Tracking the ghost of coevolution in specific plant-insect interactions : the case of the pollination system between the globeflower Trollius europaeus and seven european Chiastocheta flies

This study aims at understanding the evolutionary processes at work in specialized species interactions. Prom the macroevolutionary perspective, coevolution among specialized taxa was proposed to be one of the major processes generating biodiversity. We challenge this idea from the theoretical and practical perspective and through a literature review and show that the major hypotheses linking coevolutionary process with macroevolutionary patterns do not necessarily predict lineage co diversification and parallel speciation, limit¬ing the utility of the comparative phylogenenetic approach for investigating coevolution¬ary processes. We also point to the rarity of observed long-term coevolutionary dynamics among lineages and propose that coevolution rather occurs in shorter timescales, followed by ecological fitting. Prom the empirical point, we focus on the nursery pollination interaction between the European globeflower Trollius europaeus (Ranunculaceae) and its associated Chiastocheta flies (Anthomyiidae; Diptera) as a model system of evolution and maintenance of special¬ized interactions. The flies are obligate parasites of the seeds, but also pollinate the plant - it was thus proposed that both species are mutually dependent. Contrasting with the paradigm used for two decades of research on this system, we show that the female fitness component of the plant is similar in the populations with and without Chiastocheta. The plant is thus not exclusively dependent on the flies for reproduction. We discuss this result in the context of the factors responsible for the evolution of mutualistic systems. Understanding the evolution of a biological system requires understanding of its phylo- genetic context. Previous studies showed large mismatch between mtDNA phylogeny and morphological taxonomy in Chiastocheta. By using a large set of RAD-sequencing loci, we delineate the species limits that are congruent with morphology, and show that the discordance is best explained by the scenario of mitochondrial capture among fly species. Finally, we examine this system from a phylogeographic perspective, and identify the lack of congruence in spatial genetic structures of the plant and associated insects across their whole geographic range. The flies show lower numbers of spatial genetic groups than the plant, indicating that not all of the plant réfugia were shared by all the fly species or that the migration dynamics homogenized some of the groups. The incongruence in spatial genetic patterns indicates that fly migrations were largely independent from the genetic background of the plant, following rather a scenario of resource tracking, without the signature of coevolutionary process at this scale. Indeed, while the flies require the plant to survive climatic oscillations, the opposite is not true. Eventually, we show that there is no phylogenetic signal of spatial genetic structures, meaning that neither histories nor life- history traits are shared among closely related species and that species are characterized by unique trajectories of their genes. -- Cette étude vise à comprendre les processus évolutifs à l'oeuvre au sein d'interactions en¬tre espèces spécialisées. Du point de vue macroévolutif, la coévolution entre les taxons spécialisée a été considérée comme l'un des principaux processus générateur de biodiversité. Nous contestons cette idée du point de vue théorique et pratique à travers une revue de la littérature. Nous montrons que les hypothèses majeures reliant les processus coévolutifs avec les patterns de diversité au niveau macroévolutif ne prédisent pas nécessairement la co- diversification des lignées et leur spéciation parallèle, ce qui limite l'utilité de l'approche de phylogénie comparative pour étudier les processus coévolutifs . Nous rappelons également le peu d'exemples de dynamique coévolutive à long terme et proposons que la coévolution se produit plutôt dans des intervalles courts, suivis d'ajustements écologiques. Du point empirique, nous nous concentrons sur l'interaction de pollinisation entre le Trolle d'Europe Trollius europaeus (Ranunculaceae) et ses pollinisateurs associés, du genre Chiastocheta (Anthomyiidae; Diptera) en tant que système-modèle pour étudier l'évolution et le maintien des interactions spécialisées. Les mouches sont des parasites obligatoires des semences, mais pollinisent également la plante. Il a donc été proposé que les deux espèces soient mutuellement dépendantes. Contrastant avec le paradigme utilisé pendant deux décennies de recherche sur ce système, nous montrons, que la composante de fitness femelle de la plante est similaire dans les populations avec et sans Chiastocheta. La plante ne dépend donc pas exclusivement de son interaction avec les mouches pour la reproduction. Nous discutons de ce résultat dans le contexte des facteurs responsables de l'évolution des systèmes mutualistes. Comprendre l'évolution d'un système biologique nécessite la compréhension de son con- texte phylogénétique. Des études antérieures ont montré, chez Chiastocheta, de grandes disparités entre les phylogénies obtenues à partir d'ADN mitochondrial et la taxonomie basée sur les critères morphologiques. En utilisant un grand nombre de loci obtenus par RAD-sequencing, nous traçons les limites des espèces, qui concordent avec les car¬actéristiques morphologies, et montrons que la discordance s'explique en fait par un scénario de capture mitochondriale entre espèces de mouches. Enfin, nous examinons le système d'un point de vue phylogéographique, et identi¬fions les incohérences entre structurations génétiques spatiales de la plante et des insectes associés dans toute leur aire de distribution géographique. Les mouches présentent un nombre de groupes génétiques inférieur à la plante, indiquant que tous les refuges de la plante n'étaient pas partagés par toutes les espèces de mouches ou que les dynamiques migratoires ont homogénéisés certains des groupes chez les mouches. Les différences ob¬servées dans les patrons de structuration génétique spatiale indique que les migrations et dispersions des mouches ont été indépendantes du contexte génétique de la plante, et ces dernières ont été uniquement tributaires de la disponibilité des ressources, sans qu'il n'y ait de signature du processus de coévolution à cette échelle. En effet, tandis que les mouches ont besoin de la plante pour survivre aux oscillations climatiques, le contraire n'est pas exact. Finalement, nous montrons qu'il n'y a pas de signal phylogénétique des structurations génétiques spatiales chez les mouches, ce qui signifie que ni l'histoire, ni les traits d'histoire de vie ne sont partagés entre les espèces phylogénétiquement proches et que les espèces sont caractérisées par des trajectoires uniques de leurs gènes.

