The role of the Estrogen-Responsive B box protein in skin morphogenesis, wound repair and skin disease

SUMMARY: EBBP is a poorly characterized member of the RBCC/TRIM family (RING finger B-box coiled-coilltripartite motif). It is ubiquitously expressed, but particularly high levels are found in keratinocytes. There is evidence that EBBP is involved in inflammatory processes, since it can interact with pro-interleukin-1 ß (prolL-1 ß) in human macrophages and keratinocytes, and its downregulation results in reduced secretion of IL-1 ß. IL-1ß activation and secretion requires the proteolytic cleavage of prolL-1ß by caspase-1, which in turn is actìvated by a protein complex called the inflammasome. As it has been demonstrated that EBBP can bind two different proteins of the inflammasome (NALP-1 and caspase 1), we assumed that EBBP plays a role in the regulation of inflammation and that the inflammasome, which has as yet only been described in ínflammatory cells, may also exist in keratinocytes. Indeed, I could show in my thesis that the inflammasome components are expressed in human keratinócytes at the RNA and protein level and also in vivo in human epidermis. After irradiation with a physiological dose of UVB, keratinocytes activated prolL-1ß and secreted prolL-1 a, IL-1 ß, prolL-18 and inflammasome proteins, although all these proteins lack a classical signal peptide. The secretion was dependent on caspase-1 activity, but not on de novo protein synthesis. Knock-down of NALP1 and -3, caspase-1 and -5, EBBP and Asc strongly reduced the secretion of IL-1 ß, demonstrating that also in keratinocytes inflammasome proteins are directly involved in maturation of this cytokine. These results demonstrate for the first time the presence of an active inflammasome in non-professional immune cells. Moreover, they show that UV irradiation is a stimulus for inflammasome activation in keratinocytes. For the analysis of the ín vivo functions of EBBP, transgenic mice overexpressing EBBP in the epidermis were generated. To examine the influence of EBBP overexpression on inflammatory processes, we subjected the mice to different challenges, which induce inflammation. Wound-healing, UVB irradiation and delayed hypersensitivity were tested, but we did not observe any phenotype in the K14-EBBP mice. Besides, a conditional ebbp knockout mouse has been obtained, which will allow to determine the effects of EBBP gene deletion in different tissues and organs. RESUME: EBBP est un membre encore mal connu de la famille des RBCC/TRIM (RING finger B-box coiled-coil/tripartite motif). Il est exprimé de manière ubiquitaire, et en particulier dans les kératinocytes. EBBP étant capable d'interagir avec la prointerleukine-1 ß (prolL-1 ß) dans les macrophages et les kératinocytes humains et de réguler la sécrétion de l'IL-1 ß, il est très probable que cette protéine est impliquée dans l'inflammation. L'activation et la sécrétion de l'IL-1 ß requièrent le clivage protéolytique de son précurseur prolL-1ß par la caspase-1, qui est elle-même activée par un complexe protéique appelé l'inflammasome. Comme il a été démontré qu'EBBP peut lier deux protéines de l'inflammasome (NALP-1 et caspase-1), nous avons émis l'hypothèse qu'EBBP joue un rôle dans la régulation de l'inflammation et que l'inflammasome, jusqu'ici décrit exclusivement dans des cellules inflammatoires, existe dans les kératinocytes. En effet, j'ai pu montrer dans ma thèse que les composants de l'inflammasome sont exprimés dans les kératinocytes humains ainsi que in vivo dans l'épiderme humain. Après irradiation avec une dose, physiologique d'UVB, les kératinocytes activent la prolL-1 ß et sécrètent la prolL-1a, l'IL-1 ß, la prolL-18 et des protéines de l'inflammasome, bien que toutes ces protéines soient dépourvues de peptide signal. La sécrétion dépend de la caspase-1 mais pas de la synthèse protéique de novo. Le knock-down de NALP-1 et -3, des caspase-1 et -5, d'EBBP et d'Asc réduit de manière marquée la sécrétion d'IL-1 ß, démontrant que dans les kératinocytes également, les protéines de l'inflammasome sont impliquées directement dans la maturation de cette cytokine. Ces résultats démontrent pour la première fois la présence d'un inflammasome actif dans des cellules immunitaires non professionnelles. De plus, ils montrent que l'irradiation aux UV est un stimulus pour l'activation de l'inflammasome dans les kératinocytes. Pour l'analyse des fonctions d'EBBP in vivo, nous avons généré des souris transgéniques qui surexpriment EBBP dans l'épiderme. En vue d'examiner l'influence de la surexpression d'EBBP sur le processus inflammatoire, nous avons soumis ces souris à differents modèles d'inflammation. Nous avons testé cicatrisation, UVB et hypersensibilité retardée, mais n'avons pas observé de phénotype chez les souris transgéniques. En parallèle, nous avons également généré des souris knock-out pour ebbp qui devraient nous permettre de déterminer les effets de la suppression d'EBBP dans différents tissus et organes.

Les symbioses agro-industrielles en Afrique de l'Ouest : évaluation du potentiel d'une nouvelle stratégie pour un développement durable

