé et de la maternité - du soin d'autrui qui se rapporte aux corps sur lesquels les femmes exercent leur pouvoir de soin et à leurs manières de soigner.

Evaluation de l'activité fonctionnelle des membres supérieurs chez des patients atteints de maladies neuromusculaires par mesures cinématiques (Physilog®)

Contexte :¦Les affections neuromusculaires sont des maladies rares, le plus souvent d'origine génétique et dont le degré de sévérité est variable. Certaines sont progressives et conduisent à une perte de l'indépendance motrice et à une insuffisance respiratoire, tandis que d'autres permettent une vie proche de la normale.¦Les progrès des connaissances en génétique moléculaire ont permis d'améliorer significativement la connaissance des mécanismes physiopathologiques de ces maladies et ont également ouverts la voie à de nouvelles possibilités thérapeutiques. Concernant les maladies les plus graves, le but premier de ces thérapies sera de tenter de préserver la marche indépendante le plus longtemps possible. Toutefois, les patients ayant déjà perdu la marche et qui dépendent de la fonction de leur membres supérieurs pour garder une certaine indépendance devront également pouvoir être inclus dans des essais thérapeutiques et bénéficier des traitements reconnus efficaces.¦De nouveaux moyens de mesure de la fonction motrice des membres supérieurs doivent être développés non seulement dans la perspective de ces éventuels essais thérapeutiques pour ces patients limités à la chaise roulante, mais également dans le but de pouvoir évaluer plus précisément l'histoire naturelle des maladies même après la perte de la marche indépendante.¦Objectifs:¦Evaluer la fonction motrice des membres supérieurs chez des patients myopathes ayant perdu la marche indépendante par mesure cinématique.¦Méthode :¦Mesure de l'activité des membres supérieurs et le profil de cette activité par mesure cinématique (Physilog) chez:¦-Vingt-cinq patients atteints d'une myopathie en chaise roulante.¦-Vingt-cinq sujets contrôle assis¦Ces mesures seront comparées aux scores obtenus à l'échelle de Mesure de Fonction Motrice (Bérard et al, 2005) et plus précisément à l'axe D3 de cette échelle qui évalue les fonctions distales.¦Les patients seront vus à deux reprises pour une période de deux fois deux heures pendant laquelle ils porteront le Physilog. Il leur sera demandé d'effectuer une série d'exercices afin d'évaluer la fonction motrice des membres supérieurs (manger un yaourt avec une cuillère, verser un verre d'eau et le boire, se toucher selon les possibilités la tête, le front, la bouche, le cou, jouer à la console Wii) Le score de Brooke sera également testé. Chaque exercice sera répété plusieurs fois afin de d'assurer de la qualité des résultats.¦Système portable Physilog :¦Physilog est un système de mesure ambulatoire. La version utilisée dans cette étude est composée de 2 capteurs miniatures et d'une unité numérique portable légère (~215 g), qui filtre, amplifie et sauvegarde les signaux fournis par les capteurs sur une carte mémoire (Physilog-BioAGM, CH).¦Afin de pouvoir enregistrer l'activité des deux membres supérieurs, deux appareils Physilog (4 capteurs) seront utilisés par patient. Deux capteurs seront fixés sur chaque membre supérieur. Les capteurs sont fixés sur la peau à l'aide d'une bande autocollante.¦Les capteurs mis au point par le LMAM (laboratoire de mesure et d'analyse du mouvement) mesurent la rotation angulaire et l'accélération au niveau des membres supérieurs. L'algorithme utilisé dans cette étude a été développé dans le laboratoire LMAM à l'EPFL et a fait l'objet d'une thèse.¦Résultats escomptés :¦Les résultats de l'étude pilote montrent que le Physilog permet de quantifier de manière fiable et reproductible la fonction des membres supérieurs durant des activités courantes de la vie quotidienne et pourrait donc devenir un moyen d'évaluation fiable des nouveaux traitements.