A Novel Pulse-Chase SILAC Strategy Measures Changes in Protein Decay and Synthesis Rates Induced by Perturbation of Proteostasis with an Hsp90 Inhibitor.

Standard proteomics methods allow the relative quantitation of levels of thousands of proteins in two or more samples. While such methods are invaluable for defining the variations in protein concentrations which follow the perturbation of a biological system, they do not offer information on the mechanisms underlying such changes. Expanding on previous work [1], we developed a pulse-chase (pc) variant of SILAC (stable isotope labeling by amino acids in cell culture). pcSILAC can quantitate in one experiment and for two conditions the relative levels of proteins newly synthesized in a given time as well as the relative levels of remaining preexisting proteins. We validated the method studying the drug-mediated inhibition of the Hsp90 molecular chaperone, which is known to lead to increased synthesis of stress response proteins as well as the increased decay of Hsp90 "clients". We showed that pcSILAC can give information on changes in global cellular proteostasis induced by treatment with the inhibitor, which are normally not captured by standard relative quantitation techniques. Furthermore, we have developed a mathematical model and computational framework that uses pcSILAC data to determine degradation constants kd and synthesis rates Vs for proteins in both control and drug-treated cells. The results show that Hsp90 inhibition induced a generalized slowdown of protein synthesis and an increase in protein decay. Treatment with the inhibitor also resulted in widespread protein-specific changes in relative synthesis rates, together with variations in protein decay rates. The latter were more restricted to individual proteins or protein families than the variations in synthesis. Our results establish pcSILAC as a viable workflow for the mechanistic dissection of changes in the proteome which follow perturbations. Data are available via ProteomeXchange with identifier PXD000538.

New human kallikrein 14: enzymatic characterization and inhibitors development.

RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC En biologie, si une découverte permet de répondre à quelques questions, en général elle en engendre beaucoup d'autres. C'est ce qui s'est produit récemment dans le monde des kallicréines. De la famille des protéases, protéines ayant la faculté de couper plus ou moins spécifiquement d'autres protéines pour exercer un rôle biologique, la famille des kallicréines humaines n'était composée que de 3 membres lors du siècle dernier. Parmi eux, une kallicréine mondialement utilisée pour détecter le cancer de la prostate, le PSA. En 2000, un chercheur de l'hôpital universitaire Mont Sinaï à Toronto, le Professeur Eleftherios Diamandis, a découvert la présence de 12 nouveaux gènes appartenant à cette famille, situés sur le même chromosome que les 3 premières kallicréines. Cette découverte majeure a placé les spécialistes des kallicréines face à une montagne d'interrogations car les fonctions de ces nouvelles protéases étaient totalement inconnues. La kallicréine humaine 14 (hK14) présente un intérêt particulier, car elle se retrouve associée à différents cancers, notamment les carcinomes ovariens et mammaires. Cette association ne répond cependant pas à la fonction de cette protéase. L'objectif de ce travail de thèse était donc de découvrir, dans un premier temps, la spécificité de cette nouvelle kallicréine, c'est-à-dire le type de coupure qu'elle engendre au niveau des protéines qu'elle cible. Utilisant une technologie de pointe qui exploite la propriété des bactériophages à se répliquer dans les bactéries à l'infini, des dizaines de millions de combinaisons protéiques aléatoires ont été présentées à hK14, qui a pu sélectionner celles qui lui étaient favorables pour la coupure. Cette technique qualitative porte le nom de Phage Display Substrate. Une fois la sélection réalisée, il fallait transférer ces séquences coupées ou substrats dans un système permettant de donner une valeur quantitative à l'efficacité de coupure. Pour cela nous avons développé une technologie qui permet d'évaluer cette efficacité en utilisant des protéines fluorescentes de méduse, modifiées génétiquement, dont l'excitation de la première (CFP : cyan fluorescent protein) par la lumière à une certaine longue d'onde permet le transfert d'énergie à la seconde (YFP : yellow fluorescent protein), via un substrat qui les lie. Pour que ce transfert d'énergie se produise, il faut que les deux protéines fluorescentes soient proches, comme c'est le cas lorsqu'elles sont liées par un substrat. La coupure de ce lien provoque un changement de transfert d'énergie qui est quantifiable en utilisant un spectrofluoromètre. Cette technologie permet donc de suivre la réaction d'hydrolyse (coupure) des protéases. Afin de poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre la fonction biologique d'hK14 ainsi que son éventuelle implication dans le cancer, nous avons développé des inhibiteurs spécifiques d'hK14. Les séquences qui on été le plus efficacement coupées par hK14 ont été utilisées pour transformer deux types d'inhibiteurs classiques, qui circulent dans notre sang, en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Selon les résultats obtenus in vitro, ils pourront être évalués in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. RESUME Les protéases sont des enzymes impliquées dans des processus physiologiques mais aussi parfois pathologiques. La famille des kallicréines tissulaires humaines représente le plus grand groupe de protéases humaines, dont plusieurs pourraient participer au développement de certaines maladies. D'autre part, ces protéases sont apparues comme des marqueurs de pathogénicité potentiels, notamment dans les cas de cancers hormono-dépendants. La kallicréine humaine 14 a été récemment découverte et son implication dans quelques maladies, particulièrement dans le cas de tumeurs, semble probable. En effet, son expression génique est augmentée au niveau des tissus cancéreux de la prostate et du sein et son expression protéique s'est révélée plus élevée dans le sérum de patientes atteintes d'un cancer du sein ou des ovaires. Cependant, comme c'est le cas pour la plupart des kallicréines, sa fonction est encore inconnue. Afin de mieux connaître son rôle biologique et/ou pathologique, nous avons décidé de caractériser son activité enzymatique. Nous avons tout d'abord mis au point un système de substrats entièrement biologique permettant d'étudier in vitro l'activité des protéases. Ce système est basé sur le phénomène de FRET, à savoir le transfert d'énergie de résonance fluorescente qui intervient entre deux molécules fluorescentes voisines si le spectre d'émission de la protéine donneuse chevauche le spectre d'excitation de la protéine receveuse. Nous avons fusionné de manière covalente une protéine fluorescente bleue (CFP) et une jaune (YFP) en les liant avec diverses séquences. Par clivage de la séquence de liaison, une perte du transfert d'énergie peut être mesurée par un spectrofluoromètre. Cette technologie représente un moyen facile de suivre la réaction d'hydrolyse des protéases. Les conditions optimales de production de ces substrats CFP-YFP ont été déterminées, de même que les paramètres pouvant éventuellement influencer le FRET. Ce système possède une grande résistance à la protéolyse non spécifique et est applicable à un grand nombre de protéase. Contrairement aux substrats fluorogéniques, il permet d'étudier les acides