Design and analysis of ChIP-Seq experiments for nuclear factor I DNA-binding proteins

SUMMARY : Eukaryotic DNA interacts with the nuclear proteins using non-covalent ionic interactions. Proteins can recognize specific nucleotide sequences based on the sterical interactions with the DNA and these specific protein-DNA interactions are the basis for many nuclear processes, e.g. gene transcription, chromosomal replication, and recombination. New technology termed ChIP-Seq has been recently developed for the analysis of protein-DNA interactions on a whole genome scale and it is based on immunoprecipitation of chromatin and high-throughput DNA sequencing procedure. ChIP-Seq is a novel technique with a great potential to replace older techniques for mapping of protein-DNA interactions. In this thesis, we bring some new insights into the ChIP-Seq data analysis. First, we point out to some common and so far unknown artifacts of the method. Sequence tag distribution in the genome does not follow uniform distribution and we have found extreme hot-spots of tag accumulation over specific loci in the human and mouse genomes. These artifactual sequence tags accumulations will create false peaks in every ChIP-Seq dataset and we propose different filtering methods to reduce the number of false positives. Next, we propose random sampling as a powerful analytical tool in the ChIP-Seq data analysis that could be used to infer biological knowledge from the massive ChIP-Seq datasets. We created unbiased random sampling algorithm and we used this methodology to reveal some of the important biological properties of Nuclear Factor I DNA binding proteins. Finally, by analyzing the ChIP-Seq data in detail, we revealed that Nuclear Factor I transcription factors mainly act as activators of transcription, and that they are associated with specific chromatin modifications that are markers of open chromatin. We speculate that NFI factors only interact with the DNA wrapped around the nucleosome. We also found multiple loci that indicate possible chromatin barrier activity of NFI proteins, which could suggest the use of NFI binding sequences as chromatin insulators in biotechnology applications. RESUME : L'ADN des eucaryotes interagit avec les protéines nucléaires par des interactions noncovalentes ioniques. Les protéines peuvent reconnaître les séquences nucléotidiques spécifiques basées sur l'interaction stérique avec l'ADN, et des interactions spécifiques contrôlent de nombreux processus nucléaire, p.ex. transcription du gène, la réplication chromosomique, et la recombinaison. Une nouvelle technologie appelée ChIP-Seq a été récemment développée pour l'analyse des interactions protéine-ADN à l'échelle du génome entier et cette approche est basée sur l'immuno-précipitation de la chromatine et sur la procédure de séquençage de l'ADN à haut débit. La nouvelle approche ChIP-Seq a donc un fort potentiel pour remplacer les anciennes techniques de cartographie des interactions protéine-ADN. Dans cette thèse, nous apportons de nouvelles perspectives dans l'analyse des données ChIP-Seq. Tout d'abord, nous avons identifié des artefacts très communs associés à cette méthode qui étaient jusqu'à présent insoupçonnés. La distribution des séquences dans le génome ne suit pas une distribution uniforme et nous avons constaté des positions extrêmes d'accumulation de séquence à des régions spécifiques, des génomes humains et de la souris. Ces accumulations des séquences artéfactuelles créera de faux pics dans toutes les données ChIP-Seq, et nous proposons différentes méthodes de filtrage pour réduire le nombre de faux positifs. Ensuite, nous proposons un nouvel échantillonnage aléatoire comme un outil puissant d'analyse des données ChIP-Seq, ce qui pourraient augmenter l'acquisition de connaissances biologiques à partir des données ChIP-Seq. Nous avons créé un algorithme d'échantillonnage aléatoire et nous avons utilisé cette méthode pour révéler certaines des propriétés biologiques importantes de protéines liant à l'ADN nommés Facteur Nucléaire I (NFI). Enfin, en analysant en détail les données de ChIP-Seq pour la famille de facteurs de transcription nommés Facteur Nucléaire I, nous avons révélé que ces protéines agissent principalement comme des activateurs de transcription, et qu'elles sont associées à des modifications de la chromatine spécifiques qui sont des marqueurs de la chromatine ouverte. Nous pensons que lés facteurs NFI interagir uniquement avec l'ADN enroulé autour du nucléosome. Nous avons également constaté plusieurs régions génomiques qui indiquent une éventuelle activité de barrière chromatinienne des protéines NFI, ce qui pourrait suggérer l'utilisation de séquences de liaison NFI comme séquences isolatrices dans des applications de la biotechnologie.