RésuméCette thèse traite de l'utilisation des concepts de Symbiose Industrielle dans les pays en développement et étudie le potentiel de cette stratégie pour stimuler un développement régional durable dans les zones rurales d'Afrique de l'Ouest. En particulier, lorsqu'une Symbiose Industrielle est instaurée entre une usine et sa population alentour, des outils d'évaluation sont nécessaires pour garantir que le projet permette d'atteindre un réel développement durable. Les outils existants, développés dans les pays industrialisés, ne sont cependant pas complètement adaptés pour l'évaluation de projets dans les pays en développement. En effet, les outils sont porteurs d'hypothèses implicites propres au contexte socio-économique dans lequel ils ont été conçus.L'objectif de cette thèse est de développer un cadre méthodologique pour l'évaluation de la durabilité de projets de Symbiose Industrielle dans les pays en développement.Pour ce faire, je m'appuie sur une étude de cas de la mise en place d'une Symbiose Industrielle au nord du Nigéria, à laquelle j'ai participé en tant qu'observatrice dès 2007. AshakaCem, une usine productrice de ciment du groupe Lafarge, doit faire face à de nombreuses tensions avec la population rurale alentour. L'entreprise a donc décidé d'adopter une nouvelle méthode inspirée des concepts de Symbiose Industrielle. Le projet consiste à remplacer jusqu'à 10% du carburant fossile utilisé pour la cuisson de la matière crue (calcaire et additifs) par de la biomasse produite par les paysans locaux. Pour ne pas compromettre la fragile sécurité alimentaire régionale, des techniques de lutte contre l'érosion et de fertilisation naturelle des sols sont enseignées aux paysans, qui peuvent ainsi utiliser la culture de biomasse pour améliorer leurs cultures vivrières. A travers cette Symbiose Industrielle, l'entreprise poursuit des objectifs sociaux (poser les bases nécessaires à un développement régional), mais également environnementaux (réduire ses émissions de CO2 globales) et économiques (réduire ses coûts énergétiques). Elle s'ancre ainsi dans une perspective de développement durable qui est conditionnelle à la réalisation du projet.A travers l'observation de cette Symbiose et par la connaissance des outils existants je constate qu'une évaluation de la durabilité de projets dans les pays en développement nécessite l'utilisation de critères d'évaluation propres à chaque projet. En effet, dans ce contexte, l'emploi de critères génériques apporte une évaluation trop éloignée des besoins et de la réalité locale. C'est pourquoi, en m'inspirant des outils internationalement reconnus comme l'Analyse du Cycle de Vie ou la Global Reporting Initiative, je définis dans cette thèse un cadre méthodologique qui peut, lui, être identique pour tous les projets. Cette stratégie suit six étapes, qui se réalisent de manière itérative pour permettre une auto¬amélioration de la méthodologie d'évaluation et du projet lui-même. Au cours de ces étapes, les besoins et objectifs en termes sociaux, économiques et environnementaux des différents acteurs sont déterminés, puis regroupés, hiérarchisés et formulés sous forme de critères à évaluer. Des indicateurs quantitatifs ou qualitatifs sont ensuite définis pour chacun de ces critères. Une des spécificités de cette stratégie est de définir une échelle d'évaluation en cinq graduations, identique pour chaque indicateur, témoignant d'un objectif totalement atteint (++) ou pas du tout atteint (--).L'application de ce cadre méthodologique à la Symbiose nigériane a permis de déterminer quatre critères économiques, quatre critères socio-économiques et six critères environnementaux à évaluer. Pour les caractériser, 22 indicateurs ont été définis. L'évaluation de ces indicateurs a permis de montrer que le projet élaboré atteint les objectifs de durabilité fixés pour la majorité des critères. Quatre indicateurs ont un résultat neutre (0), et un cinquième montre qu'un critère n'est pas atteint (--). Ces résultats s'expliquent par le fait que le projet n'en est encore qu'à sa phase pilote et n'a donc pas encore atteint la taille et la diffusion optimales. Un suivi sur plusieurs années permettra de garantir que ces manques seront comblés.Le cadre méthodologique que j'ai développé dans cette thèse est un outil d'évaluation participatif qui pourra être utilisé dans un contexte plus large que celui des pays en développement. Son caractère générique en fait un très bon outil pour la définition de critères et indicateurs de suivi de projet en terme de développement durable.SummaryThis thesis examines the use of industrial symbiosis in developing countries and studies its potential to stimulate sustainable regional development in rural areas across Western Africa. In particular, when industrial symbiosis is instituted between a factory and the surrounding population, evaluation tools are required to ensure the project achieves truly sustainable development. Existing tools developed in industrialized countries are not entirely suited to assessing projects in developing countries. Indeed, the implicit hypotheses behind such tools reflect the socioeconomic context in which they were designed. The goal of this thesis is to develop a methodological framework for evaluating the sustainability of industrial symbiosis projects in developing countries.To accomplish this, I followed a case study about the implementation of industrial symbiosis in northern Nigeria by participating as an observer since 2007. AshakaCem, a cement works of Lafarge group, must confront many issues associated with violence committed by the local rural population. Thus, the company decided to adopt a new approach inspired by the concepts of industrial symbiosis.The project involves replacing up to 10% of the fossil fuel used to heat limestone with biomass produced by local farmers. To avoid jeopardizing the fragile security of regional food supplies, farmers are taught ways to combat erosion and naturally fertilize the soil. They can then use biomass cultivation to improve their subsistence crops. Through this industrial symbiosis, AshakaCem follows social objectives (to lay the necessary foundations for regional development), but also environmental ones (to reduce its overall CO2 emissions) and economical ones (to reduce its energy costs). The company is firmly rooted in a view of sustainable development that is conditional upon the project's execution.By observing this symbiosis and by being familiar with existing tools, I note that assessing the sustainability of projects in developing countries requires using evaluation criteria that are specific to each project. Indeed, using generic criteria results in an assessment that is too far removed from what is needed and from the local reality. Thus, by drawing inspiration from such internationally known tools as Life Cycle Analysis and the Global Reporting Initiative, I define a generic methodological framework for the participative establishment of an evaluation methodology specific to each project.The strategy follows six phases that are fulfilled iteratively so as to improve the evaluation methodology and the project itself as it moves forward. During these phases, the social, economic, and environmental needs and objectives of the stakeholders are identified, grouped, ranked, and expressed as criteria for evaluation. Quantitative or qualitative indicators are then defined for each of these criteria. One of the characteristics of this strategy is to define a five-point evaluation scale, the same for each indicator, to reflect a goal that was completely reached (++) or not reached at all (--).Applying the methodological framework to the Nigerian symbiosis yielded four economic criteria, four socioeconomic criteria, and six environmental criteria to assess. A total of 22 indicators were defined to characterize the criteria. Evaluating these indicators made it possible to show that the project meets the sustainability goals set for the majority of criteria. Four indicators had a neutral result (0); a fifth showed that one criterion had not been met (--). These results can be explained by the fact that the project is still only in its pilot phase and, therefore, still has not reached its optimum size and scope. Following up over several years will make it possible to ensure these gaps will be filled.The methodological framework presented in this thesis is a highly effective tool that can be used in a broader context than developing countries. Its generic nature makes it a very good tool for defining criteria and follow-up indicators for sustainable development.

Annotating the human genome

2 Abstract2.1 En françaisLe séquençage du génome humain est un pré-requis fondamental à la compréhension de la biologie de l'être humain. Ce projet achevé, les scientifiques ont dû faire face à une tâche aussi importante, comprendre cette suite de 3 milliards de lettres qui compose notre génome. Le consortium ENCODE (ENCyclopedia Of Dna Elements) fût formé comme une suite logique au projet du génome humain. Son rôle est d'identifier tous les éléments fonctionnels de notre génome incluant les régions transcrites, les sites d'attachement des facteurs de transcription, les sites hypersensibles à la DNAse I ainsi que les marqueurs de modification des histones. Dans le cadre de ma thèse doctorale, j'ai participé à 2 sous-projets d'ENCODE. En premier lieu, j'ai eu la tâche de développer et d'optimiser une technique de validation expérimentale à haut rendement de modèles de gènes qui m'a permis d'estimer la qualité de la plus récente annotation manuelle. Ce nouveau processus de validation est bien plus efficace que la technique RNAseq qui est actuellement en train de devenir la norme. Cette technique basée sur la RT-PCR, m'a notamment permis de découvrir de nouveaux exons dans 10% des régions interrogées. En second lieu j'ai participé à une étude ayant pour but d'identifier les extrémités de tous les gènes des chromosomes humains 21 et 22. Cette étude à permis l'identification à large échelle de transcrits chimères comportant des séquences provenant de deux gènes distincts pouvant être à une grande distance l'un de autre.2.2 In EnglishThe completion of the human genome sequence js the prerequisite to fully understand the biology of human beings. This project achieved, scientists had to face another challenging task, understanding the meaning of the 3 billion letters composing this genome. As a logical continuation of the human genome project, the ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements) consortium was formed with the aim of annotating all its functional elements. These elements include transcribed regions, transcription binding sites, DNAse I hypersensitive sites and histone modification marks. In the frame of my PhD thesis, I was involved in two sub-projects of ENCODE. Firstly I developed and optimized an high throughput method to validate gene models, which allowed me to assess the quality of the most recent manually-curated annotation. This novel experimental validation pipeline is extremely effective, far more so than transcriptome profiling through RNA sequencing, which is becoming the norm. This RT-PCR-seq targeted-approach is likewise particularly efficient in identifying novel exons, as we discovered about 10% of loci with unannotated exons. Secondly, I participated to a study aiming to identify the gene boundaries of all genes in the human chromosome 21 and 22. This study led to the identification of chimeric transcripts that are composed of sequences coming form two distinct genes that can be map far away from each other.

Controlled study of 50-Hz repetitive transcranial magnetic stimulation for the treatment of Parkinson disease.