aminés se trouvant des deux côtés du site de clivage. Ce système étant entièrement biologique, il est le reflet des interactions protéine-protéine et représente un outil biologique facile, bon marché et rapide pour caractériser les protéases. Dans un premier temps, hK14 a été mise en présence d' une banque de haute diversité de pentapeptides aléatoires présentée à la surface de phages afin d'identifier des substrats spécifiques. Ensuite, le système CFP-YFP a été employé pour trier les peptides sélectionnés afin d'identifier les séquences de substrats les plus sensibles et spécifiques pour hK14. Nous avons montré, qu'en plus de sa prévisible activité de type trypsine, hK14 possède aussi une très surprenante activité de type chymotrypsine. Les séquences les plus sensibles ont été choisies pour cribler la banque de donnée Swissprot, permettant ainsi l'identification de 6 substrats protéiques humains potentiels pour hK14. Trois d'entre eux, la laminine α-5, le collagène IV et la matriline-4, qui sont des composants de la matrice extracellulaire, ont démontré une grande susceptibilité à l'hydrolyse par hK14. De plus, la séparation éléctrophorétique a montré que la dégradation de la laminine α-5 et de la matriline-4 par hK14 devait se produire aux sites identifiés par la technologie du phage display. Pour terminer, nous avons transformé, par mutagenèse dirigée, deux serpines (inhibiteurs de protéases de type sérine) connues, AAT et ACT (alpha anti-trypsine et alpha anti-chymotrypsine), qui inhibent un vaste éventail d'enzymes humaines en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Ces inhibiteurs pourront être utilisés d'une part pour poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre l'implication d'hK14 dans des voies physiologiques ou dans le cancer et d'autre part pour les évaluer in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. SUMMARY Proteases consist of enzymes involved in physiological events, but also, in case of dysregulation, in pathogenicity. The human tissue kallikrein family represents the largest human protease cluster and includes several members that either could participate in the course of certain diseases or emerged as potential biological markers, especially in hormone dependent cancers. The human kallikrein 14 has been recently discovered and suggested implications in some disorders, particularly in tumors since its gene expression is up-regulated in prostate and breast cancer tissues and its protein expression increased in the serum of patients with breast and ovarian cancers. However, like most kallikreins, its function remains unknown. To better understand hK14 biological and/or pathological role, we decided to characterize its enzymatic activity. First of all, we developped a biological system suitable for in vitro study of protease activity. This system is based on the so-called FRET phenomenon, that is the Fluorescence Resonance Energy Transfer that occurs between two nearby fluorescent proteins if the emission spectrum of the donor overlaps the excitation spectrum of the acceptor. We fused covalently a cyan fluorescent protein (CFP) and a yellow fluorescent protein (YFP) with diverses sequences. Upon cleavage of the linker sequence by protease, the loss of energy transfer can be measured by a spectrofluorometer allowing an easy following of hydrolysis reaction. The optimal conditions to produce in bacterial system these CFP-YFP substrates were determined as well as the parameters that could eventually influence the FRET. This system demonstrated a high degree of resistance to non-specific proteolysis and applicability to various conditions corresponding to a great number of existing proteases. Other avantages are the possibility to study the amino acids located both sides of the cleavage site as well as the interest to work in a full biological system reflecting protein-protein interaction. A phage substrate library with exhaustive diversity was used prior to CFP-substrate-YFP system to isolate specific human kallikrein 14 substrates. After that the CFP-YFP system was used to sort peptides and identify highly sensitive and specific substrate sequences for hK14. We showed that besides its predictable trypsin-like activity, hK14 also possesses a surprising chymotrypsin-like activity. The screening of the Swissprot database was achieved with the most sensitive sequences and allowed the identification of 6 potential human protein substrates for hK14. Three of them, laminin α-5, collagen IV and matrilin-4, which are components of the extracellular matrix were incubated with hK14, by which they were efficiently hydrolyzed. Moreover, electrophoretic separation revealed that degradation of laminin α-5 and matrilin-4 by hK14 generated fragments with identical molecular size than the predicted N-terminal fragments that would result from hK14 specific cleavage, proving the value of phage display substrate to identify potential substrates. Finally, with site-directed mutagenesis, we transformed two well-known serpins (serine protease inhibitors), AAT and ACT (alpha anti-trypsin and alpha anti-chymotrypsin), which inhibit a vast spectrum of human enzymes into highly efficient and specific hK14 inhibitors. These inhibitors will be used to pursue experiments that could help understand hK14 implication in physiological pathways as well as in cancer biology and also to perform their in vivo evalution as potential cancer treatment.