La pratique basée sur les résultats probants. Partie 2: Les étapes du processus [Evidence-based practice: Part 2: Steps in the process].

Evidence-based (EBP) aims for a new distribution of power centered on scientific evidence rather than clinical expertise. The present article describes the operational process of EBP by describing the implementation stages of this type of practise. This stage presentation is essential given that there are many conceptions end models of EBP and that some nurses have a limited knowledge of its rules ans implications. Given that number and formulation of the stages varies by author, the process presented here attempts to integrate the different stages reviewed.

EADock : design of a new molecular docking algorithm and some of its applications

3 Summary 3. 1 English The pharmaceutical industry has been facing several challenges during the last years, and the optimization of their drug discovery pipeline is believed to be the only viable solution. High-throughput techniques do participate actively to this optimization, especially when complemented by computational approaches aiming at rationalizing the enormous amount of information that they can produce. In siiico techniques, such as virtual screening or rational drug design, are now routinely used to guide drug discovery. Both heavily rely on the prediction of the molecular interaction (docking) occurring between drug-like molecules and a therapeutically relevant target. Several softwares are available to this end, but despite the very promising picture drawn in most benchmarks, they still hold several hidden weaknesses. As pointed out in several recent reviews, the docking problem is far from being solved, and there is now a need for methods able to identify binding modes with a high accuracy, which is essential to reliably compute the binding free energy of the ligand. This quantity is directly linked to its affinity and can be related to its biological activity. Accurate docking algorithms are thus critical for both the discovery and the rational optimization of new drugs. In this thesis, a new docking software aiming at this goal is presented, EADock. It uses a hybrid evolutionary algorithm with two fitness functions, in combination with a sophisticated management of the diversity. EADock is interfaced with .the CHARMM package for energy calculations and coordinate handling. A validation was carried out on 37 crystallized protein-ligand complexes featuring 11 different proteins. The search space was defined as a sphere of 15 R around the center of mass of the ligand position in the crystal structure, and conversely to other benchmarks, our algorithms was fed with optimized ligand positions up to 10 A root mean square deviation 2MSD) from the crystal structure. This validation illustrates the efficiency of our sampling heuristic, as correct binding modes, defined by a RMSD to the crystal structure lower than 2 A, were identified and ranked first for 68% of the complexes. The success rate increases to 78% when considering the five best-ranked clusters, and 92% when all clusters present in the last generation are taken into account. Most failures in this benchmark could be explained by the presence of crystal contacts in the experimental structure. EADock has been used to understand molecular interactions involved in the regulation of the Na,K ATPase, and in the activation of the nuclear hormone peroxisome proliferatoractivated receptors a (PPARa). It also helped to understand the action of common pollutants (phthalates) on PPARy, and the impact of biotransformations of the anticancer drug Imatinib (Gleevec®) on its binding mode to the Bcr-Abl tyrosine kinase. Finally, a fragment-based rational drug design approach using EADock was developed, and led to the successful design of new peptidic ligands for the a5ß1 integrin, and for the human PPARa. In both cases, the designed peptides presented activities comparable to that of well-established ligands such as the anticancer drug Cilengitide and Wy14,643, respectively. 3.2 French Les récentes difficultés de l'industrie pharmaceutique ne semblent pouvoir se résoudre que par l'optimisation de leur processus de développement de médicaments. Cette dernière implique de plus en plus. de techniques dites "haut-débit", particulièrement efficaces lorsqu'elles sont couplées aux outils informatiques permettant de gérer la masse de données produite. Désormais, les approches in silico telles que le criblage virtuel ou la conception rationnelle de nouvelles molécules sont utilisées couramment. Toutes deux reposent sur la capacité à prédire les détails de l'interaction moléculaire entre une molécule ressemblant à un principe actif (PA) et une protéine cible ayant un intérêt thérapeutique. Les comparatifs de logiciels s'attaquant à cette prédiction sont flatteurs, mais plusieurs problèmes subsistent. La littérature récente tend à remettre en cause leur fiabilité, affirmant l'émergence .d'un besoin pour des approches plus précises du mode d'interaction. Cette précision est essentielle au calcul de l'énergie libre de liaison, qui est directement liée à l'affinité du PA potentiel pour la protéine cible, et indirectement liée à son activité biologique. Une prédiction précise est d'une importance toute particulière pour la découverte et l'optimisation de nouvelles molécules actives. Cette thèse présente un nouveau logiciel, EADock, mettant en avant une telle précision. Cet algorithme évolutionnaire hybride utilise deux pressions de sélections, combinées à une gestion de la diversité sophistiquée. EADock repose sur CHARMM pour les calculs d'énergie et la gestion des coordonnées atomiques. Sa validation a été effectuée sur 37 complexes protéine-ligand cristallisés, incluant 11 protéines différentes. L'espace de recherche a été étendu à une sphère de 151 de rayon autour du centre de masse du ligand cristallisé, et contrairement aux comparatifs habituels, l'algorithme est parti de solutions optimisées présentant un RMSD jusqu'à 10 R par rapport à la structure cristalline. Cette validation a permis de mettre en évidence l'efficacité de notre heuristique de recherche car des modes d'interactions présentant un RMSD inférieur à 2 R par rapport à la structure cristalline ont été classés premier pour 68% des complexes. Lorsque les cinq meilleures solutions sont prises en compte, le taux de succès grimpe à 78%, et 92% lorsque la totalité de la dernière génération est prise en compte. La plupart des erreurs de prédiction sont imputables à la présence de contacts cristallins. Depuis, EADock a été utilisé pour comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la Na,K ATPase et dans l'activation du peroxisome proliferatoractivated receptor a (PPARa). Il a également permis de décrire l'interaction de polluants couramment rencontrés sur PPARy, ainsi que l'influence de la métabolisation de l'Imatinib (PA anticancéreux) sur la fixation à la kinase Bcr-Abl. Une approche basée sur la prédiction des interactions de fragments moléculaires avec protéine cible est également proposée. Elle a permis la découverte de nouveaux ligands peptidiques de PPARa et de l'intégrine a5ß1. Dans les deux cas, l'activité de ces nouveaux peptides est comparable à celles de ligands bien établis, comme le Wy14,643 pour le premier, et le Cilengitide (PA anticancéreux) pour la seconde.