OBJECTIVE: To investigate the safety and efficacy of 50-Hz repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) in the treatment of motor symptoms in Parkinson disease (PD). BACKGROUND: Progression of PD is characterized by the emergence of motor deficits that gradually respond less to dopaminergic therapy. rTMS has shown promising results in improving gait, a major cause of disability, and may provide a therapeutic alternative. Prior controlled studies suggest that an increase in stimulation frequency might enhance therapeutic efficacy. METHODS: In this randomized, double blind, sham-controlled study, the authors investigated the safety and efficacy of 50-Hz rTMS of the motor cortices in 8 sessions over 2 weeks. Assessment of safety and clinical efficacy over a 1-month period included timed tests of gait and bradykinesia, Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS), and additional clinical, neurophysiological, and neuropsychological parameters. In addition, the safety of 50-Hz rTMS was tested with electromyography-electroencephalogram (EMG-EEG) monitoring during and after stimulation. RESULTS: The authors investigated 26 patients with mild to moderate PD: 13 received 50-Hz rTMS and 13 sham stimulation. The 50-Hz rTMS did not improve gait, bradykinesia, and global and motor UPDRS, but there appeared a short-lived "on"-state improvement in activities of daily living (UPDRS II). The 50-Hz rTMS lengthened the cortical silent period, but other neurophysiological and neuropsychological measures remained unchanged. EMG/EEG recorded no pathological increase of cortical excitability or epileptic activity. There were no adverse effects. CONCLUSION: It appears that 50-Hz rTMS of the motor cortices is safe, but it fails to improve motor performance and functional status in PD. Prolonged stimulation or other techniques with rTMS might be more efficacious but need to be established in future research.

L'exégèse et l'air du temps

La théologie est-elle une science ? Ce débat n'est pas nouveau, et il accompagne les différentes disciplines de la théologie au moins depuis le siècle des Lumières. Dans la discussion actuelle, par exemple entre théologie et sciences religieuses, les disciplines théologiques qui apparaissent souvent comme les plus "scientifiques" sont les sciences bibliques et l'histoire du christianisme. Il ne fait à mon avis aucun doute qu'il s'agit là des disciplines qui posent le moins problème pour une position qu'on pourrait qualifier de "laïque". Et cependant, ce serait un leurre de croire que ces méthodes sont exemptes de présuppositions théologiques ou idéologiques. Je n'ai pas l'intention d'entrer ici dans le débat sur le problème de l'objectivité de la science, faute de temps et de compétence. J'aimerais plus modestement montrer, à partir de l'exégèse de la Bible hébraïque, l'interconnexion - pas toujours consciente - entre certains modèles exégétiques et les options idéologiques des savants qui défendent ou promeuvent ces modèles.

Vivere con la morte

In passato, si moriva meglio? Questo il classico interrogativo dietro a una riflessione su un tema sconveniente e sospetto - la morte - riguardo a cui sembra essersi perso il coraggio di parlare. Nella società contemporanea assistiamo alla rimozione della morte: ai riti che implicavano tempi e spazi pubblici, al decesso inteso - secondo l'emblematica definizione di Philippe Ariès - come "grande cerimonia pubblica che il defunto presiedeva", oggi si sostituiscono poche parole e gesti di imbarazzo al riparo dagli sguardi altrui e dalla vita di tutti i giorni nell'isolamento asettico di un ospedale. Partendo da tali constatazioni, da teologo ed esegeta della Bibbia qual è, Marguerat affronta tre grandi letture cristiane di questo difficile momento dell'esistenza umana: la morte come insondabile decreto divino, come "salario del peccato" e, infine, come "passaggio" alla risurrezione. Un viaggio che ci aiuta a riscoprire il messaggio della Bibbia rispetto alla morte e, quindi, alla vita: l'annuncio da parte di Dio di un cammino che dalla prima porta alla seconda, e non viceversa.

arrayMap 2014: an updated cancer genome resource.

Somatic copy number aberrations (CNA) represent a mutation type encountered in the majority of cancer genomes. Here, we present the 2014 edition of arrayMap (http://www.arraymap.org), a publicly accessible collection of pre-processed oncogenomic array data sets and CNA profiles, representing a vast range of human malignancies. Since the initial release, we have enhanced this resource both in content and especially with regard to data mining support. The 2014 release of arrayMap contains more than 64,000 genomic array data sets, representing about 250 tumor diagnoses. Data sets included in arrayMap have been assembled from public repositories as well as additional resources, and integrated by applying custom processing pipelines. Online tools have been upgraded for a more flexible array data visualization, including options for processing user provided, non-public data sets. Data integration has been improved by mapping to multiple editions of the human reference genome, with the majority of the data now being available for the UCSC hg18 as well as GRCh37 versions. The large amount of tumor CNA data in arrayMap can be freely downloaded by users to promote data mining projects, and to explore special events such as chromothripsis-like genome patterns.

Trace-element and phosphorus contents in sediment associated with Cretaceous oceanic anoxic events

