Lack of Enantioselectivity in the SULT1A3-catalyzed Sulfoconjugation of Normetanephrine Enantiomers: An In Vitro and Computational Study.

(1R)-Normetanephrine is the natural stereoisomeric substrate for sulfotransferase 1A3 (SULT1A3)-catalyzed sulfonation. Nothing appears known on the enantioselectivity of the reaction despite its potential significance in the metabolism of adrenergic amines and in clinical biochemistry. We confronted the kinetic parameters of the sulfoconjugation of synthetic (1R)-normetanephrine and (1S)-normetanephrine by recombinant human SULT1A3 to a docking model of each normetanephrine enantiomer with SULT1A3 and the 3'-phosphoadenosine-5'-phosphosulfate cofactor on the basis of molecular modeling and molecular dynamics simulations of the stability of the complexes. The K(M) , V(max) , and k(cat) values for the sulfonation of (1R)-normetanephrine, (1S)-normetanephrine, and racemic normetanephrine were similar. In silico models were consistent with these findings as they showed that the binding modes of the two enantiomers were almost identical. In conclusion, SULT1A3 is not substrate-enantioselective toward normetanephrine, an unexpected finding explainable by a mutual adaptability between the ligands and SULT1A3 through an "induced-fit model" in the catalytic pocket. Chirality, 00:000-000, 2012.© 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Structured RNAs in the ENCODE selected regions of the human genome.

Functional RNA structures play an important role both in the context of noncoding RNA transcripts as well as regulatory elements in mRNAs. Here we present a computational study to detect functional RNA structures within the ENCODE regions of the human genome. Since structural RNAs in general lack characteristic signals in primary sequence, comparative approaches evaluating evolutionary conservation of structures are most promising. We have used three recently introduced programs based on either phylogenetic-stochastic context-free grammar (EvoFold) or energy directed folding (RNAz and AlifoldZ), yielding several thousand candidate structures (corresponding to approximately 2.7% of the ENCODE regions). EvoFold has its highest sensitivity in highly conserved and relatively AU-rich regions, while RNAz favors slightly GC-rich regions, resulting in a relatively small overlap between methods. Comparison with the GENCODE annotation points to functional RNAs in all genomic contexts, with a slightly increased density in 3'-UTRs. While we estimate a significant false discovery rate of approximately 50%-70% many of the predictions can be further substantiated by additional criteria: 248 loci are predicted by both RNAz and EvoFold, and an additional 239 RNAz or EvoFold predictions are supported by the (more stringent) AlifoldZ algorithm. Five hundred seventy RNAz structure predictions fall into regions that show signs of selection pressure also on the sequence level (i.e., conserved elements). More than 700 predictions overlap with noncoding transcripts detected by oligonucleotide tiling arrays. One hundred seventy-five selected candidates were tested by RT-PCR in six tissues, and expression could be verified in 43 cases (24.6%).

Saccharomyces cerevisiae, a tool to study the β-oxidation through the synthesis of polyhydroxyalkanoates