Le renforcement de la loi fédérale sur la protection des données : le cas de la protection de la vie privée dès la conception (privacy by design)

La protection des données est un élément essentiel d'un Etat de droit et une société démocratique, car elle accorde à chaque individu le droit de disposer de ce qui fait partie de sa sphère privée. Actuellement en Suisse, la loi fédérale sur la protection des données (LPD) est en vigueur depuis 1993. En 2010, l'Office fédéral de la justice a supervisé une évaluation de son efficacité : il en résulte que cette dernière a été prouvée, mais tendra à diminuer fortement dans les années à suivre. Pour causes principales : l'évolution des technologies, caractérisée notamment par le développement des moyens de traitement de données toujours plus variés et conséquents, et un manque d'informations des individus par rapport à la protection des données en générale et à leurs droits. Suite à l'évaluation, cinq objectifs de révision ont été formulés par le Conseil fédéral, dont celui d'intégrer la privacy by design ou « protection de la vie privée dès la conception » dans la loi. Ce concept, qui est également repris dans les travaux européens en cours, est développé à l'origine par l'Information and Privacy Commissionner de l'Ontario (Canada), Ann Cavoukian. Le principe général de la privacy by design est que la protection de la vie privée doit être incluse dans les systèmes traitant les données lors de leur conception. Souvent évoquée comme une solution idéale, répondant au problème de l'inadéquation de la loi par la logique de prévention qu'elle promeut, la privacy by design demeure toutefois un souhait dont l'application n'est que peu analysée. Ce travail cherche justement à répondre à la question de la manière de la mettre en oeuvre dans la législation suisse. Se basant sur les textes et la doctrine juridiques et une littérature dans les domaines de l'économie, l'informatique, la politique et la sociologie des données personnelles, il propose tout d'abord une revue générale des principes et définitions des concepts-clés de la protection des données en Suisse et dans le cadre international. Puis, il propose deux possibilités d'intégration de la privacy by design : la première est une solution privée non contraignante qui consiste à promouvoir le concept et faire en sorte que les responsables de traitement décident par eux-mêmes d'intégrer la privacy by design dans leurs projets ; ce procédé est possible grâce au renforcement du processus de certification déjà en cours. La deuxième option est une solution contraignante visant à intégrer le principe directement dans la loi et de prendre les mesures pour le rendre effectif ; ce travail montre que le développement de la figure du conseiller à la protection des données permet d'atteindre cet objectif. Enfin, des considérations générales sur l'application du principe sont abordées, telles que l'influence des développements en cours dans l'Union européenne sur la Suisse par rapport à la protection des données et la limite posée par le principe de territorialité.