Exploring the mechanisms regulating nutrient bioavailability and lipid metabolism through a nutrigenomics approach

SUMMARY Following the complete sequencing of the human genome, the field of nutrition has begun utilizing this vast quantity of information to comprehensively explore the interactions between diet and genes. This approach, coined nutrigenomics, aims to determine the influence of common dietary ingredients on the genome, and attempts to relate the resulting different phenotypes to differences in the cellular and/or genetic response of the biological system. However, complementary to defining the biological outcomes of dietary ingredients, we must also understand the influence of the multiple factors (such as the microbiota, bile, and function of transporters) that may contribute to the bioavailability, and ultimately bioefficacy, of these ingredients. The gastrointestinal tract (GIT) is the body's foremost tissue boundary, interacting with nutrients, exogenous compounds and microbiota, and whose condition is influenced by the complex interplay between these environmental factors and genetic elements. In order to understand GIT nutrient-gene interactions, our goal was to comprehensively elucidate the region-specific gene expression underlying intestinal functions. We found important regional differences in the expression of members of the ATP-binding cassette family of transporters in the mouse intestine, suggesting that absorption of dietary compounds may vary along the GIT. Furthermore, the influence of the microbiota on host gene expression indicated that this luminal factor predominantly influences immune function and water transport throughout the GIT; however, the identification of region-specific functions suggest distinct host-bacterial interactions along the GIT. Thus, these findings reinforce that to understand nutrient bioavailability and GIT function, one must consider the physiologically distinct regions of the gut. Nutritional molecules absorbed by the enterocytes of the GIT enter circulation and will be selectively absorbed and metabolised by tissues throughout the body; however, their bioefficacy in the body will depend on the unique and shared molecular mechanisms of the various tissues. Using a nutrigenomic approach, the biological responses of the liver and hippocampus of mice fed different long chain-polyunsaturated fatty acids diets revealed tissue-specific responses. Furthermore, we identified stearoyl-CoA desaturase as a hepatic target for arachidonic acid, suggesting a potentially novel molecular mechanism that may protect against diet-induced obesity. In summary, this work begins to unveil the fundamentally important role that nutrigenomics will play in unravelling the molecular mechanisms, and those exogenous factors capable of influencing these mechanisms, that regulate the bioefficacy of nutritional molecules. RÉSUMÉ Suite au séquençage complet du génome humain, le domaine de la nutrition a commencé à utiliser cette vaste quantité d'information pour explorer de manière globale les interactions entre la nourriture et les gènes. Cette approche, appelée « nutrigenomics », a pour but de déterminer l'influence d'ingrédients couramment utilisés dans l'alimentation sur le génome, et d'essayer de relier ces différents phénotypes, ainsi révélés, à des différences de réponses cellulaires et/ou génétiques. Cependant, en plus de définir les effets biologiques d'ingrédients alimentaires, il est important de comprendre l'influence des multiples facteurs (telle que la microflore, la bile et la fonction des transporteurs) pouvant contribuer à la bio- disponibilité et par conséquent à l'efficacité de ces ingrédients. Le tractus gastro-intestinal (TGI), qui est la première barrière vers les tissus, interagit avec les nutriments, les composés exogènes et la microflore. La fonction de cet organe est influencée par les interactions complexes entre les facteurs environnementaux et les éléments génétiques. Dans le but de comprendre les interactions entre les nutriments et les gènes au niveau du TGI, notre objectif a été de décrire de manière globale l'expression génique spécifique de chaque région de l'intestin définissant leurs fonctions. Nous avons trouvé d'importantes différences régionales dans l'expression des transporteurs de la famille des « ATP-binding cassette transporter » dans l'intestin de souris, suggérant que l'absorption des composés alimentaires puisse varier le long de l'intestin. De plus, l'étude des effets de la microflore sur l'expression des gènes hôtes a indiqué que ce facteur de la lumière intestinale influence surtout la fonction immunitaire et le transport de l'eau à travers l'intestin. Cependant, l'identification des fonctions spécifiques de chaque région suggère des interactions distinctes entre l'hôte et les bactéries le long de l'intestin. Ainsi, ces résultats renforcent l'idée que la compréhension de la bio-disponibilité des nutriments, et par conséquent la fonction du TGI, doit prendre en considération les différences régionales. Les molécules nutritionnelles transportées par les entérocytes jusqu'à la circulation sanguine, sont ensuite sélectivement absorbées et métabolisées par les différents tissus de l'organisme. Cependant, leur efficacité biologique dépendra du mécanisme commun ou spécifique de chaque tissu. En utilisant une approche « nutriogenomics », nous avons pu mettre en évidence les réponses biologiques spécifiques du foie et de l'hippocampe de souris nourris avec des régimes supplémentés avec différents acides gras poly-insaturés à chaîne longue. De plus, nous avons identifié la stearoyl-CoA desaturase comme une cible hépatique pour l'acide arachidonique, suggérant un nouveau mécanisme moléculaire pouvant potentiellement protéger contre le développement de l'obésité. En résumé, ce travail a permis de dévoiler le rôle fondamental qu'une approche telle que la « nutrigenomics » peut jouer dans le décryptage des mécanismes moléculaires et de leur régulation par des facteurs exogènes, qui ensemble vont contrôler l'efficacité biologique des nutriments.

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Past and current climate change has already induced drastic biological changes. We need projections of how future climate change will further impact biological systems. Modeling is one approach to forecast future ecological impacts, but requires data for model parameterization. As collecting new data is costly, an alternative is to use the increasingly available georeferenced species occurrence and natural history databases. Here, we illustrate the use of such databases to assess climate change impacts on mountain flora. We show that these data can be used effectively to derive dynamic impact scenarios, suggesting upward migration of many species and possible extinctions when no suitable habitat is available at higher elevations. Systematically georeferencing all existing natural history collections data in mountain regions could allow a larger assessment of climate change impact on mountain ecosystems in Europe and elsewhere.

Nutrigenomics and nutrigenetics: the emerging faces of nutrition.

The recognition that nutrients have the ability to interact and modulate molecular mechanisms underlying an organism's physiological functions has prompted a revolution in the field of nutrition. Performing population-scaled epidemiological studies in the absence of genetic knowledge may result in erroneous scientific conclusions and misinformed nutritional recommendations. To circumvent such issues and more comprehensively probe the relationship between genes and diet, the field of nutrition has begun to capitalize on both the technologies and supporting analytical software brought forth in the post-genomic era. The creation of nutrigenomics and nutrigenetics, two fields with distinct approaches to elucidate the interaction between diet and genes but with a common ultimate goal to optimize health through the personalization of diet, provide powerful approaches to unravel the complex relationship between nutritional molecules, genetic polymorphisms, and the biological system as a whole. Reluctance to embrace these new fields exists primarily due to the fear that producing overwhelming quantities of biological data within the confines of a single study will submerge the original query; however, the current review aims to position nutrigenomics and nutrigenetics as the emerging faces of nutrition that, when considered with more classical approaches, will provide the necessary stepping stones to achieve the ambitious goal of optimizing an individual's health via nutritional intervention.

