GIS and geodatabases application to global scale plate tectonics modelling

Les reconstructions palinspastiques fournissent le cadre idéal à de nombreuses études géologiques, géographiques, océanographique ou climatiques. En tant qu?historiens de la terre, les "reconstructeurs" essayent d?en déchiffrer le passé. Depuis qu?ils savent que les continents bougent, les géologues essayent de retracer leur évolution à travers les âges. Si l?idée originale de Wegener était révolutionnaire au début du siècle passé, nous savons depuis le début des années « soixante » que les continents ne "dérivent" pas sans but au milieu des océans mais sont inclus dans un sur-ensemble associant croûte « continentale » et « océanique »: les plaques tectoniques. Malheureusement, pour des raisons historiques aussi bien que techniques, cette idée ne reçoit toujours pas l'écho suffisant parmi la communauté des reconstructeurs. Néanmoins, nous sommes intimement convaincus qu?en appliquant certaines méthodes et certains principes il est possible d?échapper à l?approche "Wégenerienne" traditionnelle pour enfin tendre vers la tectonique des plaques. Le but principal du présent travail est d?exposer, avec tous les détails nécessaires, nos outils et méthodes. Partant des données paléomagnétiques et paléogéographiques classiquement utilisées pour les reconstructions, nous avons développé une nouvelle méthodologie replaçant les plaques tectoniques et leur cinématique au coeur du problème. En utilisant des assemblages continentaux (aussi appelés "assemblées clés") comme des points d?ancrage répartis sur toute la durée de notre étude (allant de l?Eocène jusqu?au Cambrien), nous développons des scénarios géodynamiques permettant de passer de l?une à l?autre en allant du passé vers le présent. Entre deux étapes, les plaques lithosphériques sont peu à peu reconstruites en additionnant/ supprimant les matériels océaniques (symbolisés par des isochrones synthétiques) aux continents. Excepté lors des collisions, les plaques sont bougées comme des entités propres et rigides. A travers les âges, les seuls éléments évoluant sont les limites de plaques. Elles sont préservées aux cours du temps et suivent une évolution géodynamique consistante tout en formant toujours un réseau interconnecté à travers l?espace. Cette approche appelée "limites de plaques dynamiques" intègre de multiples facteurs parmi lesquels la flottabilité des plaques, les taux d'accrétions aux rides, les courbes de subsidence, les données stratigraphiques et paléobiogéographiques aussi bien que les évènements tectoniques et magmatiques majeurs. Cette méthode offre ainsi un bon contrôle sur la cinématique des plaques et fournit de sévères contraintes au modèle. Cette approche "multi-source" nécessite une organisation et une gestion des données efficaces. Avant le début de cette étude, les masses de données nécessaires était devenues un obstacle difficilement surmontable. Les SIG (Systèmes d?Information Géographiques) et les géo-databases sont des outils informatiques spécialement dédiés à la gestion, au stockage et à l?analyse des données spatialement référencées et de leurs attributs. Grâce au développement dans ArcGIS de la base de données PaleoDyn nous avons pu convertir cette masse de données discontinues en informations géodynamiques précieuses et facilement accessibles pour la création des reconstructions. Dans le même temps, grâce à des outils spécialement développés, nous avons, tout à la fois, facilité le travail de reconstruction (tâches automatisées) et amélioré le modèle en développant fortement le contrôle cinématique par la création de modèles de vitesses des plaques. Sur la base des 340 terranes nouvellement définis, nous avons ainsi développé un set de 35 reconstructions auxquelles est toujours associé un modèle de vitesse. Grâce à cet ensemble de données unique, nous pouvons maintenant aborder des problématiques majeurs de la géologie moderne telles que l?étude des variations du niveau marin et des changements climatiques. Nous avons commencé par aborder un autre problème majeur (et non définitivement élucidé!) de la tectonique moderne: les mécanismes contrôlant les mouvements des plaques. Nous avons pu observer que, tout au long de l?histoire de la terre, les pôles de rotation des plaques (décrivant les mouvements des plaques à la surface de la terre) tendent à se répartir le long d'une bande allant du Pacifique Nord au Nord de l'Amérique du Sud, l'Atlantique Central, l'Afrique du Nord, l'Asie Centrale jusqu'au Japon. Fondamentalement, cette répartition signifie que les plaques ont tendance à fuir ce plan médian. En l'absence d'un biais méthodologique que nous n'aurions pas identifié, nous avons interprété ce phénomène comme reflétant l'influence séculaire de la Lune sur le mouvement des plaques. La Lune sur le mouvement des plaques. Le domaine océanique est la clé de voute de notre modèle. Nous avons attaché un intérêt tout particulier à le reconstruire avec beaucoup de détails. Dans ce modèle, la croûte océanique est préservée d?une reconstruction à l?autre. Le matériel crustal y est symbolisé sous la forme d?isochrones synthétiques dont nous connaissons les âges. Nous avons également reconstruit les marges (actives ou passives), les rides médio-océaniques et les subductions intra-océaniques. En utilisant ce set de données très détaillé, nous avons pu développer des modèles bathymétriques 3-D unique offrant une précision bien supérieure aux précédents.