Canine distemper virus : persistence and pathology in the central nervous system

Résumé : Le virus de la maladie de Carré (en anglais: canine distemper virus, CDV) qui est pathogène pour les chiens et autres carnivores, est très semblable au virus de la rougeole humaine (en anglais MV). Ces deux virus font partie du genre des Morbillivirus qui appartient à la famille des Paramyxoviridae. Ils induisent des complications dans le système nerveux central (SNC). Au stade précoce et aigu de l'infection du SNC, le CDV induit une démyélinisation (1). Ce stade évolue dans certains cas vers une infection chronique avec progression de la démyélinisation. Pendant le stade précoce, qui suit en général de trois semaines les premiers symptômes, le processus de démyélinisation est associé à la réplication du virus et n'est pas considéré comme inflammatoire (1). Par contre, au stade chronique, la progression des plaques de démyélinisation semble être plutôt liée à des processus immunogènes caractéristiques (2), retrouvés également dans la sclérose en plaques (SEP) chez les humains. Pour cette raison, le CDV est considéré comme un modèle pour la SEP humaine et aussi pour l'étude des maladies et complications induites par les Morbillivirus en général (3). Dans notre laboratoire, nous avons utilisé la souche A75/17-CDV, qui est considérée comme le modèle des souches neurovirulentes de CDV. Nous avons cherché en premier lieu à établir un système robuste pour infecter des cultures neuronales avec le CDV. Nous avons choisi les cultures primaires de l'hippocampe du nouveau-né de rat (4), que nous avons ensuite infecté avec une version modifiée du A75/17, appelée rgA75/17-V (5). Dans ces cultures, nous avons prouvé que le CDV infecte des neurones et des astrocytes. Malgré une infection qui se diffuse lentement entre les cellules, cette infection cause une mort massive aussi bien des neurones infectés que non infectés. En parallèle, les astrocytes perdent leur morphologie de type étoilé pour un type polygonal. Finalment, nous avons trouvé une augmentation importante de la concentration en glutamate dans le milieu de culture, qui laisse présumer une sécrétion de glutamate par les cultures infectées (6). Nous avons ensuite étudié le mécanisme des effets cytopathiques induits par le CDV. Nous avons d'abord démontré que les glycoprotéines de surface F et H du CDV s'accumulent massivement dans le réticulum endoplasmique (RE). Cette accumulation déclenche un stress du RE, qui est caractérisé par une forte expression du facteur de transcription proapoptotique CHOP/GADD 153 et de le la calreticuline (CRT). La CRT est une protéine chaperonne localisée dans le RE et impliquée dans l'homéostasie du calcium (Ca2+) et dans le repliement des protéines. En transfectant des cellules de Vero avec des plasmides codant pour plusieurs mutants de la glycoprotéine F de CDV, nous avons démontré une corrélation entre l'accumulation des protéines virales dans le RE et l'augmentation de l'expression de CRT, le stress du RE et la perte de l'homéostasie du Ca2+. Nous avons obtenu des résultats semblables avec des cultures de cellules primaires de cerveau de rat. Ces résultats suggèrent que la CRT joue un rôle crucial dans les phénomènes neurodégénératifs pendant l'infection du SNC, notamment par le relazgage du glutamate via le Ca2+. De manière intéressante, nous démontrons également que l'infection de CDV induit une fragmentation atypique de la CRT. Cette fragmentation induit une re-localisation et une exposition sélective de fragments amino-terminaux de la CRT, connus pour êtres fortement immunogènes à la surface des cellules infectées et non infectées. A partir de ce résultat et des résultats précédents, nous proposons le mécanisme suivant: après l'infection par le CDV, la rétention dans le RE des protéines F et H provoque un stress du RE et une perte de l'homéostasie du Ca2+. Ceci induit la libération du glutamate, qui cause une dégénération rapide du SNC (sur plusieurs jours ou semaines) correspondant à la phase