Using environmental niche modeling to understand biological invasions in a changing world

L'activité humaine affecte particulièrement la biodiversité, qui décline à une vitesse préoccupante. Parmi les facteurs réduisant la biodiversité, on trouve les espèces envahissantes. Symptomatiques d'un monde globalisé où l'échange se fait à l'échelle de la planète, certaines espèces, animales ou végétales, sont introduites, volontairement ou accidentellement par l'activité humaine (par exemple lors des échanges commerciaux ou par les voyageurs). Ainsi, ces espèces atteignent des régions qu'elles n'auraient jamais pu coloniser naturellement. Une fois introduites, l'absence de compétiteur peut les rendre particulièrement nuisibles. Ces nuisances sont plus ou moins directes, allant de problèmes sanitaires (p. ex. les piqûres très aigües des fourmis de feu, originaires d'Amérique du Sud et colonisant à une vitesse fulgurante les USA, l'Australie ou la Chine) à des nuisances sur la biodiversité (p. ex. les ravages de la perche du Nil sur la diversité unique des poissons Cichlidés du Lac Victoria). Il est donc important de pouvoir prévenir de telles introductions. De plus, pour le biologiste, ces espèces représentent une rare occasion de pouvoir comprendre les mécanismes évolutifs et écologiques qui expliquent le succès des envahissantes dans un monde où les équilibres sont bouleversés. Les modèles de niche environnementale sont un outil particulièrement utile dans le cadre de cette problématique. En reliant des observations d'espèces aux conditions environnementales où elles se trouvent, ils peuvent prédire la distribution potentielle des envahissantes, permettant d'anticiper et de mieux limiter leur impact. Toutefois, ils reposent sur des hypothèses pas évidentes à démontrer. L'une d'entre elle étant que la niche d'une espèce reste constante dans le temps, et dans l'espace. Le premier objectif de mon travail est de comparer si la niche d'une espèce envahissante diffère entre sa distribution d'origine native et celle d'origine introduite. En étudiant 50 espèces de plantes et 168 espèces de Mammifères, je démontre que c'est le cas et que par corolaire, il est possible de prédire leurs distributions. La deuxième partie de mon travail consiste à comprendre quelles seront les interactions entre le changement climatiques et les envahissantes, afin d'estimer leur impact sous un climat réchauffé. En étudiant la distribution de 49 espèces de plantes envahissantes, je démontre que les montagnes, régions relativement préservée par ce problème, deviendront bien plus exposées aux risques d'invasions biologiques. J'expose aussi comment les interactions entre l'activité humaine, le réchauffement climatique et les espèces envahissantes menacent la vigne sauvage en Europe et propose des zones géographiques particulièrement adaptée pour sa conservation. Enfin, à une échelle beaucoup plus locale, je montre qu'il est possible d'utiliser ces modèles de niches le long d'une rivière à une échelle extrêmement fine (1 mètre), potentiellement utile pour rationnaliser des mesures de conservations sur le terrain. - Biodiversity is significantly negatively affected by human activity. Invasive species are one of the most important factors causing biodiversity's decline. Intimately linked to the era of global trade, some plant or animal species can be accidentally or casually introduced with human activity (e.g. trade or travel). In this way, these species reach areas they could never reach through natural dispersal. Once naturalized, the lack of competitors can make these species highly noxious. Their effect is more or less direct, from sanitary problems (e.g. the harmful sting of Fire Ants, originating from South America and now spreading throughout USA, China and Australia) or can affect biodiversity (e.g. the Nile perch, devastating the one of the richest hotspot of Cichlid fishes diversity in Lake Victoria). It is thus important to prevent such harmful introductions. Moreover, invasive species represent for biologists one of the rare occasions to understand the evolutionary and ecological mechanisms behind the success of invaders in a world where natural equilibrium is already disturbed. Environmental niche models are particularly useful to tackle this problematic. By relating species observation to the environmental conditions where they occur, they can predict the potential distribution of invasive species, allowing a better anticipation and thus limiting their impact. However, they rely on strong assumption, one of the most important being that the modeled niche remains constant through space and time. The first aim of my thesis is to quantify the difference between the native and the invaded niche. By investigating 50 plant and 168 mammal species, I show that the niche is at least partially conserved, supporting for reliable predictions of invasive' s potential distributions. The second aim of my thesis is to understand the possible interactions between climate change and invasive species, such as to assess their impact under a warmer climate. By studying 49 invasive plant species, I show that mountain areas, which were relatively preserved, will become more suitable for biological invasions. Additionally, I show how interactions between human activity, global warming and invasive species are threatening the wild grapevine in Europe and propose geographical areas particularly adapted for conservation measures. Finally, at a much finer scale where conservation plannings ultimately take place, I show that it is possible to model the niche at very high resolution (1 meter) in an alluvial area allowing better prioritizations for conservation.