Summary Polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a family of polyesters naturally synthesized by a wide variety of bacteria. Through their thermoplastic and elastomeric qualities, together with their biodegradable and renewable properties, they are predicted to be a good alternative to the petroleum- derived plastics. Nevertheless, as PHA production costs using bacteria fermentation are still too high, PHA synthesis within eukaryotic systems, such as plants, has been elaborated. Although the costs were then efficiently lowered, the yield of PHAs produced remained low. In this study, Saccharomyces cerevisae has been used as another eukaryotic model in order to reveal the steps which limit PHA production. These cells express the PHA synthase of Pseudomonas aeruginosa and the PHAs obtained were analyzed to understand the flux of fatty acids towards and through the peroxisomal β-oxidation core cycle, generating the main substrate of the PHA synthase. When S. cerevisiae wild-type cells are grown in a media containing glucose as carbon source as well as fatty acids, the PHA monomer composition is largely influenced by the nature of the external fatty acid used. Thus, even-chain PHA monomers are generated from oleic acid (18:1Δ9cis) and odd- chain PHA monomers are generated from heptadecenoic acid (17:1Δ. 10 cis). Moreover, PHA synthesis is dependent on the first two enzymes of the 0-oxidation core cycle, the acyl-CoA oxidase and the multifunctional enzyme enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. S. cerevisiae mutant cells growing on oleic or heptadecenoic acid and deficient in either the R-3- hydroxyacyl-CoA dehydrogenase or in the 3-ketothiolase activity, the last β-oxidation cycle steps, surprisingly contained PHAs of predominantly even-chain monomers. This is also noticed in wild- type and mutants grown on glucose or raffinose, indicating that the substrate used for PHA synthesis is generated from the degradation of intracellular short- and medium-chain fatty acids by the 3- oxidation cycle. Inhibition of fatty acid biosynthesis by cerulenin blocks the synthesis of PHAs from intracellular fatty acids but still enables the use of extracellular fatty acids for polymer production. Together, these results uncovered the existence of a substantial futile cycle whereby short- and medium-chain intermediates of the cytoplasmic fatty acid biosynthetic pathway are directed towards the peroxisomal β-oxidation pathway. In this thesis, no increase of the yield of PHA produced could be obtained. But the PHA synthesis confirmed the carbon flux into and through the β-oxidation core cycle and unveiled the existence of novel mechanisms. It is thus a good tool to study in vivo the flux of carbons in S. cerevisiae cells. Résumé Les polyhydroxyalkanoates (PHAs) sont une famille de polyesters naturellement synthétisés par un grand nombre de bactéries. Ayant des propriétés de thermoplastiques, d'élastomères et étant des ressources biodégradables et renouvelables, les PHAs représentent une bonne alternative aux plastiques dérivés du pétrole. Pour pallier aux coûts considérables de la production de PHAs par fermentation bactérienne, la synthèse de PHAs par des systèmes eucaryotes telles les plantes a été élaborée. Les coûts ont ainsi efficacement été diminués, mais le rendement de PHAs produits reste faible. Dans cette étude, Saccharomyces cerevisiae a été utilisé comme autre modèle eucaryote pour révéler les étapes limitantes de la production de PHAs. Les PHAs obtenus dans les cellules exprimant la F'HA synthase de Pseudomonas aeruginosa ont été analysés afin de comprendre le flux d'acides gras vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation, principal producteur du substrat de la PHA synthase. Lorsque la souche S. cerevisiae de type sauvage se développe dans un milieu contenant du glucose et des acides gras, la composition des monomères de PHAs est influencée par la nature des acides gras extracellulaires. Ainsi, les monomères pairs sont générés par l'acide oléique (18:1Δ9cis), tandis que les impairs le sont par l'acide heptadécénoïque (17:1Δ10cis). La synthèse de PHAs est dépendante des deux premières enzymes de la β-oxidation; l'acyl-CoA oxidase et l'enzyme multifonctionnelle enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase. Les souches mutantes ne possédant pas les activités de la R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase ou de la 3- ketothiolase contiennent, en présence d'acide oléique ou heptadécénoïque, des PHAs composés essentiellement de monomères pairs. Cela a également été observé en présence de glucose ou de raffinose uniquement. Le substrat utilisé pour la synthèse de PHAs a ainsi été généré par la dégradation d'acides gras intracellulaires à chaîne courte et moyenne via le cycle de la β-oxidation. L'inhibition de la synthèse d'acides gras par la cérulénine a bloqué la synthèse de PHAs par les acides gras internes. Ces résultats ont révélés l'existence d'un cycle futile par lequel des intermédiaires à chaîne courte et moyenne de la synthèse cytoplasmique d'acides gras sont dirigés vers le cycle péroxisomal de la β-oxidation. Dans cette étude, le rendement de PHAs produits reste inchangé, mais l'analyse des PHAs permet de confirmer le flux de carbones vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation et l'existence de nouveaux méchanismes a été dévoilée. Cette synthèse s'avère être un bon outil pour étudier in vivo le flux de carbones dans les cellules de S. cerevisiae.

Polyhydroxyalkanoate synthesis in transgenic plants as a new tool to study carbon flow through beta-oxidation.