aiguë de la maladie chez le chien. En revanche, les fragments amino-terminaux de la CRT libérés à la surface des cellules infectées peuvent avoir un rôle important dans l'établissement d'une démyélinisation d'origine immunogène, typique de la phase chronique de l'infection de CDV. Summary : The dog pathogen canine distemper virus (CDV), closely related to the human pathogen measles virus (MV), belongs to the Morbillivirus genus of the Paramyxoviridae family. Both CDV and NIV induce complications in the central nervous system (CNS). In the acute early stage of the infection in CNS, the CDV infection induces demyelination. This stage is sometimes followed by a late persistent stage of infection with a progression of the demyelinating lesions (1). The acute early stage occurs around three weeks after the infection and demyelinating processes are associated with active virus replication and are not associated to inflammation (1). In contrast during late persistent stage, the demyelination plaque progression seems to be mainly due to an immunopathological process (2), which characteristics are shared in many aspects with the human disease multiple sclerosis (MS). For these reasons, CDV is considered as a model for human multiple sclerosis, as well as for the study of Morbillivirus-mediated pathogenesis (3). In our laboratory, we used the A75/17-CDV strain that is considered to be the prototype of neurovirulent CDV strain. We first sought to establish a well characterized and robust model for CDV infection of a neuronal culture. We chose primary cultures from newborn rat hippocampes (4) that we infected with a modified version of A75/17, called rgA75/17-V (5). In these cultures, we showed that CDV infects both neurons and astrocytes. While the infection spreads only slowly to neighbouring cells, it causes a massive death of neurons, which includes also non-infected neurons. In parallel, astrocytes undergo morphological changes from the stellate type to the polygonal type. The pharmacological blocking of the glutamate receptors revealed an implication of glutamatergic signalling in the virus-mediated cytopathic effect. Finally, we found a drastic increase concentration of glutamate in the culture medium, suggesting that glutamate was released from the cultured cells (6). We further studied the mechanism of the CDV-induced cytopathic effects. We first demonstrated that the CDV surface glycoprotein F and H markedly accumulate in the endoplasmic reticulum (ER). This accumulation triggers an ER stress, which is characterized by increased expression of the proapoptotic transcription factor CHOP/GADD 153 and calreticulin (CRT). CRT is an ER resident chaperon involved in the Ca2+ homeostasis and in the response to misfolded proteins. Transfections of Vero cells with plasmids encoding various CDV glycoprotein mutants reveal a correlation between accumulation of viral proteins in the ER, CRT overexpression, ER stress and alteration of ER Ca2+ homeostasis. Importantly, similar results are also obtained in primary cell cultures from rat brain. These results suggest that CRT plays a crucial role in CNS infection, particularly due to CRT involvement in Ca2+ mediated glutamate releases, and subsequent neurodegenerative disorders. Very intriguingly, we also demonstrated that CDV infection induces an atypical CRT fragmentation, with relocalisation and selective exposure of the highly immunogenic CRT N-terminal fragments at the surface of infected and neighbouring non-infected cells. Altogether our results combined with previous findings suggest the following scenario. After CDV infection, F and H retention alter Ca2+ homeostasis, and induce glutamate release, which in turn causes rapid CNS degeneration (within days or a week) corresponding to the acute phase of the disease in dogs. In contrast, the CRT N-terminal fragments released at the surface of infected cells may rather have an important role in the establishment of the autoimmune demyelination in the late stage of CDV infection.