ABSTRACT : During my SNSF-funded Ph.D. thesis project, I studied the evolution of redox conditions and organic-carbon preservation in the western Tethyan realm during three major positive excursions in the Cretaceous δ13C record, corresponding to the Valanginian, Early Aptian and Late Cenomanian. These periods were characterized by important global environmental and climate change, which was associated with perturbations in the carbon cycle. For the period of the Valanginian δ13C excursion, total organic carbon (TOC) contents and the quality of preserved organic matter are typical of oxic pelagic settings in the western Tethys. This is confirmed by the absence of major excursions in the stratigraphic distribution of RSTE during the δ13C shift. Published TOC data from other parts of the Valanginian oceans indicate that dys- to anaerobic zones were restricted to marginal seas within the Atlantic and Southern Ocean, and to the Pacific. Phosphorus (P) and mineralogical contents suggest a stepwise climatic evolution during the Valanginian, with a humid and warm climate prior to the δ13C shift leading to an increase in continental runoff. During the δ13C shift, a decrease in detrital input and P contents suggests a change in the climate towards more and conditions. During the early Aptian oceanic anoxic event (OAE 1a), a general increase followed by a rapid decrease in P contents suggests enhanced nutrient input at the beginning of OAE 1a. The return to lower values during OAE 1 a, associated with an increase in RSTE contents, may have been related to the weakened capacity to retain P in the sedimentary reservoir due to bottom-water oxygen depletion. In basinal settings, the RSTE distribution indicates well-developed anoxic conditions during OAE la, whereas in the shallower-water environments, conditions were oxic to suboxic, rather than anoxic. Furthermore, in the deeper part of the Tethys, two distinct enrichments have been observed, indicating fluctuations in the intensity of water column anoxia during the δ73C excursion. We also studied the effect of the end-Cenomanian oceanic anoxic event (OAE 2) on an expanded section in the Chrummflueschlucht (E of Euthal, Ct Switzerland). The goal here was to identify paleoceanographic and paleoenvironmental conditions during OAE 2 in this part of the northern Tethyan margin. The results show that this section is one of the most complete sections for the Cenomanian-Turonian boundary interval known from the Helvetic realm, despite a small hiatus between sediments corresponding to peaks 1 and 2 in the δ13C record. The evolution of P contents points to an increase in the input of this nutrient at the onset of OAE 2. The trends in RSTE contents show, however, that this part of the Helvetic realm was not affected by a strong depletion in oxygen conditions during OAE 2, despite its hemipelagic position. A further goal of this project was to submit the samples to a total extraction method (a combined HF/HNO3/HCI acid digestion) and compare the results obtained by the partial HNO3 acid extraction in order to standardize the analytical prócedures in the extraction of RSTE. The obtained results for samples of OAE 1 a suggest that RSTE trends using the partial HNO3 digestion are very comparable to those obtained by the total digestion method and subsequently normalized with regards to AI contents. RÉSUMÉ : Durant ce projet de thèse, financé par le Swiss National Science Funding (SNSF), j'ai étudié l'évolution des conditions redox et de la préservation de carbone organique dans le domnaine ouesttéthysien pendant trois excursions majeures du δ13C au Crétacé correspondant au Valanginien, à l'Aptien inférieur et à la limite Cénomanien-Turonien. Ces périodes sont caractérisées par des changements climatiques et environnementaux globaux associés à des perturbations dans le cylce du carbone. Pour L'excursion positive en δ13C du Valanginien, les analyses du carbone organique total (COT) et les observations palynologiques du domaine téthysien ont présenté des indications d'environnement pélagique relativementbienoxygéné. L'absence d'enrichissements en éléments traces sensibles aux conditions redox (TE) pendant l'excursion positive en δ13C confirme ces interprétations. Les données publiées de COT dans d'autres partie du globe indiquent cependant l'existence de conditions dys- à anaérobiques dans certains bassins restreints de l'Atlantique, l'Océan Austral et du Pacifique. L'évolution du phosphore (P) et la composition minéralogique des sédiments semblent indiquer un climat relativement chaud et humide avant l'excursion en δ13C entraînant une augmentation de l'altération continentale. Pendant le shift isotopique, une diminution des apports détritiques et du P suggèrent une transition vers des conditions plus arides. À l'Aptien Inférieur, le début de l'événement anoxique (OAE 1a) est marqué par une augmentation générale du P dans les sédiments indiquant une augmentation du niveau trophique à la base de l'excursion isotopique. Durant l'événement anoxique, les sédiments sont relativement appauvris en P. Cette diminution rapide associée à des enrichissements en TE est probablement liée à une remobilisation plus importante du P lors de la mise en place de conditions anoxiques dans les eaux de fond. Dans les environnements de bassin, le comportement des TE (enrichissements bien marqués) attestent de conditions réductrices bien marquées alors que dans les environnements moins profonds, les conditions semblent plutôt oxiques à dysoxiques. De plus, deux niveaux d'enrichissement en TE ont été observés dans la partie plus profonde de la Téthys, indiquant des fluctuations assez rapides dans l'intensité de l'anoxie de la colonne d'eau. Nous avons ensuite étudié les effets de l'événement anoxique de la fin du Cenomanien (OAE 2) dans un basin marginal de la marge nord de la Téthys avec la coupe de Chrummflueschlucht (à l'est de Euthal, Ct Schwyz). Les résultats ont montré que cette coupe présente un des enregistrements sédimentaires des plus complets de l'OAE 2 dans le domaine helvétique malgré un hiatus entre le pic 1 et 2 de l'excursion en δ13C. L'évolution du P montre une augmentation au début de l'OAE 2. Cependant, la distribution des TE indique que cette région n'a pas été affectée par des conditions réductrices trop importantes. Un second aspect de ce travail a été l'étude des différentes méthodes sur l'analyse de la distribution des TE. Des échantillons de l'OAE 1a ont été soumis à deux types d'extractions, l'une dite «totale » (attaque combinée d'acides HF/HNO3/HCI) et l'autre dite partielle » (HNO3). Les résultats obtenus suggèrent que les courbes de tendances des TE acquises par extraction partielle sont semblables à celle obtenues par extraction totale et normalisées par l'AI.

THE USE OF SIMULATIONS IN EVOLUTIONARY POPULATION GENETICS: APPLICATIONS ON HUMANS, OWLS AND VIRTUAL ORGANISMS

Summary (in English) Computer simulations provide a practical way to address scientific questions that would be otherwise intractable. In evolutionary biology, and in population genetics in particular, the investigation of evolutionary processes frequently involves the implementation of complex models, making simulations a particularly valuable tool in the area. In this thesis work, I explored three questions involving the geographical range expansion of populations, taking advantage of spatially explicit simulations coupled with approximate Bayesian computation. First, the neutral evolutionary history of the human spread around the world was investigated, leading to a surprisingly simple model: A straightforward diffusion process of migrations from east Africa throughout a world map with homogeneous landmasses replicated to very large extent the complex patterns observed in real human populations, suggesting a more continuous (as opposed to structured) view of the distribution of modern human genetic diversity, which may play a better role as a base model for further studies. Second, the postglacial evolution of the European barn owl, with the formation of a remarkable coat-color cline, was inspected with two rounds of simulations: (i) determine the demographic background history and (ii) test the probability of a phenotypic cline, like the one observed in the natural populations, to appear without natural selection. We verified that the modern barn owl population originated from a single Iberian refugium and that they formed their color cline, not due to neutral evolution, but with the necessary participation of selection. The third and last part of this thesis refers to a simulation-only study inspired by the barn owl case above. In this chapter, we showed that selection is, indeed, effective during range expansions and that it leaves a distinguished signature, which can then be used to detect and measure natural selection in range-expanding populations. Résumé (en français) Les simulations fournissent un moyen pratique pour répondre à des questions scientifiques qui seraient inabordable autrement. En génétique des populations, l'étude des processus évolutifs implique souvent la mise en oeuvre de modèles complexes, et les simulations sont un outil particulièrement précieux dans ce domaine. Dans cette thèse, j'ai exploré trois questions en utilisant des simulations spatialement explicites dans un cadre de calculs Bayésiens approximés (approximate Bayesian computation : ABC). Tout d'abord, l'histoire de la colonisation humaine mondiale et de l'évolution de parties neutres du génome a été étudiée grâce à un modèle étonnement simple. Un processus de diffusion des migrants de l'Afrique orientale à travers un monde avec des masses terrestres homogènes a reproduit, dans une très large mesure, les signatures génétiques complexes observées dans les populations humaines réelles. Un tel modèle continu (opposé à un modèle structuré en populations) pourrait être très utile comme modèle de base dans l'étude de génétique humaine à l'avenir. Deuxièmement, l'évolution postglaciaire d'un gradient de couleur chez l'Effraie des clocher (Tyto alba) Européenne, a été examiné avec deux séries de simulations pour : (i) déterminer l'histoire démographique de base et (ii) tester la probabilité qu'un gradient phénotypique, tel qu'observé dans les populations naturelles puisse apparaître sans sélection naturelle. Nous avons montré que la population actuelle des chouettes est sortie d'un unique refuge ibérique et que le gradient de couleur ne peux pas s'être formé de manière neutre (sans l'action de la sélection naturelle). La troisième partie de cette thèse se réfère à une étude par simulations inspirée par l'étude de l'Effraie. Dans ce dernier chapitre, nous avons montré que la sélection est, en effet, aussi efficace dans les cas d'expansion d'aire de distribution et qu'elle laisse une signature unique, qui peut être utilisée pour la détecter et estimer sa force.

Patient-ventilator asynchrony during non-invasive ventilation for acute respiratory failure: a multicenter study.