Rational design of an organometallic glutathione transferase inhibitor.

Double trouble: A hybrid organic-inorganic (organometallic) inhibitor was designed to target glutathione transferases. The metal center is used to direct protein binding, while the organic moiety acts as the active-site inhibitor (see picture). The mechanism of inhibition was studied using a range of biophysical and biochemical methods.

Using active learning for monitoring networks design: The example of wind power plants sites evaluation

Locating new wind farms is of crucial importance for energy policies of the next decade. To select the new location, an accurate picture of the wind fields is necessary. However, characterizing wind fields is a difficult task, since the phenomenon is highly nonlinear and related to complex topographical features. In this paper, we propose both a nonparametric model to estimate wind speed at different time instants and a procedure to discover underrepresented topographic conditions, where new measuring stations could be added. Compared to space filling techniques, this last approach privileges optimization of the output space, thus locating new potential measuring sites through the uncertainty of the model itself.

Design and evaluation of a solid sampler for the monitoring of airborne 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI) and its prepolymers in 2-component spray painting

An active, solvent-free solid sampler was developed for the collection of 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI) aerosol and prepolymers. The sampler was made of a filter impregnated with 1-(2-methoxyphenyl)piperazine contained in a filter holder. Interferences with HDI were observed when a set of cellulose acetate filters and a polystyrene filter holder were used; a glass fiber filter and polypropylene filter cassette gave better results. The applicability of the sampling and analytical procedure was validated with a test chamber, constructed for the dynamic generation of HDI aerosol and prepolymers in commercial two-component spray paints (Desmodur(R) N75) used in car refinishing. The particle size distribution, temporal stability, and spatial uniformity of the simulated aerosol were established in order to test the sample. The monitoring of aerosol concentrations was conducted with the solid sampler paired to the reference impinger technique (impinger flasks contained 10 mL of 0.5 mg/mL 1-(2-methoxyphenyl)piperazine in toluene) under a controlled atmosphere in the test chamber. Analyses of derivatized HDI and prepolymers were carried out by using high-performance liquid chromatography and ultraviolet detection. The correlation between the solvent-free and the impinger techniques appeared fairly good (Y = 0.979X - 0.161; R = 0.978), when the tests were conducted in the range of 0.1 to 10 times the threshold limit value (TLV) for HDI monomer and up to 60-mu-g/m3 (3 U.K. TLVs) for total -N = C = O groups.

Experimental design for acquiring relevant data to address the issue of comparing consecutively manufactured tools and firearms

The comparison of consecutively manufactured tools and firearms has provided much, but not all, of the basis for the profession of firearm and toolmark examination. The authors accept the fundamental soundness of this approach but appeal to the experimental community to close two minor gaps in the experimental procedure. We suggest that "blinding" and attention to appropriateness of other experimental conditions that would consolidate the foundations of our profession. We do not suggest that previous work is unsound.