<br/><br/>Palinspastic reconstructions offer an ideal framework for geological, geographical, oceanographic and climatology studies. As historians of the Earth, "reconstructers" try to decipher the past. Since they know that continents are moving, geologists a trying to retrieve the continents distributions through ages. If Wegener?s view of continent motions was revolutionary at the beginning of the 20th century, we know, since the Early 1960?s that continents are not drifting without goal in the oceanic realm but are included in a larger set including, all at once, the oceanic and the continental crust: the tectonic plates. Unfortunately, mainly due to technical and historical issues, this idea seems not to receive a sufficient echo among our particularly concerned community. However, we are intimately convinced that, by applying specific methods and principles we can escape the traditional "Wegenerian" point of view to, at last, reach real plate tectonics. This is the main aim of this study to defend this point of view by exposing, with all necessary details, our methods and tools. Starting with the paleomagnetic and paleogeographic data classically used in reconstruction studies, we developed a modern methodology placing the plates and their kinematics at the centre of the issue. Using assemblies of continents (referred as "key assemblies") as anchors distributed all along the scope of our study (ranging from Eocene time to Cambrian time) we develop geodynamic scenarios leading from one to the next, from the past to the present. In between, lithospheric plates are progressively reconstructed by adding/removing oceanic material (symbolized by synthetic isochrones) to major continents. Except during collisions, plates are moved as single rigid entities. The only evolving elements are the plate boundaries which are preserved and follow a consistent geodynamical evolution through time and form an interconnected network through space. This "dynamic plate boundaries" approach integrates plate buoyancy factors, oceans spreading rates, subsidence patterns, stratigraphic and paleobiogeographic data, as well as major tectonic and magmatic events. It offers a good control on plate kinematics and provides severe constraints for the model. This multi-sources approach requires an efficient data management. Prior to this study, the critical mass of necessary data became a sorely surmountable obstacle. GIS and geodatabases are modern informatics tools of specifically devoted to store, analyze and manage data and associated attributes spatially referenced on the Earth. By developing the PaleoDyn database in ArcGIS software we converted the mass of scattered data offered by the geological records into valuable geodynamical information easily accessible for reconstructions creation. In the same time, by programming specific tools we, all at once, facilitated the reconstruction work (tasks automation) and enhanced the model (by highly increasing the kinematic control of plate motions thanks to plate velocity models). Based on the 340 terranes properly defined, we developed a revised set of 35 reconstructions associated to their own velocity models. Using this unique dataset we are now able to tackle major issues of the geology (such as the global sea-level variations and climate changes). We started by studying one of the major unsolved issues of the modern plate tectonics: the driving mechanism of plate motions. We observed that, all along the Earth?s history, plates rotation poles (describing plate motions across the Earth?s surface) tend to follow a slight linear distribution along a band going from the Northern Pacific through Northern South-America, Central Atlantic, Northern Africa, Central Asia up to Japan. Basically, it sighifies that plates tend to escape this median plan. In the absence of a non-identified methodological bias, we interpreted it as the potential secular influence ot the Moon on plate motions. The oceanic realms are the cornerstone of our model and we attached a particular interest to reconstruct them with many details. In this model, the oceanic crust is preserved from one reconstruction to the next. The crustal material is symbolised by the synthetic isochrons from which we know the ages. We also reconstruct the margins (active or passive), ridges and intra-oceanic subductions. Using this detailed oceanic dataset, we developed unique 3-D bathymetric models offering a better precision than all the previously existing ones.

Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

The role of ubiquitin specific peptidase 15 (USP 15) in human glioblastoma

Glioblastoma (GBM) is the most common and most aggressive malignant primary brain tumour. Despite the aggressiveness of the applied therapy, the prognosis remains poor with a median survival to of about 15 months. It is important to identify new candidate genes that could have clinical application in this disease. Previous gene expression studies from human GBM samples in our laboratory, revealed Ubiquitin Specific Peptidase 15 (USP15) as a gene with low expression, significantly associated with genomic deletions of the chromosomal region encompassing the USP15 locus. USP15 belongs to the ubiquitin-specific protease (USPs) family of which the main role is the reversion of ubiquitination and thereby stabilization of substrates. Previously, USP15 has been suggested to have a tumour suppressor function via its substrates APC and Caspase 3. We established GBM cell lines that stably express USP15 wt or its catalytic mutant. USP15 expression impairs cell growth by inhibiting cell cycle progression. On the other hand USP15 depletion in GBM cell lines induces cell cycle progression and proliferation. In order to identify the molecular pathways in which USP15 is implicated we aimed to identify protein-binding partners in the GBM cell line LN-229 by Mass spectrometry. As a result we identified eight new proteins that interact with USP15. These proteins are involved in important cellular processes like cytokinesis, cell cycle, cellular migration, and apoptosis. Three of these protein interactions were confirmed by co-immunoprecipitation in four GBM cell lines LN-229, LN428, LN18, LN-Z308. One of the binding proteins is HECTD1 E3 ligase of which the murine homologue promotes the APC-Axin interaction to negatively regulate the Wnt pathway. USP15 can de-ubiquitinate HECTD1 in the LN229 cell line while its depletion led to decrease of HECTD1 in GBM cell lines suggesting stabilizing role for USP15. Moreover, HECTD1 stable expression in LN229 inhibits cell cycle, while its depletion induces cell cycle progression. These results suggest that the USP15-HECTD1 interaction might enhance the antiproliferative effect of HECTD1 in GBM cell lines. Using the TOPflash/FOPflash luciferase system we showed that HECTD1 and USP15 overexpression can attenuate WNT pathway activity, and decrease the Axin2 expression. These data indicate that this new protein interaction of USP15 with HECTD1 results in negative regulation of the WNT pathway in GBM cell lines. Further investigation of the regulation of this interaction or of the protein binding network of HECTD1 in GBM may allow the discovery of new therapeutic targets. Finally PTPIP51 and KIF15 are the other two identified protein partners of USP15. These two proteins are involved in cell proliferation and their depletion in LN-229 cell line led to induction of cell cycle progression. USP15 displays a stabilizing role for them. Hence, these results show that the tumour suppressive role of USP15 in GBM cell line via different molecular mechanisms indicating the multidimensional function of USP15. Résumé Le glioblastome (GBM) est la tumeur primaire la plus fréquente et la plus agressive du cervau caractérisée par une survie médiane d'environ à 15 mois. De précédant travaux effectués au sein de notre laboratoire portant sur l'étude de l'expression de gènes pour des échantillons humains de GBM ont montré que le gène Ubiquitin Specific Peptidase 15 (USP1S) était significativement associée à une délétion locales à 25% des cas. Initialement, les substrats protéiques APC et CaspaseS de USP15 ont conduit à considérer cette protéine comme un suppresseur de tumeur. USP15 appartient à la famille protèsse spécifique de l'ubiquitine (USPs) dont le rôle principal est la réversion de l'ubiquitination et la stabilisation de substrats. Par conséquent, nous avons établi des lignées de cellules de glioblastome qui expriment de manière stable USP15 ou bien son mutant catalytique. Ainsi, nous avons ainsi démontré que l'expression de l'USP15 empêche la croissance cellulaire en inhibant la progression du cycle cellulaire. Inversement, la suppression de l'expression du gène USP15 dans les lignées cellulaires de glioblastome induit la progression du cycle cellulaire et la prolifération. Afin d'identifier les voies moléculaires dans lesquelles sont impliquées USP15, nous avons cherché à identifier les partenaires de liaisons protéiques par spectrométrie de masse dans la lignée cellulaire LN-229. Ainsi, huit nouvelles protéines interagissant avec USP15 ont été identifiées dont la ligase E3 HECTD1. L'homologue murin de Hectdl favorise l'interaction APC-Axin en régulant négativement la voie de signalisation de Wnt. USP15 interagit en désubiquitinant HECTD1 dans la lignée cellulaire LN-229 et provoque ainsi l'atténuation de l'activité de cette voie de signalisation. En conclusion, HECTD1, en interagissant avec USP15, joue un rôle de suppresseur de tumeur dans les lignées cellulaire de GBM.

Application of contrast media in post-mortem imaging (CT and MRI).

The application of contrast media in post-mortem radiology differs from clinical approaches in living patients. Post-mortem changes in the vascular system and the absence of blood flow lead to specific problems that have to be considered for the performance of post-mortem angiography. In addition, interpreting the images is challenging due to technique-related and post-mortem artefacts that have to be known and that are specific for each applied technique. Although the idea of injecting contrast media is old, classic methods are not simply transferable to modern radiological techniques in forensic medicine, as they are mostly dedicated to single-organ studies or applicable only shortly after death. With the introduction of modern imaging techniques, such as post-mortem computed tomography (PMCT) and post-mortem magnetic resonance (PMMR), to forensic death investigations, intensive research started to explore their advantages and limitations compared to conventional autopsy. PMCT has already become a routine investigation in several centres, and different techniques have been developed to better visualise the vascular system and organ parenchyma in PMCT. In contrast, the use of PMMR is still limited due to practical issues, and research is now starting in the field of PMMR angiography. This article gives an overview of the problems in post-mortem contrast media application, the various classic and modern techniques, and the issues to consider by using different media.