OBJECTIVE : To determine the prevalence of patient-ventilator asynchrony in patients receiving non-invasive ventilation (NIV) for acute respiratory failure. DESIGN : Prospective multicenter observation study. SETTING : Intensive care units in three university hospitals. METHODS: Patients consecutively admitted to ICU were included. NIV, performed with an ICU ventilator, was set by the clinician. Airway pressure, flow, and surface diaphragmatic electromyography were recorded continuously for 30 min. Asynchrony events and the asynchrony index (AI) were determined from visual inspection of the recordings and clinical observation. RESULTS: A total of 60 patients were included, 55% of whom were hypercapnic. Auto-triggering was present in 8 (13%) patients, double triggering in 9 (15%), ineffective breaths in 8 (13%), premature cycling 7 (12%) and late cycling in 14 (23%). An AI > 10%, indicating severe asynchrony, was present in 26 patients (43%), whose median (25-75 IQR) AI was 26 (15-54%). A significant correlation was found between the magnitude of leaks and the number of ineffective breaths and severity of delayed cycling. Multivariate analysis indicated that the level of pressure support and the magnitude of leaks were weakly, albeit significantly, associated with an AI > 10%. Patient comfort scale was higher in pts with an AI < 10%. CONCLUSION: Patient-ventilator asynchrony is common in patients receiving NIV for acute respiratory failure. Our results suggest that leaks play a major role in generating patient-ventilator asynchrony and discomfort, and point the way to further research to determine if ventilator functions designed to cope with leaks can reduce asynchrony in the clinical setting.

Recombinant " Physcomitrella patens " as a sensitive tool to study heat sensing and heat-shock signal transduction in plants

SUMMARY When exposed to heat stress, plants display a particular set of cellular and molecular responses, such as chaperones expression, which are highly conserved in all organisms. In chapter 1, I studied the ability of heat shock genes to become transiently and abundantly induced under various temperature regimes. To this aim, I designed a highly sensitive heat-shock dependent conditional gene expression system in the moss Physcomitrella patens, using the soybean heatinducible promoter (hsp17.3B). Heat-induced expression of various reporter genes was over three orders of magnitude, in tight correlation with the intensity and duration of the heat treatments. By performing repeated heating/cooling cycles, a massive accumulation of recombinant proteins was obtained. Interestingly, the hsp17.3B promoter was also activated by specific organic chemicals. Thus, in chapter 2, I took advantage of the extreme sensitivity of this promoter to small temperature variations to further address the role of various natural and organic chemicals and develop a plant based-bioassay that can serve as an early warning indicator of toxicity by pollutants and heavy metals. A screen of several organic pollutants from textile and paper industry showed that chlorophenols as well as sulfonated anthraquinones elicited a heat shock like response at noninducing temperatures. Their effects were synergistically amplified by mild elevated temperatures. In contrast to standard methods of pollutant detection, this plant-based biosensor allowed to monitor early stress-responses, in correlation with long-term toxic effect, and to attribute effective toxicity thresholds for pollutants, in a context of varying environmental cues. In chapter 3, I deepened the study of the primary mechanism by which plants sense mild temperature variations and trigger a cellular signal leading to the heat shock response. In addition to the above described heat-inducible reporter line, I generated a P. patens transgenic line to measure, in vivo, variations of cytosolic calcium during heat treatment, and another line to monitor the role of protein unfolding in heat-shock sensing and signalling. The heat shock signalling pathway was found to be triggered by the plasma membrane, where temperature up shift specifically induced the transient opening of a putative high afimity calcium channel. The calcium influx triggered a signalling cascade leading to the activation of the heat shock genes, independently on the presence of misfolded proteins in the cytoplasm. These results strongly suggest that changes in the fluidity of the plasma membrane are the primary trigger of the heatshocksignalling pathway in plants. The present thesis contributes to the understanding of the basic mechanism by which plants perceive and respond to heat and chemical stresses. This may contribute to developing appropriate better strategies to enhance plant productivity under the increasingly stressful environment of global warming. RÉSUME Les plantes exposées à des températures élevées déclenchent rapidement des réponses cellulaires qui conduisent à l'induction de gènes codant pour les heat shock proteins (HSPs). En fonction de la durée d'exposition et de la vitesse à laquelle la température augmente, les HSPs sont fortement et transitoirement induites. Dans le premier chapitre, cette caractéristique aété utilisée pour développer un système inductible d'expression de gènes dans la mousse Physcomitrella patens. En utilisant plusieurs gènes rapporteurs, j'ai montré que le promoteur du gène hsp17.3B du Soja est activé d'une manière. homogène dans tous les tissus de la mousse proportionnellement à l'intensité du heat shock physiologique appliqué. Un très fort taux de protéines recombinantes peut ainsi être produit en réalisant plusieurs cycles induction/recovery. De plus, ce promoteur peut également être activé par des composés organiques, tels que les composés anti-inflammatoires, ce qui constitue une bonne alternative à l'induction par la chaleur. Les HSPs sont induites pour remédier aux dommages cellulaires qui surviennent. Étant donné que le promoteur hsp17.3B est très sensible à des petites augmentations de température ainsi qu'à des composés chimiques, j'ai utilisé les lignées développées dans le chapitre 1 pour identifier des polluants qui déclenchent une réaction de défense impliquant les HSPs. Après un criblage de plusieurs composés, les chlorophénols et les antraquinones sulfonés ont été identifiés comme étant activateurs du promoteur de stress. La détection de leurs effets a été réalisée seulement après quelques heures d'exposition et corrèle parfaitement avec les effets toxiques détectés après de longues périodes d'exposition. Les produits identifiés montrent aussi un effet synergique avec la température, ce qui fait du biosensor développé dans ce chapitre un bon outil pour révéler les effets réels des polluants dans un environnement où les stress chimiques sont combinés aux stress abiotiques. Le troisième chapitre est consacré à l'étude des mécanismes précoces qui permettent aux plantes de percevoir la chaleur et ainsi de déclencher une cascade de signalisation spécifique qui aboutit à l'induction des gènes HSPs. J'ai généré deux nouvelles lignées afin de mesurer en temps réel les changements de concentrations du calcium cytosolique ainsi que l'état de dénaturation des protéines au cours du heat shock. Quand la fluidité de la membrane augmente après élévation de la température, elle semble induire l'ouverture d'un canal qui permet de faire entrer le calcium dans les cellules. Ce dernier initie une cascade de signalisation qui finit par activer la transcription des gènes HSPs indépendamment de la dénaturation de protéines cytoplasmiques. Les résultats présentés dans ce chapitre montrent que la perception de la chaleur se fait essentiellement au niveau de la membrane plasmique qui joue un rôle majeur dans la régulation des gènes HSPs. L'élucidation des mécanismes par lesquels les plantes perçoivent les signaux environnementaux est d'une grande utilité pour le développement de nouvelles stratégies afin d'améliorer la productivité des plantes soumises à des conditions extrêmes. La présente thèse contribue à décortiquer la voie de signalisation impliquée dans la réponse à la chaleur.