New concepts for the design of dermal substitutes

Objectives: Skin can be partially regenerated after full thickness defects by collagen matrices, In this study, we identified the main limitations of induced regeneration aiming to improve the design of dermal matrices. Methods: Single mice received a 1 cm2, full thickness skin wound on the dorsum, which were grafted with collagen-GAG matrices or left ungrafted. The healing modulation induced by the collagen-GAG matrices was compared to spontaneous healing and to custom designed, bioactive, poly-N-Acetyl- Glucosamine (NAG) matrices. Wound staging was based on macroscopic, histological and immunhistochemical analysis on days 3, 7, 10 and 21 post wounding. Results: Cell density was higher in spontaneously granulating wounds compared to grafted wounds. While grafted wounds exhibited increased levels of cell proliferation on days 7 and 10, vascularity was dramatically reduced. NAG scaffolds accelerated both angiogenesis and wound re-epithelialization. Conclusions: Since slow integration and revascularization severely limit the engraftment of clinically used dermal scaffolds, the design of dermal matrices using bioactive materials represent the next step in skin regeneration.

The impact of iron supplementation efficiency in female blood donors with a decreased ferritin level and no anaemia. Rationale and design of a randomised controlled trial: a study protocol.

ABSTRACT: BACKGROUND: There is no recommendation to screen ferritin level in blood donors, even though several studies have noted the high prevalence of iron deficiency after blood donation, particularly among menstruating females. Furthermore, some clinical trials have shown that non-anaemic women with unexplained fatigue may benefit from iron supplementation. Our objective is to determine the clinical effect of iron supplementation on fatigue in female blood donors without anaemia, but with a mean serum ferritin </= 30 ng/ml. METHODS/DESIGN: In a double blind randomised controlled trial, we will measure blood count and ferritin level of women under age 50 yr, who donate blood to the University Hospital of Lausanne Blood Transfusion Department, at the time of the donation and after 1 week. One hundred and forty donors with a ferritin level </= 30 ng/ml and haemoglobin level >/= 120 g/l (non-anaemic) a week after the donation will be included in the study and randomised. A one-month course of oral ferrous sulphate (80 mg/day of elemental iron) will be introduced vs. placebo. Self-reported fatigue will be measured using a visual analogue scale. Secondary outcomes are: score of fatigue (Fatigue Severity Scale), maximal aerobic power (Chester Step Test), quality of life (SF-12), and mood disorders (Prime-MD). Haemoglobin and ferritin concentration will be monitored before and after the intervention. DISCUSSION: Iron deficiency is a potential problem for all blood donors, especially menstruating women. To our knowledge, no other intervention study has yet evaluated the impact of iron supplementation on subjective symptoms after a blood donation. TRIAL REGISTRATION: NCT00689793.

Study design for technology assessment: critical issues.

The epidemiological methods have become useful tools for the assessment of the effectiveness and safety of health care technologies. The experimental methods, namely the randomized controlled trials (RCT), give the best evidence of the effect of a technology. However, the ethical issues and the very nature of the intervention under study sometimes make it difficult to carry out an RCT. Therefore, quasi-experimental and non-experimental study designs are also applied. The critical issues concerning these designs are discussed. The results of evaluative studies are of importance for decision-makers in health policy. The measurements of the impact of a medical technology should go beyond a statement of its effectiveness, because the essential outcome of an intervention or programme is the health status and quality of life of the individuals and populations concerned.

New developments and applications in modelling occupational exposure to airborne contaminants