Anemia and chronic kidney disease are potential risk factors for mortality in stroke patients : a historic cohort study

Rapport de synthèseApproche et objectifL'objectif de la recherche était de préciser les relations existant entre l'insuffisance rénale chronique, l'anémie et l'accident vasculaire cérébral parmi des patients hospitalisés au Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) pour un accident vasculaire cérébral (AVC). Les auteurs ont déterminé la prévalence de l'anémie et de l'insuffisance rénale chronique parmi ces patients et examiné s'ils sont des facteurs de risque indépendants de la mortalité suite à un AVC.L'insuffisance rénale chronique est associée à un risque élevé de développer un AVC. L'anémie est une complication et une conséquence fréquente qui découle de l'insuffisance rénale chronique et est également un facteur de risque pour les maladies cérébro- et cardiovasculaires.MéthodeLa présente étude de cohorte rétrospective se base sur le registre des AVC du CHUV et inclut tous les patients traités suite à un premier AVC au service de neurologie du CHUV entre les années 2000 et 2003.Les variables utilisées pour l'analyse sont les caractéristiques démographiques, l'insuffisance rénale chronique, le débit de filtration glomérulaire.(GFR), l'anémie et d'autres facteurs de risque d'AVC. Ils ont été récoltés au moyen du système informatique du laboratoire du CHUV, d'entretiens téléphoniques (patients ou proches) et du registre des AVC du CHUV.L'insuffisance rénale chronique a été calculée sur base de la ,,Kidney Disease Outcomes Quality Initiative (K/DOQI)-CKD Classification", laquelle est divisée en cinq stades. L'anémie a été définie par une hémoglobine de < 120g/L pour les femmes et < 130g/L pour les hommes.Les analyses statistiques réalisées sont des tests Chi-carré, des tests de Τ ainsi que des courbes de Kaplan-Meier et le modèle de régression de Cox.RésultatsParmi 890 patients adultes avec un AVC, le GFR moyen était de 64.3 ml/min/1.73 m2, 17% souffraient d'anémie et 10% sont décédés pendant la première année après la sortie de l'hôpital, suite à l'"AVC index". Parmi ceux-ci, 61% avaient une insuffisance rénale chronique de stade 3-5 et 39% de stade 1 ou 2 selon les critères de K/DOQI.D'autre part un taux d'hémoglobine élevé a pu être associé à un risque moins élevé de mortalité un an après la sortie de l'hôpital.Conclusion et perspectiveNous avons constaté que l'anémie ainsi que l'insuffisance rénale chronique sont fréquents parmi les patients souffrant d'un AVC et qu'ils sont des facteurs de risque d'un taux de mortalité élevé après un an. En conséquence, il pourrait être utile de traiter les patients souffrant d'anémie et d'insuffisance rénale dès que possible afin de diminuer les complications et comorbidités résultants de ces maladies.La perspective est de rendre les cliniciens attentif à l'importance de l'insuffisance rénale et de l'anémie parmi les patients ayants développé un AVC, ainsi que d'initier le traitement approprié afin de diminuer les complications, les comorbidités ainsi que les récidives d'un AVC. L'efficacité et l'économicité des interventions visant à améliorer le pronostic chez les patients présentant un AVC et souffrant d'une insuffisance rénale chronique et / ou d'une anémie doivent être évaluées par des études appropriées.

Unfolding nature "in silico" : overcoming practical and metodological limitations of species distribution models

Abstract : The existence of a causal relationship between the spatial distribution of living organisms and their environment, in particular climate, has been long recognized and is the central principle of biogeography. In turn, this recognition has led scientists to the idea of using the climatic, topographic, edaphic and biotic characteristics of the environment to predict its potential suitability for a given species or biological community. In this thesis, my objective is to contribute to the development of methodological improvements in the field of species distribution modeling. More precisely, the objectives are to propose solutions to overcome limitations of species distribution models when applied to conservation biology issues, or when .used as an assessment tool of the potential impacts of global change. The first objective of my thesis is to contribute to evidence the potential of species distribution models for conservation-related applications. I present a methodology to generate pseudo-absences in order to overcome the frequent lack of reliable absence data. I also demonstrate, both theoretically (simulation-based) and practically (field-based), how species distribution models can be successfully used to model and sample rare species. Overall, the results of this first part of the thesis demonstrate the strong potential of species distribution models as a tool for practical applications in conservation biology. The second objective this thesis is to contribute to improve .projections of potential climate change impacts on species distributions, and in particular for mountain flora. I develop and a dynamic model, MIGCLIM, that allows the implementation of dispersal limitations into classic species distribution models and present an application of this model to two virtual species. Given that accounting for dispersal limitations requires information on seed dispersal, distances, a general methodology to classify