Making sense of AMPA receptor trafficking by modeling molecular mechanisms of synaptic plasticity.

Synaptic plasticity involves a complex molecular machinery with various protein interactions but it is not yet clear how its components give rise to the different aspects of synaptic plasticity. Here we ask whether it is possible to mathematically model synaptic plasticity by making use of known substances only. We present a model of a multistable biochemical reaction system and use it to simulate the plasticity of synaptic transmission in long-term potentiation (LTP) or long-term depression (LTD) after repeated excitation of the synapse. According to our model, we can distinguish between two phases: first, a "viscosity" phase after the first excitation, the effects of which like the activation of NMDA receptors and CaMKII fade out in the absence of further excitations. Second, a "plasticity" phase actuated by an identical subsequent excitation that follows after a short time interval and causes the temporarily altered concentrations of AMPA subunits in the postsynaptic membrane to be stabilized. We show that positive feedback is the crucial element in the core chemical reaction, i.e. the activation of the short-tail AMPA subunit by NEM-sensitive factor, which allows generating multiple stable equilibria. Three stable equilibria are related to LTP, LTD and a third unfixed state called ACTIVE. Our mathematical approach shows that modeling synaptic multistability is possible by making use of known substances like NMDA and AMPA receptors, NEM-sensitive factor, glutamate, CaMKII and brain-derived neurotrophic factor. Furthermore, we could show that the heteromeric combination of short- and long-tail AMPA receptor subunits fulfills the function of a memory tag.

Evaluation of occupational exposure: comparison of biological and environmental variabilities using physiologically based toxicokinetic modeling

PURPOSE: Few studies compare the variabilities that characterize environmental (EM) and biological monitoring (BM) data. Indeed, comparing their respective variabilities can help to identify the best strategy for evaluating occupational exposure. The objective of this study is to quantify the biological variability associated with 18 bio-indicators currently used in work environments. METHOD: Intra-individual (BV(intra)), inter-individual (BV(inter)), and total biological variability (BV(total)) were quantified using validated physiologically based toxicokinetic (PBTK) models coupled with Monte Carlo simulations. Two environmental exposure profiles with different levels of variability were considered (GSD of 1.5 and 2.0). RESULTS: PBTK models coupled with Monte Carlo simulations were successfully used to predict the biological variability of biological exposure indicators. The predicted values follow a lognormal distribution, characterized by GSD ranging from 1.1 to 2.3. Our results show that there is a link between biological variability and the half-life of bio-indicators, since BV(intra) and BV(total) both decrease as the biological indicator half-lives increase. BV(intra) is always lower than the variability in the air concentrations. On an individual basis, this means that the variability associated with the measurement of biological indicators is always lower than the variability characterizing airborne levels of contaminants. For a group of workers, BM is less variable than EM for bio-indicators with half-lives longer than 10-15 h. CONCLUSION: The variability data obtained in the present study can be useful in the development of BM strategies for exposure assessment and can be used to calculate the number of samples required for guiding industrial hygienists or medical doctors in decision-making.

Using toxicokinetic modeling approach to determine biological reference values (BRVs) and to assess human exposure to pesticides

Exposure to various pesticides has been characterized in workers and the general population, but interpretation and assessment of biomonitoring data from a health risk perspective remains an issue. For workers, a Biological Exposure Index (BEI®) has been proposed for some substances, but most BEIs are based on urinary biomarker concentrations at Threshold Limit Value - Time Weighted Average (TLV-TWA) airborne exposure while occupational exposure can potentially occurs through multiple routes, particularly by skin contact (i.e.captan, chlorpyrifos, malathion). Similarly, several biomonitoring studies have been conducted to assess environmental exposure to pesticides in different populations, but dose estimates or health risks related to these environmental exposures (mainly through the diet), were rarely characterized. Recently, biological reference values (BRVs) in the form of urinary pesticide metabolites have been proposed for both occupationally exposed workers and children. These BRVs were established using toxicokinetic models developed for each substance, and correspond to safe levels of absorption in humans, regardless of the exposure scenario. The purpose of this chapter is to present a review of a toxicokinetic modeling approach used to determine biological reference values. These are then used to facilitate health risk assessments and decision-making on occupational and environmental pesticide exposures. Such models have the ability to link absorbed dose of the parent compound to exposure biomarkers and critical biological effects. To obtain the safest BRVs for the studied population, simulations of exposure scenarios were performed using a conservative reference dose such as a no-observed-effect level (NOEL). The various examples discussed in this chapter show the importance of knowledge on urine collections (i.e. spot samples and complete 8-h, 12-h or 24-h collections), sampling strategies, metabolism, relative proportions of the different metabolites in urine, absorption fraction, route of exposure and background contribution of prior exposures. They also show that relying on urinary measurements of specific metabolites appears more accurate when applying this approach to the case of occupational exposures. Conversely, relying on semi-specific metabolites (metabolites common to a category of pesticides) appears more accurate for the health risk assessment of environmental exposures given that the precise pesticides to which subjects are exposed are often unknown. In conclusion, the modeling approach to define BRVs for the relevant pesticides may be useful for public health authorities for managing issues related to health risks resulting from environmental and occupational exposures to pesticides.