Interactions between learning and immunity in Drosophila melanogaster

Learning and immunity are two adaptive traits with roles in central aspects of an organism's life: learning allows adjusting behaviours in changing environments, while immunity protects the body integrity against parasites and pathogens. While we know a lot about how these two traits interact in vertebrates, the interactions between learning and immunity remain poorly explored in insects. During my PhD, I studied three possible ways in which these two traits interact in the model system Drosophila melanogaster, a model organism in the study of learning and in the study of immunity. Learning can affect the behavioural defences against parasites and pathogens through the acquisition of new aversions for contaminated food for instance. This type of learning relies on the ability to associate a food-related cue with the visceral sickness following ingestion of contaminated food. Despite its potential implication in infection prevention, the existence of pathogen avoidance learning has been rarely explored in invertebrates. In a first part of my PhD, I tested whether D. melanogaster, which feed on food enriched in microorganisms, innately avoid the orally-acquired 'novel' virulent pathogen Pseudomonas entomophila, and whether it can learn to avoid it. Although flies did not innately avoid this pathogen, they decreased their preference for contaminated food over time, suggesting the existence of a form of learning based likely on infection-induced sickness. I further found that flies may be able to learn to avoid an odorant which was previously associated with the pathogen, but this requires confirmation with additional data. If this is confirmed, this would be the first time, to my knowledge, that pathogen avoidance learning is reported in an insect. The detrimental effect of infection on cognition and more specifically on learning ability is well documented in vertebrates and in social insects. While the underlying mechanisms are described in detail in vertebrates, experimental investigations are lacking in invertebrates. In a second part of my PhD, I tested the effect of an oral infection with natural pathogens on associative learning of D. melanogaster. By contrast with previous studies in insects, I found that flies orally infected with the virulent P. entomophila learned better the association of an odorant with mechanical shock than uninfected flies. The effect seems to be specific to a gut infection, and so far I have not been able to draw conclusions on the respective contributions of the pathogen's virulence and of the flies' immune activity in this effect. Interestingly, infected flies may display an increased sensitivity to physical pain. If the learning improvement observed in infected flies was due partially to the activity of the immune system, my results would suggest the existence of physiological connections between the immune system and the nervous system. The basis of these connections would then need to be addressed. Learning and immunity are linked at the physiological level in social insects. Physiological links between traits often result from the expression of genetic links between these traits. However, in social insects, there is no evidence that learning and immunity may be involved in an evolutionary trade-off. I previously reported a positive effect of infection on learning in D. melanogaster. This might suggest that a positive genetic link could exist between learning and immunity. We tested this hypothesis with two approaches: the diallel cross design with inbred lines, and the isofemale lines design. The two approaches provided consistent results: we found no additive genetic correlation between learning and resistance to infection with the diallel cross, and no genetic correlation in flies which are not yet adapted to laboratory conditions in isofemale lines. Consistently with the literature, the two studies suggested that the positive effect of infection on learning I observed might not be reflected by a positive evolutionary link between learning and immunity. Nevertheless, the existence of complex genetic relationships between the two traits cannot be excluded. - L'apprentissage et l'immunité sont deux caractères à valeur adaptative impliqués dans des aspects centraux de la vie d'un organisme : l'apprentissage permet d'ajuster les comportements pour faire face aux changements de l'environnement, tandis que l'immunité protège l'intégrité corporelle contre les attaques des parasites et des pathogènes. Alors que les interactions entre l'apprentissage et l'immunité sont bien documentées chez les vertébrés, ces interactions ont été très peu étudiées chez les insectes. Pendant ma thèse, je me suis intéressée à trois aspects des interactions possibles entre l'apprentissage et l'immunité chez la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster, qui est un organisme modèle dans l'étude à la fois de l'apprentissage et de l'immunité. L'apprentissage peut affecter les défenses comportementales contre les parasites et les pathogènes par l'acquisition de nouvelles aversions pour la nourriture contaminée par exemple. Ce type d'apprentissage repose sur la capacité à associer une caractéristique de la nourriture avec la maladie qui suit l'ingestion de cette nourriture. Malgré les implications potentielles pour la prévention des infections, l'évitement appris des pathogènes a été rarement étudié chez les invertébrés. Dans une première partie de ma thèse, j'ai testé si les mouches, qui se nourrissent sur des milieux enrichis en micro-organismes, évitent de façon innée un 'nouveau' pathogène virulent Pseudomonas entomophila, et si elles ont la capacité d'apprendre à l'éviter. Bien que les mouches ne montrent pas d'évitement inné pour ce pathogène, elles diminuent leur préférence pour de la nourriture contaminée dans le temps, suggérant l'existence d'une forme d'apprentissage basée vraisemblablement sur la maladie générée par l'infection. J'ai ensuite observé que les mouches semblent être capables d'apprendre à éviter une odeur qui était au préalable associée avec ce pathogène, mais cela reste à confirmer par la collecte de données supplémentaires. Si cette observation est confirmée, cela sera la première fois, à ma connaissance, que l'évitement appris des pathogènes est décrit chez un insecte. L'effet détrimental des infections sur la cognition et plus particulièrement sur les capacités d'apprentissage est bien documenté chez les vertébrés et les insectes sociaux. Alors que les mécanismes sous-jacents sont détaillés chez les vertébrés, des études expérimentales font défaut chez les insectes. Dans une seconde partie de ma thèse, j'ai mesuré les effets d'une infection orale par des pathogènes naturels sur les capacités d'apprentissage associatif de la drosophile. Contrairement aux études précédentes chez les insectes, j'ai trouvé que les mouches infectées par le pathogène virulent P. entomophila apprennent mieux à associer une odeur avec des chocs mécaniques que des mouches non infectées. Cet effet semble spécifique à l'infection orale, et jusqu'à présent je n'ai pas pu conclure sur les contributions respectives de la virulence du pathogène et de l'activité immunitaire des mouches dans cet effet. De façon intéressante, les mouches infectées pourraient montrer une plus grande réactivité à la douleur physique. Si l'amélioration de l'apprentissage observée chez les mouches infectées était due en partie à l'activité du système immunitaire, mes résultats suggéreraient l'existence de connections physiologiques entre le système immunitaire et le système nerveux. Les mécanismes de ces connections seraient à explorer. L'apprentissage et l'immunité sont liés sur un plan physiologique chez les insectes sociaux. Les liens physiologiques entre les caractères résultent souvent de l'expression de liens entre ces caractères au niveau génétique. Cependant, chez les insectes sociaux, il n'y a pas de preuve que l'apprentissage et l'immunité soient liés par un compromis évolutif. J'ai précédemment rapporté un effet positif de l'infection sur l'apprentissage chez la drosophile. Cela pourrait suggérer qu'une relation génétique positive existerait entre l'apprentissage et l'immunité. Nous avons testé cette hypothèse par deux approches : le croisement diallèle avec des lignées consanguines, et les lignées isofemelles. Les deux approches ont fournies des résultats similaires : nous n'avons pas détecté de corrélation génétique additive entre l'apprentissage et la résistance à l'infection avec le croisement diallèle, et pas de corrélation génétique chez des mouches non adaptées aux conditions de laboratoire avec les lignées isofemelles. En ligne avec la littérature, ces deux études suggèrent que l'effet positif de l'infection sur l'apprentissage que j'ai précédemment observé ne refléterait pas un lien évolutif positif entre l'apprentissage et l'immunité. Néanmoins, l'existence de relations génétiques complexes n'est pas exclue.