species into broad dispersal types is also developed. Finally, the M~GCLIM model is applied to a large number of species in a study area of the western Swiss Alps. Overall, the results indicate that while dispersal limitations can have an important impact on the outcome of future projections of species distributions under climate change scenarios, estimating species threat levels (e.g. species extinction rates) for a mountainous areas of limited size (i.e. regional scale) can also be successfully achieved when considering dispersal as unlimited (i.e. ignoring dispersal limitations, which is easier from a practical point of view). Finally, I present the largest fine scale assessment of potential climate change impacts on mountain vegetation that has been carried-out to date. This assessment involves vegetation from 12 study areas distributed across all major western and central European mountain ranges. The results highlight that some mountain ranges (the Pyrenees and the Austrian Alps) are expected to be more affected by climate change than others (Norway and the Scottish Highlands). The results I obtain in this study also indicate that the threat levels projected by fine scale models are less severe than those derived from coarse scale models. This result suggests that some species could persist in small refugias that are not detected by coarse scale models. Résumé : L'existence d'une relation causale entre la répartition des espèces animales et végétales et leur environnement, en particulier le climat, a été mis en évidence depuis longtemps et est un des principes centraux en biogéographie. Ce lien a naturellement conduit à l'idée d'utiliser les caractéristiques climatiques, topographiques, édaphiques et biotiques de l'environnement afin d'en prédire la qualité pour une espèce ou une communauté. Dans ce travail de thèse, mon objectif est de contribuer au développement d'améliorations méthodologiques dans le domaine de la modélisation de la distribution d'espèces dans le paysage. Plus précisément, les objectifs sont de proposer des solutions afin de surmonter certaines limitations des modèles de distribution d'espèces dans des applications pratiques de biologie de la conservation ou dans leur utilisation pour évaluer l'impact potentiel des changements climatiques sur l'environnement. Le premier objectif majeur de mon travail est de contribuer à démontrer le potentiel des modèles de distribution d'espèces pour des applications pratiques en biologie de la conservation. Je propose une méthode pour générer des pseudo-absences qui permet de surmonter le problème récurent du manque de données d'absences fiables. Je démontre aussi, de manière théorique (par simulation) et pratique (par échantillonnage de terrain), comment les modèles de distribution d'espèces peuvent être utilisés pour modéliser et améliorer l'échantillonnage des espèces rares. Ces résultats démontrent le potentiel des modèles de distribution d'espèces comme outils pour des applications de biologie de la conservation. Le deuxième objectif majeur de ce travail est de contribuer à améliorer les projections d'impacts potentiels des changements climatiques sur la flore, en particulier dans les zones de montagnes. Je développe un modèle dynamique de distribution appelé MigClim qui permet de tenir compte des limitations de dispersion dans les projections futures de distribution potentielle d'espèces, et teste son application sur deux espèces virtuelles. Vu que le fait de prendre en compte les limitations dues à la dispersion demande des données supplémentaires importantes (p.ex. la distance de dispersion des graines), ce travail propose aussi une méthode de classification simplifiée des espèces végétales dans de grands "types de disperseurs", ce qui permet ainsi de d'obtenir de bonnes approximations de distances de dispersions pour un grand nombre d'espèces. Finalement, j'applique aussi le modèle MIGCLIM à un grand nombre d'espèces de plantes dans une zone d'études des pré-Alpes vaudoises. Les résultats montrent que les limitations de dispersion peuvent avoir un impact considérable sur la distribution potentielle d'espèces prédites sous des scénarios de changements climatiques. Cependant, quand les modèles sont utilisés pour évaluer les taux d'extinction d'espèces dans des zones de montages de taille limitée (évaluation régionale), il est aussi possible d'obtenir de bonnes approximations en considérant la dispersion des espèces comme illimitée, ce qui est nettement plus simple d'un point dé vue pratique. Pour terminer je présente la plus grande évaluation à fine échelle d'impact potentiel des changements climatiques sur la flore des montagnes conduite à ce jour. Cette évaluation englobe 12 zones d'études réparties sur toutes les chaines de montages principales d'Europe occidentale et centrale. Les résultats montrent que certaines chaines de montagnes (les Pyrénées et les Alpes Autrichiennes) sont projetées comme plus sensibles aux changements climatiques que d'autres (les Alpes Scandinaves et les Highlands d'Ecosse). Les résultats obtenus montrent aussi que les modèles à échelle fine projettent des impacts de changement climatiques (p. ex. taux d'extinction d'espèces) moins sévères que les modèles à échelle large. Cela laisse supposer que les modèles a échelle fine sont capables de modéliser des micro-niches climatiques non-détectées par les modèles à échelle large.