Transgenic plants producing peroxisomal polyhydroxy- alkanoate (PHA) from intermediates of fatty acid degradation were used to study carbon flow through the beta-oxidation cycle. Growth of transgenic plants in media containing fatty acids conjugated to Tween detergents resulted in an increased accumulation of PHA and incorporation into the polyester of monomers derived from the beta-oxidation of these fatty acids. Tween-laurate was a stronger inducer of beta-oxidation, as measured by acyl-CoA oxidase activity, and a more potent modulator of PHA quantity and monomer composition than Tween-oleate. Plants co-expressing a peroxisomal PHA synthase with a capryl-acyl carrier protein thioesterase from Cuphea lanceolata produced eightfold more PHA compared to plants expressing only the PHA synthase. PHA produced in double transgenic plants contained mainly saturated monomers ranging from 6 to 10 carbons, indicating an enhanced flow of capric acid towards beta-oxidation. Together, these results support the hypothesis that plant cells have mechanisms which sense levels of free or esterified unusual fatty acids, resulting in changes in the activity of the beta-oxidation cycle as well as removal and degradation of these unusual fatty acids through beta-oxidation. Such enhanced flow of fatty acids through beta-oxidation can be utilized to modulate the amount and composition of PHA produced in transgenic plants. Furthermore, synthesis of PHAs in plants can be used as a new tool to study the quality and relative quantity of the carbon flow through beta-oxidation as well as to analyse the degradation pathway of unusual fatty acids.

Skin fibroblast model to study an impaired glutathione synthesis: consequences of a genetic polymorphism on the proteome.

An impaired glutathione (GSH) synthesis was observed in several multifactorial diseases, including schizophrenia and myocardial infarction. Genetic studies revealed an association between schizophrenia and a GAG trinucleotide repeat (TNR) polymorphism in the catalytic subunit (GCLC) of the glutamate cysteine ligase (GCL). Disease-associated genotypes of this polymorphism correlated with a decrease in GCLC protein expression, GCL activity and GSH content. To clarify consequences of a decreased GCL activity at the proteome level, three schizophrenia patients and three controls have been selected based on the GCLC GAG TNR polymorphism. Fibroblast cultures were obtained by skin biopsy and were challenged with tert-butylhydroquinone (t-BHQ), a substance known to induce oxidative stress. Proteome changes were analyzed by two dimensional gel electrophoresis (2-DE) and results revealed 10 spots that were upregulated in patients following t-BHQ treatment, but not in controls. Nine corresponding proteins could be identified by MALDI mass spectrometry and these proteins are involved in various cellular functions, including energy metabolism, oxidative stress response, and cytoskeletal reorganization. In conclusion, skin fibroblasts of subjects with an impaired GSH synthesis showed an altered proteome reaction in response to oxidative stress. Furthermore, the study corroborates the use of fibroblasts as an additional mean to study vulnerability factors of psychiatric diseases.

An index of 5-HT synthesis changes during early antidepressant treatment: α-[11C]methyl-l-tryptophan PET study

The antidepressant selective serotonin transporter inhibitors (SSRIs) are clinically active after a delay of several weeks. Indeed, the rapid increase of serotonin (5-HT) caused by SSRIs, stimulates the 5-HT1A autoreceptors, which exert a negative feedback on the 5-HT neurotransmission. Only when autoreceptors are desensitized, can SSRIs exert their therapeutic activity. The 5-HT1A receptor antagonist pindolol has been used to accelerate the clinical effects of antidepressant by preventing the negative feedback. Using the a-[11C]methyl-L-tryptophan/positron emission tomography (PET), the goal of the present double-blind, randomized study was to compare the changes in a-[11C]methyl-L-tryptophan trapping, an index of serotonin synthesis, in patients suffering from unipolar depression treated with the SSRI citalopram (20 mg/day) plus placebo versus patients treated with citalopram plus pindol (7.5 mg/day). PET and Hamilton depression rating scale (HDRS-17) were performed at baseline, and after 10 and 24 days of antidepressant treatment. Results show that the combination citalopram plus pindol, compared to citalopram alone shows a more rapid and greater increase of an index of 5-HT synthesis in prefrontal cortex (BA 9). This research is the first human PET study demonstrating that, after 24 days, the combination SSRIs plus pindolol produces a greater increase of the metabolism of serotonin in the prefrontal cortex, an area associated to depressive symptoms.