Biological exposure indicators: quantification of biological variability using toxicokinetic modeling

Compartmental and physiologically based toxicokinetic modeling coupled with Monte Carlo simulation were used to quantify the impact of biological variability (physiological, biochemical, and anatomic parameters) on the values of a series of bio-indicators of metal and organic industrial chemical exposures. A variability extent index and the main parameters affecting biological indicators were identified. Results show a large diversity in interindividual variability for the different categories of biological indicators examined. Measurement of the unchanged substance in blood, alveolar air, or urine is much less variable than the measurement of metabolites, both in blood and urine. In most cases, the alveolar flow and cardiac output were identified as the prime parameters determining biological variability, thus suggesting the importance of workload intensity on absorbed dose for inhaled chemicals.

Toxicokinetic modeling of folpet fungicide and its ring-biomarkers of exposure in humans.

A human in vivo toxicokinetic model was built to allow a better understanding of the toxicokinetics of folpet fungicide and its key ring biomarkers of exposure: phthalimide (PI), phthalamic acid (PAA) and phthalic acid (PA). Both PI and the sum of ring metabolites, expressed as PA equivalents (PAeq), may be used as biomarkers of exposure. The conceptual representation of the model was based on the analysis of the time course of these biomarkers in volunteers orally and dermally exposed to folpet. In the model, compartments were also used to represent the body burden of folpet and experimentally relevant PI, PAA and PA ring metabolites in blood and in key tissues as well as in excreta, hence urinary and feces. The time evolution of these biomarkers in each compartment of the model was then mathematically described by a system of coupled differential equations. The mathematical parameters of the model were then determined from best fits to the time courses of PI and PAeq in blood and urine of five volunteers administered orally 1 mg kg(-1) and dermally 10 mg kg(-1) of folpet. In the case of oral administration, the mean elimination half-life of PI from blood (through feces, urine or metabolism) was found to be 39.9 h as compared with 28.0 h for PAeq. In the case of a dermal application, mean elimination half-life of PI and PAeq was estimated to be 34.3 and 29.3 h, respectively. The average final fractions of administered dose recovered in urine as PI over the 0-96 h period were 0.030 and 0.002%, for oral and dermal exposure, respectively. Corresponding values for PAeq were 24.5 and 1.83%, respectively. Finally, the average clearance rate of PI from blood calculated from the oral and dermal data was 0.09 ± 0.03 and 0.13 ± 0.05 ml h(-1) while the volume of distribution was 4.30 ± 1.12 and 6.05 ± 2.22 l, respectively. It was not possible to obtain the corresponding values from PAeq data owing to the lack of blood time course data.

Implicit methods for qualitative modeling of gene regulatory networks.

Advancements in high-throughput technologies to measure increasingly complex biological phenomena at the genomic level are rapidly changing the face of biological research from the single-gene single-protein experimental approach to studying the behavior of a gene in the context of the entire genome (and proteome). This shift in research methodologies has resulted in a new field of network biology that deals with modeling cellular behavior in terms of network structures such as signaling pathways and gene regulatory networks. In these networks, different biological entities such as genes, proteins, and metabolites interact with each other, giving rise to a dynamical system. Even though there exists a mature field of dynamical systems theory to model such network structures, some technical challenges are unique to biology such as the inability to measure precise kinetic information on gene-gene or gene-protein interactions and the need to model increasingly large networks comprising thousands of nodes. These challenges have renewed interest in developing new computational techniques for modeling complex biological systems. This chapter presents a modeling framework based on Boolean algebra and finite-state machines that are reminiscent of the approach used for digital circuit synthesis and simulation in the field of very-large-scale integration (VLSI). The proposed formalism enables a common mathematical framework to develop computational techniques for modeling different aspects of the regulatory networks such as steady-state behavior, stochasticity, and gene perturbation experiments.

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.