Résumé: L'évaluation de l'exposition aux nuisances professionnelles représente une étape importante dans l'analyse de poste de travail. Les mesures directes sont rarement utilisées sur les lieux même du travail et l'exposition est souvent estimée sur base de jugements d'experts. Il y a donc un besoin important de développer des outils simples et transparents, qui puissent aider les spécialistes en hygiène industrielle dans leur prise de décision quant aux niveaux d'exposition. L'objectif de cette recherche est de développer et d'améliorer les outils de modélisation destinés à prévoir l'exposition. Dans un premier temps, une enquête a été entreprise en Suisse parmi les hygiénistes du travail afin d'identifier les besoins (types des résultats, de modèles et de paramètres observables potentiels). Il a été constaté que les modèles d'exposition ne sont guère employés dans la pratique en Suisse, l'exposition étant principalement estimée sur la base de l'expérience de l'expert. De plus, l'émissions de polluants ainsi que leur dispersion autour de la source ont été considérés comme des paramètres fondamentaux. Pour tester la flexibilité et la précision des modèles d'exposition classiques, des expériences de modélisations ont été effectuées dans des situations concrètes. En particulier, des modèles prédictifs ont été utilisés pour évaluer l'exposition professionnelle au monoxyde de carbone et la comparer aux niveaux d'exposition répertoriés dans la littérature pour des situations similaires. De même, l'exposition aux sprays imperméabilisants a été appréciée dans le contexte d'une étude épidémiologique sur une cohorte suisse. Dans ce cas, certains expériences ont été entreprises pour caractériser le taux de d'émission des sprays imperméabilisants. Ensuite un modèle classique à deux-zone a été employé pour évaluer la dispersion d'aérosol dans le champ proche et lointain pendant l'activité de sprayage. D'autres expériences ont également été effectuées pour acquérir une meilleure compréhension des processus d'émission et de dispersion d'un traceur, en se concentrant sur la caractérisation de l'exposition du champ proche. Un design expérimental a été développé pour effectuer des mesures simultanées dans plusieurs points d'une cabine d'exposition, par des instruments à lecture directe. Il a été constaté que d'un point de vue statistique, la théorie basée sur les compartiments est sensée, bien que l'attribution à un compartiment donné ne pourrait pas se faire sur la base des simples considérations géométriques. Dans une étape suivante, des données expérimentales ont été collectées sur la base des observations faites dans environ 100 lieux de travail différents: des informations sur les déterminants observés ont été associées aux mesures d'exposition des informations sur les déterminants observés ont été associé. Ces différentes données ont été employées pour améliorer le modèle d'exposition à deux zones. Un outil a donc été développé pour inclure des déterminants spécifiques dans le choix du compartiment, renforçant ainsi la fiabilité des prévisions. Toutes ces investigations ont servi à améliorer notre compréhension des outils des modélisations ainsi que leurs limitations. L'intégration de déterminants mieux adaptés aux besoins des experts devrait les inciter à employer cet outil dans leur pratique. D'ailleurs, en augmentant la qualité des outils des modélisations, cette recherche permettra non seulement d'encourager leur utilisation systématique, mais elle pourra également améliorer l'évaluation de l'exposition basée sur les jugements d'experts et, par conséquent, la protection de la santé des travailleurs. Abstract Occupational exposure assessment is an important stage in the management of chemical exposures. Few direct measurements are carried out in workplaces, and exposures are often estimated based on expert judgements. There is therefore a major requirement for simple transparent tools to help occupational health specialists to define exposure levels. The aim of the present research is to develop and improve modelling tools in order to predict exposure levels. In a first step a survey was made among professionals to define their expectations about modelling tools (what types of results, models and potential observable parameters). It was found that models are rarely used in Switzerland and that exposures are mainly estimated from past experiences of the expert. Moreover chemical emissions and their dispersion near the source have also been considered as key parameters. Experimental and modelling studies were also performed in some specific cases in order to test the flexibility and drawbacks of existing tools. In particular, models were applied to assess professional exposure to CO for different situations and compared with the exposure levels found in the literature for similar situations. Further, exposure to waterproofing sprays was studied as part of an epidemiological study on a Swiss cohort. In this case, some laboratory investigation have been undertaken to characterize the waterproofing overspray emission rate. A classical two-zone model was used to assess the aerosol dispersion in the near and far field during spraying. Experiments were also carried out to better understand the processes of emission and dispersion for tracer compounds, focusing on the characterization of near field exposure. An experimental set-up has been developed to perform simultaneous measurements through direct reading instruments in several points. It was mainly found that from a statistical point of view, the compartmental theory makes sense but the attribution to a given compartment could ñó~be done by simple geometric consideration. In a further step the experimental data were completed by observations made in about 100 different workplaces, including exposure measurements and observation of predefined determinants. The various data obtained have been used to improve an existing twocompartment exposure model. A tool was developed to include specific determinants in the choice of the compartment, thus largely improving the reliability of the predictions. All these investigations helped improving our understanding of modelling tools and identify their limitations. The integration of more accessible determinants, which are in accordance with experts needs, may indeed enhance model application for field practice. Moreover, while increasing the quality of modelling tool, this research will not only encourage their systematic use, but might also improve the conditions in which the expert judgments take place, and therefore the workers `health protection.