Study of the incorporation and the anti-tumour efficacy of radio-iododeoxyuridine according to the cellular cycle and in presence of synthesis inhibitor of thymidine

Résumé La iododeoxyuridine (IdUrd), une fois marqué au 123I ou au 125I, est un agent potentiel pour des thérapies par rayonnements Auger. Cependant, des limitations restreignent son incorporation dans l'ADN. Afin d'augmenter celle-ci, différents groupes ont étudié la fluorodeoxyuridine (FdUrd), qui favorise l'incorporation d'analogue de la thymidine, sans toutefois parvenir à une toxicité associé plus importante. Dans notre approche, 3 lignées cellulaires de glioblastomes humains et une lignée de cancer ovarien ont été utilisées. Nous avons observé, 16 à 24 h après un court pré-traitement à la FdUrd, un fort pourcentage de cellules s'accumulant en phase S. Plus qu'une accumulation, c'était une synchronisation des cellules, celles-ci restant capables d'incorporer la radio-IdIrd et repartant dans le cycle cellulaire. De plus, ces cellules accumulées après un pré-traitement à la FdUrd étaient plus radio-sensibles. Après le même intervalle de 16 à 24 h suivant la FdUrd, les 4 lignées cellulaires ont incorporé des taux plus élevés de radio-IdUrd que sans ce prétraitement. Une corrélation temporelle entre l'accumulation des cellules en phase S et la forte incorporation de radio-IdUrd a ainsi été révélée 16 à 24 h après pré-traitement à la FdUrd. Les expériences de traitement par rayonnements Auger sur les cellules accumulées en phase S ont montré une augmentation significative de l'efficacité thérapeutique de 125I-IdUrd comparé aux cellules non prétraitées à la FdUrd. Une première estimation a permis de déterminer que 100 désintégrations de 125I par cellules étant nécessaires afin d'atteindre l'efficacité thérapeutique. De plus, p53 semble jouer un rôle dans l'induction directe de mort cellulaire après des traitements par rayonnements Auger, comme indiqué par les mesures par FACS d'apoptose et de nécrose 24 et 48 h après le traitement. Concernant les expériences in vivo, nous avons observé une incorporation marquée de la radio-IdUrd dans l'ADN après un pré-traitement à la FdUrd dans un model de carcinomatose ovarienne péritonéale. Une augmentation encore plus importante a été observée après injection intra-tumorale dans des transplants sous-cutanés de glioblastomes sur des souris nues. Ces modèles pourraient être utilisés pour de plus amples études de diffusion de radio-IdUrd et de thérapie par rayonnement Auger. En conclusion, ce travail montre une première application réussie de la FdUrd afin d'accroître l'efficacité de la radio-IdUrd par traitements aux rayonnements Auger. La synchronisation des cellules en phase S combinée avec la forte incorporation de radio-IdUrd dans l'ADN différées après un pré-traitement à la FdUrd ont montré le gain thérapeutique attendu in vitro. De plus, des études in vivo sont tout indiquées après les observations encourageantes d'incorporation de radio-IdUrd dans les models de transplants sous-cutanés de glioblastomes et de tumeurs péritonéales ovariennes. Summary Iododeoxyuridine (IdUrd), labelled with 123I or 125I, could be a potential Auger radiation therapy agent. However, limitations restrict its DNA incorporation in proliferating cells. Therefore, fluorodeoxyuridine (FdUrd), which favours incorporation of thymidine analogues, has been studied by different groups in order to increase radio-IdUrd DNA incorporation, however therapeutic efficacy increase could not be reached. In our approach, 3 human glioblastoma cell lines with different p53 expression and one ovarian cancer line were pre-treated with various FdUrd conditions. We observed a high percentage of cells accumulating in early S phase 16 to 24 h after a short and non-toxic FdUrd pre-treatment. More than an accumulation, this was a synchronization, cells remaining able to incorporate radio-IdUrd and re-entering the cell cycle. Furthermore, the S phase accumulated cells post FdUrd pre-treatment were more radiosensitive. After the same delay of 16 to 24 h post FdUrd pre-treatment, the 4 cell lines were incorporating higher rates of radio-IdUrd compared with untreated cells. A time correlation between S phase accumulation and high radio-IdUrd incorporation was therefore revealed 16 to 24 h post FdUrd pre-treatment. Auger radiation treatment experiments performed on S phase enriched cells showed a significant increase of killing efficacy of 125I-IdUrd compared with cells not pre-treated with FdUrd. A first estimation indicates further that about 100 125I decays were required to reach killing in the targeted cells. Moreover, p53 might play a role on the direct induction of cell death pathways after Auger radiation treatments, as indicated by differential apoptosis and necrosis induction measured by FACS 24 and 48 h after treatment initiation. Concerning in vivo results, we observed a marked DNA incorporation increase of radio-IdUrd after FdUrd pre-treatment in peritoneal carcinomatosis in SCID mice. Even higher incorporation increase was observed after intra-tumoural injection of radio-IdUrd in subcutaneous glioblastoma transplants in nude mice. These tumour models might be further useful for diffusion of radio-IdUrd and Auger radiation therapy studies. In conclusion, these data show a first successful application of thymidine synthesis inhibition able to increase the efficacy of radio-IdUrd Auger radiation treatment. The S phase synchronization combined with a high percentage DNA incorporation of radio-IdUrd delayed post FdUrd pre-treatment provided the expected therapeutic gain in vitro. Further in vivo studies are indicated after the observations of encouraging radio-IdUrd uptake experiments in glioblastoma subcutaneous xenografts and in an ovarian peritoneal carcinomatosis model.