Role of ENaC in skin wound healing and phenotypic analysis of GILZ-deficient mice

In my first project, I analyzed the role of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC) in the skin during wound healing. ENaC is present in the skin and a function in keratinocyte differentiation and barrier formation has been demonstrated. Previous findings suggested, that ENaC might be implicated in keratinocyte migration, although its role in wound healing was not analyzed yet. Using skin-specific (K14-Cre) conditional ENaC knockout and overexpressing mice, I determined the wound closure kinetic and performed morphometric measurements. The time course of wound repair was not significantly different in knockouts or transgenics when compared to control mice and the morphology of the closing wound was not altered. In my second project, I studied the glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ is widely expressed and an important role has been predicted in immunity, adipogenesis and renal sodium handling. Mice were generated that constitutively lack all the functional domains of the Gilz gene. In these mice, the expression of GILZ mRNA transcripts and protein were completely abolished in all tissues tested. Surprisingly, knockout mice survived. To test whether GILZ mimicks glucocorticoid action, we studied its implication in T- and B- cell development and in a model of sepsis. We measured cytokine secretion in different inflammatory models, like in peritoneal and bone marrow-derived macrophages, in splenocytes and a model of sepsis. In all our experiments, cytokine secretion from GILZ- deficient cells was not different from controls. From 6 months onwards, knockout mice contained significantly less body fat and were lighter. Following sodium and water deprivation experiments, water and salt homeostasis was preserved. Sterility of knockout males was associated with a severe testis dysplasia, smaller seminiferous tubules, the number of Sertoli and germ cell was reduced while increased apoptosis, but not cell proliferation, was evidenced. The interstitial Leydig cell population was augmented, and higher plasma FSH and testosterone levels were found. Interestingly, the expression of the target gene Ppar2 was diminished in the testis and in the liver, but not in the skin, kidney or fat. Tsc22d1 mRNA transcript level was found to be upregulated in testis, but not in the kidney or fat tissue. In most tissue, excepted the testis, GILZ-deficient mice reveal functional redundancy amongst members of the Tsc22d family or genes involved in the same regulatory pathways. In summary, contrarily to the published in vitro data, GILZ does not play a crucial role attributed in immunology or inflammation, but we identified a novel function in spermatogenesis. -- Dans mon premier projet, j'ai analysé le rôle du canal épithélial sodique sensible à l'amiloride (ENaC) dans la cicatrisation de la peau. ENaC est présent dans la peau et il a une fonction dans la différenciation des kératinocytes et dans la formation de la barrière. Des études suggèrent qu'ENaC pourrait être impliqué dans la migration des kératinocytes, cependant, son rôle dans la cicatrisation n'a pas encore été étudié. A l'aide de souris qui surexpriment ou qui sont knockout pour ENaC, spécifiquement dans la peau (K14-Cre), j'ai analysé le temps de clôture de la cicatrice et j'ai aussi étudié la morphologie de la plaie guérissant. Chez les souris qui surexpriment ou chez les knockouts, la vitesse de fermeture et la morphologie de la cicatrice étaient identiques aux souris contrôles. Dans mon second projet, j'ai étudié le glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ est largement exprimé et un rôle important a été prédit dans l'immunité, l'adipogénèse et le transport sodique rénal. Des souris ont été générées dont les domaines fonctionnels du gène Gilz sont éliminés. L'expression de GILZ en ARNm et protéine a été complètement abolie dans tous les tissus testés. Étonnamment, ces souris knockout survivent. Afin de tester si GILZ imite les effets des glucocorticoïdes, nous avons étudié son implication dans le développement des cellules T et B ainsi qu'un modèle de septicémie. Nous avons mesuré la sécrétion de cytokines à partir de différents modèles d'inflammation tels que des macrophages péritonéaux ou de moelle, de splénocytes ou encore d'un modèle de septicémie. Dans toutes nos expériences, la sécrétion de cytokines de cellules GILZ-déficientes était semblable. Dès 6 mois, les knockouts contenaient significativement moins de graisses et étaient plus légères. Suite à une privation sodique et aqueuse, l'homéostasie du sel et de l'eau était préservée. Les mâles knockouts présentaient une stérilité accompagnée d'une dysplasie testiculaire sévère, de tubules séminifères étaient plus petits et contenaient un nombre réduit de cellules de Sertoli et de cellules germinales. L'apoptose était augmentée dans ces cellules mais pas la prolifération cellulaire. Le nombre de cellules de Leydig était aussi plus élevé, ainsi que la FSH et la testostérone. L'expression du gène cible Pparγ2 était diminuée dans le testicule et le foie, mais pas dans la peau, le rein ou le tissu adipeux. L'ARNm de Tsc22d1 était plus exprimé dans le testicule, mais pas dans le rein ou le tissu adipeux. Dans la plupart des tissus, sauf le testicule, les souris knockouts révélaient une redondance fonctionnelle des autres membres de la famille Tsc22d ou de gènes impliqués dans les mêmes voies de régulation. En résumé, contrairement aux données in vitro, GILZ ne joue pas un rôle essentiel en immunologie, mais nous avons identifié une nouvelle fonction dans la spermatogénèse.

Optimisation de la cryo microscopie électronique pour les études des minicercles d'ADN

RESUME : Bien que les propriétés physiques de la structure de l'ADN aient été intensivement étudiées pendant plus de 50 ans il y a encore beaucoup de questions importantes qui attendent des réponses. Par exemple, qu'arrive-t-il à la structure de la double hélice d'ADN nue (sans protéines liées) lorsqu'elle est fortement courbée, de la même manière que dans les nucléosomes? Cet ADN nu est-il facilement plié (il reste dans le régime élastique) ou réduit-il la contrainte de flexion en formant des sites hyperflexibles «kinks» (il sort du régime élastique en cassant l'empilement des paires de bases à certains endroits) ? La microscopie électronique peut fournir une réponse à cette question par visualisation directe des minicercles d'ADN de la longueur d'un tour de nucléosome (environ 90 paires de bases). Pour que la réponse soit scientifiquement valide, on doit observer les molécules d'ADN lorsqu'elles sont en suspension dans la solution d'intérêt et sans que des colorations, produits chimiques ou fixatifs n'aient été ajoutés, étant donné que ceux-ci peuvent changer les propriétés de l'ADN. La technique de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) développée par le groupe de Jacques Dubochet au début des années 80, permet la visualisation directe des molécules d'ADN suspendues dans des couche minces vitrifiées de solutions aqueuses. Toutefois, le faible contraste qui caractérise la cryo-EM combinée avec la très petite taille des minicercles d'ADN rendent nécessaire l'optimisation de plusieurs étapes, aussi bien dans la préparation des échantillons que dans le processus d'acquisition d'images afin d'obtenir deux clichés stéréo qui permettent la reconstruction 3-D des minicercles d'ADN. Dans la première partie de ma thèse, je décris l'optimisation de certains paramètres pour la cryoEM et des processus d'acquisition d'image utilisant comme objets de test des plasmides et d'autres molécules d'ADN. Dans la deuxième partie, je .décris comment j'ai construit les minicercles d'ADN de 94 bp et comment j'ai introduit des modifications structurelles comme des coupures ou des lacunes. Dans la troisième partie, je décris l'analyse des reconstructions des rninicercles d'ADN. Cette analyse, appuyée par des tests biochimiques, indique fortement que des molécules d'ADN sont capables de former de petites molécules circulaires de 94 bp sans dépasser les limites d'élasticité, indiquant que les minicercles adoptent une forme circulaire régulière où la flexion est redistribuée le long la molécule. ABSTRACT : Although physical properties of DNA structure have been intensively studied for over 50 years there are still many important questions that need to be answered. For example, what happens to protein-free double-stranded DNA when it is strongly bent, as in DNA forming nucleosomes? Is such protein-free DNA smoothly bent (i.e. it remains within elastic limits of DNA rigidity) or does it release its bending stress by forming sharp kinks (i.e. it exits the elastic regime and breaks the stacking between neighbouring base-pairs in localized regions)? Electron microscopy can provide an answer to this question by directly visualizing DNA minicircles that have the size of nucleosome gyres (ca 90 bp). For the answer to be scientifically valid, one needs to observe DNA molecules while they are still suspended in the solution of interest and no staining chemicals or fixatives have been added since these can change the properties of the DNA. CryoEM techniques developed by Jacques Dubochet's group beginning in the 1980's permit direct visualization of DNA molecules suspended in cryo-vitrified layers of aqueous solutions. However, a relatively weak contrast of cryo-EM preparations combined with the very small size of the DNA minicircles made it necessary to optimize many of the steps and parameters of the cryo-EM specimen preparation and image acquisition processes in order to obtain stereo-pairs of images that permit the 3-D reconstruction of the observed DNA minicircles. In the first part of my thesis I describe the optimization of the cryo-EM preparation and the image acquisition processes using plasmid size DNA molecules as a test object. In the second part, I describe how I formed the 94 by DNA minicircles and how I introduced structural modifications like nicks or gaps. In the third part, I describe the cryo-EM analysis of the constructed DNA minicircles. That analysis, supported by biochemical tests, strongly indicates that DNA minicircles as small as 94 by remain within the elastic limits of DNA structure, i.e. the minicircles adopt a regular circular shape where bending is redistributed along the molecules.