An inhibitor of HIV-1 protease modulates constitutive eIF2α dephosphorylation to trigger a specific integrated stress response.

Inhibitors of the HIV aspartyl protease [HIV protease inhibitors (HIV-PIs)] are the cornerstone of treatment for HIV. Beyond their well-defined antiretroviral activity, these drugs have additional effects that modulate cell viability and homeostasis. However, little is known about the virus-independent pathways engaged by these molecules. Here we show that the HIV-PI Nelfinavir decreases translation rates and promotes a transcriptional program characteristic of the integrated stress response (ISR). Mice treated with Nelfinavir display hallmarks of this stress response in the liver, including α subunit of translation initiation factor 2 (eIF2α) phosphorylation, activating transcription factor-4 (ATF4) induction, and increased expression of known downstream targets. Mechanistically, Nelfinavir-mediated ISR bypassed direct activation of the eIF2α stress kinases and instead relied on the inhibition of the constitutive eIF2α dephosphorylation and down-regulation of the phophatase cofactor CReP (Constitutive Repressor of eIF2α Phosphorylation; also known as PPP1R15B). These findings demonstrate that the modulation of eIF2α-specific phosphatase cofactor activity can be a rheostat of cellular homeostasis that initiates a functional ISR and suggest that the HIV-PIs could be repositioned as therapeutics in human diseases to modulate translation rates and stress responses.

Application of intravoxel incoherent motion perfusion imaging to shoulder muscles after a lift-off test of varying duration.

Intravoxel incoherent motion (IVIM) MRI is a method to extract microvascular blood flow information out of diffusion-weighted images acquired at multiple b-values. We hypothesized that IVIM can identify the muscles selectively involved in a specific task, by measuring changes in activity-induced local muscular perfusion after exercise. We tested this hypothesis using a widely used clinical maneuver, the lift-off test, which is known to assess specifically the subscapularis muscle functional integrity. Twelve shoulders from six healthy male volunteers were imaged at 3 T, at rest, as well as after a lift-off test hold against resistance for 30 s, 1 and 2 min respectively, in three independent sessions. IVIM parameters, consisting of perfusion fraction (f), diffusion coefficient (D), pseudo-diffusion coefficient D* and blood flow-related fD*, were estimated within outlined muscles of the rotator cuff and the deltoid bundles. The mean values at rest and after the lift-off tests were compared in each muscle using a one-way ANOVA. A statistically significant increase in fD* was measured in the subscapularis, after a lift-off test of any duration, as well as in D. A fD* increase was the most marked (30 s, +103%; 1 min, +130%; 2 min, +156%) and was gradual with the duration of the test (in 10(-3) mm(2) /s: rest, 1.41 ± 0.50; 30 s, 2.86 ± 1.17; 1 min, 3.23 ± 1.22; 2 min, 3.60 ± 1.21). A significant increase in fD* and D was also visible in the posterior bundle of the deltoid. No significant change was consistently visible in the other investigated muscles of the rotator cuff and the other bundles of the deltoid. In conclusion, IVIM fD* allows the demonstration of a task-related microvascular perfusion increase after a specific task and suggests a direct relationship between microvascular perfusion and the duration of the effort. It is a promising method to investigate non-invasively skeletal muscle physiology and clinical perfusion-related muscular disorders.

Sex- and melanism-specific variations in the oxidative status of adult tawny owls in response to manipulated reproductive effort.

Oxidative stress, determined by the balance between the production of damaging reactive oxygen species (ROS) and antioxidant defences, is hypothesized to play an important role in shaping the cost of reproduction and life history trade-offs. To test this hypothesis, we manipulated reproductive effort in 94 breeding pairs of tawny owls (Strix aluco) to investigate the sex- and melanism-specific effects on markers of oxidative stress in red blood cells (RBCs). This colour polymorphic bird species shows sex-specific division of labour and melanism-specific history strategies. Brood sizes at hatching were experimentally enlarged or reduced to increase or decrease reproductive effort, respectively. We obtained an integrative measure of the oxidative balance by measuring ROS production by RBCs, intracellular antioxidant glutathione levels and membrane resistance to ROS. We found that light melanic males (the sex undertaking offspring food provisioning) produced more ROS than darker conspecifics, but only when rearing an enlarged brood. In both sexes, light melanic individuals had also a larger pool of intracellular antioxidant glutathione than darker owls under relaxed reproductive conditions (i.e. reduced brood), but not when investing substantial effort in current reproduction (enlarged brood). Finally, resistance to oxidative stress was differently affected by the brood size manipulation experiment in males and females independently of their plumage coloration. Altogether, our results support the hypothesis that reproductive effort can alter the oxidative balance in a sex- and colour-specific way. This further emphasizes the close link between melanin-based coloration and life history strategies.