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.

Business IT Alignment from Business Model to Enterprise Architecture

In this paper, we show how business model modelling can be connected to IT infrastructure, drawing parallels from enterprise architecture models such as ArchiMate. We then show how the proposed visualization based on enterprise architecture, with a strong focus on business model strategy, can help IT alignment, at both the business model and the IT infrastructure level.

Computational modeling of resting-state activity demonstrates markers of normalcy in children with prenatal or perinatal stroke.

Children who sustain a prenatal or perinatal brain injury in the form of a stroke develop remarkably normal cognitive functions in certain areas, with a particular strength in language skills. A dominant explanation for this is that brain regions from the contralesional hemisphere "take over" their functions, whereas the damaged areas and other ipsilesional regions play much less of a role. However, it is difficult to tease apart whether changes in neural activity after early brain injury are due to damage caused by the lesion or by processes related to postinjury reorganization. We sought to differentiate between these two causes by investigating the functional connectivity (FC) of brain areas during the resting state in human children with early brain injury using a computational model. We simulated a large-scale network consisting of realistic models of local brain areas coupled through anatomical connectivity information of healthy and injured participants. We then compared the resulting simulated FC values of healthy and injured participants with the empirical ones. We found that the empirical connectivity values, especially of the damaged areas, correlated better with simulated values of a healthy brain than those of an injured brain. This result indicates that the structural damage caused by an early brain injury is unlikely to have an adverse and sustained impact on the functional connections, albeit during the resting state, of damaged areas. Therefore, these areas could continue to play a role in the development of near-normal function in certain domains such as language in these children.

Histoire culturelle et représentations transversales de Crans-Montana (1896-2014) : paysages, arts visuels, architecture, littérature et cinéma

La station valaisanne de Crans-Montana est richement représentée par la photographie, la peinture, les affiches et l'architecture. Cette thèse de doctorat s'emploie à réunir un large corpus de photographies et de représentations : peintures, affiches, cartes postales et reproductions de bâtiments emblématiques (voir le corpus illustré et documentaire annexé). Les questions liées à l'identité du territoire et son image sont les fils conducteurs de ce travail qui a débuté en 2008. Un premier ensemble visuel a été réuni par le Dr Théodore Stephani (1868-1951), un acteur fondamental pour l'histoire de la naissance de la station. Médecin, mais également photographe, il réalise une collection de plus de 1300 clichés, réunie en six albums, sur une période de trente-sept ans (1899-1936). Les photographies du médecin, originaire de Genève, fondateur de ce lieu désormais touristique sont le point de départ de cette recherche et son fil rouge. Celle-ci tentera d'articuler des représentations sur l'évolution du paysage et l'urbanisation de la station autour d'acteurs illustres, tels que les peintres Ferdinand Hodler (1853-1918) et Albert Muret (1874-1955), l'écrivain Charles-Ferdinand Ramuz (1878-1947) et les nombreux hôteliers ou médecins qui ont marqué l'histoire de la naissance du Haut-Plateau. Les représentations débutent en 1896 car c'est à ce moment-là que le Dr Stephani s'établit à Montana. Les architectes les plus connus de la première période sont François-Casimir Besson (1869-1944), Markus Burgener (1878-1953), suivi de la deuxième génération autour de Jean-Marie Ellenberger (1913-1988), André Perraudin (1915-2014) et André Gaillard (1921-2010). Parallèlement ou avant eux, les peintres déjà cités, Ferdinand Hodler et Albert Muret, - suivis de René Auberjonois (1872-1957), Henri-Edouard Bercher (1877-1970), Charles-Clos Olsommer (1883-1966), Oskar Kokoschka (1886-1980), Albert Chavaz (1907¬1990), Paul Monnier (1907-1982) et Hans Emi (1909-2015) - qui appartiennent tous à l'histoire culturelle de la région. Quant aux écrivains qui ont résidé dans la région, nous citons Elizabeth von Arnim (1866-1941), sa cousine Katherine Mansfield (1888-1923) alors que l'oeuvre de Charles-Ferdinand Ramuz est largement développée par une interprétation de son oeuvre Le Règne de l'esprit malin (1917) et un clin d'oeil pour Igor Stravinsky (1882¬1971). Nous présenterons aussi les films de trois cinéastes qui se sont inspirés des oeuvres écrites par Ramuz lors de son passage à Lens, à savoir Dimitri Kirsanoff (1899-1957), Claude Goretta (1929) et Francis Reusser (1942). Le concept du « village » est abordé depuis l'exposition nationale suisse (1896) jusqu'au projet des investisseurs russes, à Aminona. Ce « village » est le deuxième mégaprojet de Suisse, après celui d'Andermatt. Si le projet se réalise, l'image de la station s'en trouvera profondément transformée. En 1998, la publication de Au bord de la falaise. L'histoire entre certitudes et inquiétudes amène une grande visibilité aux propositions de Roger Chartier, qui lie l'étude des textes aux objets matériels et les usages qu'ils engendrent dans la société. Il définit l'histoire culturelle comme "une histoire culturelle du social" alors que pour Pascal Ory, une histoire culturelle est "comme une forme d'histoire sociale", ce qui revient presque au même, mais nous choisirons celle d'Ory pour une histoire sociale du paysage et de l'architecture. Ce travail adopte ainsi plusieurs points de vue : l'histoire sociale, basée sur les interviews de nombreux protagonistes de l'histoire locale, et l'histoire de l'art qui permet une sélection d'objets emblématiques ; l'histoire culturelle offre ainsi une méthode transversale pour lire et relier ces différents regards ou points de vue entre les paysages, les arts visuels, l'architecture, la littérature et le cinéma.