Development of metabolic labeling strategies to study changes in protein expression

Résumé : Les progrès techniques de la spectrométrie de masse (MS) ont contribué au récent développement de la protéomique. Cette technique peut actuellement détecter, identifier et quantifier des milliers de protéines. Toutefois, elle n'est pas encore assez puissante pour fournir une analyse complète des modifications du protéome corrélées à des phénomènes biologiques. Notre objectif était le développement d'une nouvelle stratégie pour la détection spécifique et la quantification des variations du protéome, basée sur la mesure de la synthèse des protéines plutôt que sur celle de la quantité de protéines totale. Pour cela, nous volions associer le marquage pulsé des protéines par des isotopes stables avec une méthode d'acquisition MS basée sur le balayage des ions précurseurs (precursor ion scan, ou PIS), afin de détecter spécifiquement les protéines ayant intégré les isotopes et d'estimer leur abondance par rapport aux protéines non marquées. Une telle approche peut identifier les protéines avec les plus hauts taux de synthèse dans une période de temps donnée, y compris les protéines dont l'expression augmente spécifiquement suite à un événement précis. Nous avons tout d'abord testé différents acides aminés marqués en combinaison avec des méthodes PIS spécifiques. Ces essais ont permis la détection spécifique des protéines marquées. Cependant, en raison des limitations instrumentales du spectromètre de masse utilisé pour les méthodes PIS, la sensibilité de cette approche s'est révélée être inférieure à une analyse non ciblée réalisée sur un instrument plus récent (Chapitre 2.1). Toutefois, pour l'analyse différentielle de deux milieux de culture conditionnés par des cellules cancéreuses humaines, nous avons utilisé le marquage métabolique pour distinguer les protéines d'origine cellulaire des protéines non marquées du sérum présentes dans les milieux de culture (Chapitre 2.2). Parallèlement, nous avons développé une nouvelle méthode de quantification nommée IBIS, qui utilise des paires d'isotopes stables d'acides aminés capables de produire des ions spécifiques qui peuvent être utilisés pour la quantification relative. La méthode IBIS a été appliquée à l'analyse de deux lignées cellulaires cancéreuses complètement marquées, mais de manière différenciée, par des paires d'acides aminés (Chapitre 2.3). Ensuite, conformément à l'objectif initial de cette thèse, nous avons utilisé une variante pulsée de l'IBIS pour détecter des modifications du protéome dans des cellules HeLa infectée par le virus humain Herpes Simplex-1 (Chapitre 2.4). Ce virus réprime la synthèse des protéines des cellules hôtes afin d'exploiter leur mécanisme de traduction pour la production massive de virions. Comme prévu, de hauts taux de synthèse ont été mesurés pour les protéines virales détectées, attestant de leur haut niveau d'expression. Nous avons de plus identifié un certain nombre de protéines humaines dont le rapport de synthèse et de dégradation (S/D) a été modifié par l'infection virale, ce qui peut donner des indications sur les stratégies utilisées par les virus pour détourner la machinerie cellulaire. En conclusion, nous avons montré dans ce travail que le marquage métabolique peut être employé de façon non conventionnelle pour étudier des dimensions peu explorées en protéomique. Summary : In recent years major technical advancements greatly supported the development of mass spectrometry (MS)-based proteomics. Currently, this technique can efficiently detect, identify and quantify thousands of proteins. However, it is not yet sufficiently powerful to provide a comprehensive analysis of the proteome changes correlated with biological