Quantitative integration of geophysical and hydraulic data : from the local towards the regional scale range

Des progrès significatifs ont été réalisés dans le domaine de l'intégration quantitative des données géophysique et hydrologique l'échelle locale. Cependant, l'extension à de plus grandes échelles des approches correspondantes constitue encore un défi majeur. Il est néanmoins extrêmement important de relever ce défi pour développer des modèles fiables de flux des eaux souterraines et de transport de contaminant. Pour résoudre ce problème, j'ai développé une technique d'intégration des données hydrogéophysiques basée sur une procédure bayésienne de simulation séquentielle en deux étapes. Cette procédure vise des problèmes à plus grande échelle. L'objectif est de simuler la distribution d'un paramètre hydraulique cible à partir, d'une part, de mesures d'un paramètre géophysique pertinent qui couvrent l'espace de manière exhaustive, mais avec une faible résolution (spatiale) et, d'autre part, de mesures locales de très haute résolution des mêmes paramètres géophysique et hydraulique. Pour cela, mon algorithme lie dans un premier temps les données géophysiques de faible et de haute résolution à travers une procédure de réduction déchelle. Les données géophysiques régionales réduites sont ensuite reliées au champ du paramètre hydraulique à haute résolution. J'illustre d'abord l'application de cette nouvelle approche dintégration des données à une base de données synthétiques réaliste. Celle-ci est constituée de mesures de conductivité hydraulique et électrique de haute résolution réalisées dans les mêmes forages ainsi que destimations des conductivités électriques obtenues à partir de mesures de tomographic de résistivité électrique (ERT) sur l'ensemble de l'espace. Ces dernières mesures ont une faible résolution spatiale. La viabilité globale de cette méthode est testée en effectuant les simulations de flux et de transport au travers du modèle original du champ de conductivité hydraulique ainsi que du modèle simulé. Les simulations sont alors comparées. Les résultats obtenus indiquent que la procédure dintégration des données proposée permet d'obtenir des estimations de la conductivité en adéquation avec la structure à grande échelle ainsi que des predictions fiables des caractéristiques de transports sur des distances de moyenne à grande échelle. Les résultats correspondant au scénario de terrain indiquent que l'approche d'intégration des données nouvellement mise au point est capable d'appréhender correctement les hétérogénéitées à petite échelle aussi bien que les tendances à gande échelle du champ hydraulique prévalent. Les résultats montrent également une flexibilté remarquable et une robustesse de cette nouvelle approche dintégration des données. De ce fait, elle est susceptible d'être appliquée à un large éventail de données géophysiques et hydrologiques, à toutes les gammes déchelles. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'évalue en détail la viabilité du réechantillonnage geostatique séquentiel comme mécanisme de proposition pour les méthodes Markov Chain Monte Carlo (MCMC) appliquées à des probmes inverses géophysiques et hydrologiques de grande dimension . L'objectif est de permettre une quantification plus précise et plus réaliste des incertitudes associées aux modèles obtenus. En considérant une série dexemples de tomographic radar puits à puits, j'étudie deux classes de stratégies de rééchantillonnage spatial en considérant leur habilité à générer efficacement et précisément des réalisations de la distribution postérieure bayésienne. Les résultats obtenus montrent que, malgré sa popularité, le réechantillonnage séquentiel est plutôt inefficace à générer des échantillons postérieurs indépendants pour des études de cas synthétiques réalistes, notamment pour le cas assez communs et importants où il existe de fortes corrélations spatiales entre le modèle et les paramètres. Pour résoudre ce problème, j'ai développé un nouvelle approche de perturbation basée sur une déformation progressive. Cette approche est flexible en ce qui concerne le nombre de paramètres du modèle et lintensité de la perturbation. Par rapport au rééchantillonage séquentiel, cette nouvelle approche s'avère être très efficace pour diminuer le nombre requis d'itérations pour générer des échantillons indépendants à partir de la distribution postérieure bayésienne. - Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending corresponding approaches beyond the local scale still represents a major challenge, yet is critically important for the development of reliable groundwater flow and contaminant transport models. To address this issue, I have developed a hydrogeophysical data integration technique based on a two-step Bayesian sequential simulation procedure that is specifically targeted towards larger-scale problems. The objective is to simulate the distribution of a target hydraulic parameter based on spatially exhaustive, but poorly resolved, measurements of a pertinent geophysical parameter and locally highly resolved, but spatially sparse, measurements of the considered geophysical and hydraulic parameters. To this end, my algorithm links the low- and high-resolution geophysical data via a downscaling procedure before relating the downscaled regional-scale geophysical data to the high-resolution hydraulic parameter field. I first illustrate the application of this novel data integration approach to a realistic synthetic database consisting of collocated high-resolution borehole measurements of the hydraulic and electrical conductivities and spatially exhaustive, low-resolution electrical conductivity estimates obtained from electrical resistivity tomography (ERT). The overall viability of this method is tested and verified by performing and comparing flow and transport simulations through the original and simulated hydraulic conductivity fields. The corresponding results indicate that the proposed data integration procedure does indeed allow for obtaining faithful estimates of the larger-scale hydraulic conductivity structure and reliable predictions of the transport characteristics over medium- to regional-scale distances. The approach is then applied to a corresponding field scenario consisting of collocated high- resolution measurements of the electrical conductivity, as measured using a cone penetrometer testing (CPT) system, and the hydraulic conductivity, as estimated from electromagnetic flowmeter and slug test measurements, in combination with spatially exhaustive low-resolution electrical conductivity estimates obtained from surface-based electrical resistivity tomography (ERT). The corresponding results indicate that the newly developed data integration approach is indeed capable of adequately capturing both the small-scale heterogeneity as well as the larger-scale trend of the prevailing hydraulic conductivity field. The results also indicate that this novel data integration approach is remarkably flexible and robust and hence can be expected to be applicable to a wide range of geophysical and hydrological data at all scale ranges. In the second part of my thesis, I evaluate in detail the viability of sequential geostatistical resampling as a proposal mechanism for Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods applied to high-dimensional geophysical and hydrological inverse problems in order to allow for a more accurate and realistic quantification of the uncertainty associated with the thus inferred models. Focusing on a series of pertinent crosshole georadar tomographic examples, I investigated two classes of geostatistical resampling strategies with regard to their ability to efficiently and accurately generate independent realizations from the Bayesian posterior distribution. The corresponding results indicate that, despite its popularity, sequential resampling is rather inefficient at drawing independent posterior samples for realistic synthetic case studies, notably for the practically common and important scenario of pronounced spatial correlation between model parameters. To address this issue, I have developed a new gradual-deformation-based perturbation approach, which is flexible with regard to the number of model parameters as well as the perturbation strength. Compared to sequential resampling, this newly proposed approach was proven to be highly effective in decreasing the number of iterations required for drawing independent samples from the Bayesian posterior distribution.