Population Variation and Genetic Control of Modular Chromatin Architecture in Humans.

Chromatin state variation at gene regulatory elements is abundant across individuals, yet we understand little about the genetic basis of this variability. Here, we profiled several histone modifications, the transcription factor (TF) PU.1, RNA polymerase II, and gene expression in lymphoblastoid cell lines from 47 whole-genome sequenced individuals. We observed that distinct cis-regulatory elements exhibit coordinated chromatin variation across individuals in the form of variable chromatin modules (VCMs) at sub-Mb scale. VCMs were associated with thousands of genes and preferentially cluster within chromosomal contact domains. We mapped strong proximal and weak, yet more ubiquitous, distal-acting chromatin quantitative trait loci (cQTL) that frequently explain this variation. cQTLs were associated with molecular activity at clusters of cis-regulatory elements and mapped preferentially within TF-bound regions. We propose that local, sequence-independent chromatin variation emerges as a result of genetic perturbations in cooperative interactions between cis-regulatory elements that are located within the same genomic domain.

Advances in MRI-based computational neuroanatomy: from morphometry to in-vivo histology.

PURPOSE OF REVIEW: Current computational neuroanatomy based on MRI focuses on morphological measures of the brain. We present recent methodological developments in quantitative MRI (qMRI) that provide standardized measures of the brain, which go beyond morphology. We show how biophysical modelling of qMRI data can provide quantitative histological measures of brain tissue, leading to the emerging field of in-vivo histology using MRI (hMRI). RECENT FINDINGS: qMRI has greatly improved the sensitivity and specificity of computational neuroanatomy studies. qMRI metrics can also be used as direct indicators of the mechanisms driving observed morphological findings. For hMRI, biophysical models of the MRI signal are being developed to directly access histological information such as cortical myelination, axonal diameters or axonal g-ratio in white matter. Emerging results indicate promising prospects for the combined study of brain microstructure and function. SUMMARY: Non-invasive brain tissue characterization using qMRI or hMRI has significant implications for both research and clinics. Both approaches improve comparability across sites and time points, facilitating multicentre/longitudinal studies and standardized diagnostics. hMRI is expected to shed new light on the relationship between brain microstructure, function and behaviour, both in health and disease, and become an indispensable addition to computational neuroanatomy.