phenomena. The aim of our project was the development of ~a new strategy for the specific detection and quantification of proteomé variations based on measurements of protein synthesis rather than total protein amounts. The rationale for this approach was that changes in protein synthesis more closely reflect dynamic cellular responses than changes in total protein concentrations. Our starting idea was to couple "pulsed" stable-isotope labeling of proteins with a specific MS acquisition method based on precursor ion scan (PIS), to specifically detect proteins that incorporated the label and to simultaneously estimate their abundance, relative to the unlabeled protein isoform. Such approach could highlight proteins with the highest synthesis rate in a given time frame, including proteins specifically up-regulated by a given biological stimulus. As a first step, we tested different isotope-labeled amino acids in combination with dedicated PIS methods and showed that this leads to specific detection of labeled proteins. Sensitivity, however, turned out to be lower than an untargeted analysis run on a more recent instrument, due to MS hardware limitations (Chapter 2.1). We next used metabolic labeling to distinguish the proteins of cellular origin from a high background of unlabeled (serum) proteins, for the differential analysis of two serum-containing culture media conditioned by labeled human cancer cells (Chapter 2.2). As a parallel project we developed a new quantification method (named ISIS), which uses pairs of stable-isotope labeled amino acids able to produce specific reporter ions, which can be used for relative quantification. The ISIS method was applied to the analysis of two fully, yet differentially labeled cancer cell lines, as described in Chapter 2.3. Next, in line with the original purpose of this thesis, we used a "pulsed" variant of ISIS to detect proteome changes in HeLa cells after the infection with human Herpes Simplex Virus-1 (Chapter 2.4). This virus is known to repress the synthesis of host cell proteins to exploit the translation machinery for the massive production of virions. As expected, high synthesis rates were measured for the detected viral proteins, confirming their up-regulation. Moreover, we identified a number of human proteins whose synthesis/degradation ratio (S/D) was affected by the viral infection and which could provide clues on the strategies used by the virus to hijack the cellular machinery. Overall, in this work, we showed that metabolic labeling can be employed in alternative ways to investigate poorly explored dimensions in proteomics.

Cell-based computational modeling of vascular morphogenesis using Tissue Simulation Toolkit.

Computational modeling has become a widely used tool for unraveling the mechanisms of higher level cooperative cell behavior during vascular morphogenesis. However, experimenting with published simulation models or adding new assumptions to those models can be daunting for novice and even for experienced computational scientists. Here, we present a step-by-step, practical tutorial for building cell-based simulations of vascular morphogenesis using the Tissue Simulation Toolkit (TST). The TST is a freely available, open-source C++ library for developing simulations with the two-dimensional cellular Potts model, a stochastic, agent-based framework to simulate collective cell behavior. We will show the basic use of the TST to simulate and experiment with published simulations of vascular network formation. Then, we will present step-by-step instructions and explanations for building a recent simulation model of tumor angiogenesis. Demonstrated mechanisms include cell-cell adhesion, chemotaxis, cell elongation, haptotaxis, and haptokinesis.

Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Spatial and temporal dynamics of jasmonate synthesis and accumulation in Arabidopsis in response to wounding.

A new metabolite profiling approach combined with an ultrarapid sample preparation procedure was used to study the temporal and spatial dynamics of the wound-induced accumulation of jasmonic acid (JA) and its oxygenated derivatives in Arabidopsis thaliana. In addition to well known jasmonates, including hydroxyjasmonates (HOJAs), jasmonoyl-isoleucine (JA-Ile), and its 12-hydroxy derivative (12-HOJA-Ile), a new wound-induced dicarboxyjasmonate, 12-carboxyjasmonoyl-l-isoleucine (12-HOOCJA-Ile) was discovered. HOJAs and 12-HOOCJA-Ile were enriched in the midveins of wounded leaves, strongly differentiating them from the other jasmonate metabolites studied. The polarity of these oxylipins at physiological pH correlated with their appearance in midveins. When the time points of accumulation of different jasmonates were determined, JA levels were found to increase within 2-5 min of wounding. Remarkably, these changes occurred throughout the plant and were not restricted to wounded leaves. The speed of the stimulus leading to JA accumulation in leaves distal to a wound is at least 3 cm/min. The data give new insights into the spatial and temporal accumulation of jasmonates and have implications in the understanding of long-distance wound signaling in plants.

Comparison between computational alanine scanning and per-residue binding free energy decomposition for protein-protein association using MM-GBSA: application to the TCR-p-MHC complex.

Recognition by the T-cell receptor (TCR) of immunogenic peptides (p) presented by Class I major histocompatibility complexes (MHC) is the key event in the immune response against virus-infected cells or tumor cells. A study of the 2C TCR/SIYR/H-2K(b) system using a computational alanine scanning and a much faster binding free energy decomposition based on the Molecular Mechanics-Generalized Born Surface Area (MM-GBSA) method is presented. The results show that the TCR-p-MHC binding free energy decomposition using this approach and including entropic terms provides a detailed and reliable description of the interactions between the molecules at an atomistic level. Comparison of the decomposition results with experimentally determined activity differences for alanine mutants yields a correlation of 0.67 when the entropy is neglected and 0.72 when the entropy is taken into account. Similarly, comparison of experimental activities with variations in binding free energies determined by computational alanine scanning yields correlations of 0.72 and 0.74 when the entropy is neglected or taken into account, respectively. Some key interactions for the TCR-p-MHC binding are analyzed and some possible side chains replacements are proposed in the context of TCR protein engineering. In addition, a comparison of the two theoretical approaches for estimating the role of each side chain in the complexation is given, and a new ad hoc approach to decompose the vibrational entropy term into atomic contributions, the linear decomposition of the vibrational entropy (LDVE), is introduced. The latter allows the rapid calculation of the entropic contribution of interesting side chains to the binding. This new method is based on the idea that the most important contributions to the vibrational entropy of a molecule originate from residues that contribute most to the vibrational amplitude of the normal modes. The LDVE approach is shown to provide results very similar to those of the exact but highly computationally demanding method.

Anti-basal ganglia antibodies and Tourette's syndrome: a voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging study in an adult population.

Anti-basal ganglia antibodies (ABGAs) have been suggested to be a hallmark of autoimmunity in Gilles de la Tourette's syndrome (GTS), possibly related to prior exposure to streptococcal infection. In order to detect whether the presence of ABGAs was associated with subtle structural changes in GTS, whole-brain analysis using independent sets of T(1) and diffusion tensor imaging MRI-based methods were performed on 22 adults with GTS with (n = 9) and without (n = 13) detectable ABGAs in the serum. Voxel-based morphometry analysis failed to detect any significant difference in grey matter density between ABGA-positive and ABGA-negative groups in caudate nuclei, putamina, thalami and frontal lobes. These results suggest that ABGA synthesis is not related to structural changes in grey and white matter (detectable with these methods) within frontostriatal circuits.