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.

Identification and antifungal susceptibility of a large collection of yeast strains isolated in Tunisian hospitals.

Abstract In this study, matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) was used as a rapid method to identify yeasts isolated from patients in Tunisian hospitals. When identification could not be exstablished with this procedure, sequencing of the internal transcribed spacer with 5.8S ribosomal DNA (rDNA) (ITS1-5.8S-ITS2) and D1/D2 domain of large-subunit (LSU rDNA) were employed as a molecular approach for species differentiation. Candida albicans was the dominant species (43.37% of all cases), followed by C. glabrata (16.55%), C. parapsilosis (13.23%), C. tropicalis (11.34%), C. dubliniensis (4.96%), and other species more rarely encountered in human diseases such as C. krusei, C. metapsilosis, C. lusitaniae, C. kefyr, C. palmioleophila, C. guilliermondii, C. intermedia, C. orthopsilosis, and C. utilis. In addition, other yeast species were obtained including Saccharomyces cerevisiae, Debaryomyces hansenii (anamorph known as C. famata), Hanseniaspora opuntiae, Kodamaea ohmeri, Pichia caribbica (anamorph known as C. fermentati), Trichosporon spp. and finally a novel yeast species, C. tunisiensis. The in vitro antifungal activities of fluconazole and voriconazole were determined by the agar disk diffusion test and Etest, while the susceptibility to additional antifungal agents was determined with the Sensititre YeastOne system. Our results showed low incidence of azole resistance in C. albicans (0.54%), C. tropicalis (2.08%) and C. glabrata (4.28%). In addition, caspofungin was active against most isolates of the collection with the exception of two K. ohmeri isolates. This is the first report to describe caspofungin resistant isolates of this yeast.

DSM-5: a collection of psychiatrist views on the changes, controversies, and future directions.

The recent release of the fifth edition of the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM-5) by the American Psychiatric Association has led to much debate. For this forum article, we asked BMC Medicine Editorial Board members who are experts in the field of psychiatry to discuss their personal views on how the changes in DSM-5 might affect clinical practice in their specific areas of psychiatric medicine. This article discusses the influence the DSM-5 may have on the diagnosis and treatment of autism, trauma-related and stressor-related disorders, obsessive-compulsive and related disorders, mood disorders (including major depression and bipolar disorders), and schizophrenia spectrum disorders.

Metabolic engineering of plants for the synthesis of polyhydroxyalkanoates

Synthesis of polyhydroxyalkanoates (PHAs) in crop is viewed as an attractive approach for the production of this family of biodegradable plastics in large quantities and at low costs. Synthesisof PHAs containing various monomers has so far been demonstrated in the cytosol, plastids, and peroxisomes of plants. Several biochemical pathways have been modifies to achieve this, including the isoprenois pathway, the fatty acid biosynthetic pathway, and the fatty acid

Phytochemical investigation of plants used in African traditional medicine: "Dioscorea sylvatica" (Dioscoreaceae), "Urginea altissima" (Liliaceae), "Jamesbrittenia fodina" and "Jamesbrittenia elegantissima" (Scrophulariaceae)

Les plantes médicinales représentent la seule source de médicaments pour près de 90 % de la population de certains pays d?Afrique. Le savoir-faire des guérisseurs traditionnels, d?une valeur inestimable, représente un point de départ pour l?investigation pharmacologique et phytochimique de ces médicaments naturels. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes dans un premier temps intéressés à valider l?utilisation en médecine traditionnelle de deux plantes, Diuscorea sylvatica (Dioscoreaceae) et Urginea altissima (Liliaceae), qui produisent, lorsqu?elles sont frottées sur la peau, une inflammation et des démangeaisons. Ces réactions cutanées ont pu être expliquées, au moins en partie, par la présence d?aiguilles acérées d?oxalate de calcium dans les organes souterrains. Ces microtraumatismes répétés de l?épiderme risquent de provoquer, lors d?une utilisation prolongée, des lésions granulomateuses. L?histamine n?a pas été détectée, mais d?autres substances pourraient être impliquées dans le processus inflammatoire. La seconde partie de ce travail a consisté en la détection, l?isolement et la caractérisation de nouveaux composés naturels présentant un intérêt thérapeutique potentiel. 70 extraits provenant de 28 plantes supérieures du Zimbabwe ont été soumis à un criblage chimique et biologique. Les extraits méthanoliques des parties aériennes de Jamesbrittenia fodina et J. elegantissima (Scrophulariaceae) ont été sélectionnés sur la base de leurs nombreuses activités. Le fractionnement guidé par l?activité de J. fudina a permis l?isolement des saponines A et B, responsables des activités antifongique, antibactérienne et molluscicide de l?extrait. De plus, les deux saponines ont montré une activité équivalente en tant qu?inhibiteurs de l?acétylcholinestérase, propriété encore non décrite pour cette classe de composés. Une analyse LC/uv/MS de l?extrait a permis d?attribuer l?activité antiradicalaire au verbascoside, un dérivé du phenylpropane; cette analyse a de plus montré la présence d?une série de dérivés de l?acide cinnamique, dont l?isolement a été entrepris. Deux problèmes d?instabilité sont apparus, empêchant l?isolement des composés par des méthodes chromatographiques de pointe, en dépit de très bonnes conditions de séparations. Des analyses LC/?H-NMR combinées à des analyses RMN classiques des mélanges ont permis d?attribuer ces instabilités d?une part à une isomérisation cis/trans induite par la lumière, et d?autre part à une transacylation du groupe cinnamoyl sur une unité de sucre. Ceci a permis l?identification de 12 esters cinnamiques d?iridoïdes, dont 8 nouveaux produits naturels. Ces dérivés présentent un intérêt thérapeutique, car des composés similaires ont montré des propriétés anti-inflammatoires significatives dans différents modèles in vivo. Deux flavanones ont aussi été isolées de l?extrait. Cette classe de composés n?a jamais été rapportée chez un membre des Scrophulariaceae. Une analyse LC/UV/MS comparative des extraits polaires des deux espèces, J. fodina et J. elegantissima, a été effectuée pour détecter la présence éventuelle de compos.és communs. Les saponines A et B et le verbascoside ont été identifiés dans l?extrait de J. elegantissima. Trois flavonoïdes ont de plus été isolés de ce dernier par CPC et HPLC semi-préparative.<br/><br/>In certain African countries, medicinal plants represent the unique source of to 90% of the population. The knowledge of traditional healers represents a basis for the pharmacological and phytochemical investigation of these natural medicines. This work first focused on the validation of use of two plants frequently employed in traditional medicine, Dioscorea sylvatica (Dioscoreaceae) and Urginea altissimu (Liliaceae), which produce mild inflammation and itching when rubbed on the skin. These cutaneous reactions were shown to be due, at least in part, to the presence of sharp needles of calcium oxalate, implying the risk of granulomatous lesions following a long term use. Histamine was not detected, but other compounds could be involved in the inflammatory process. The second part of this work consisted of the detection, isolation and characterisation of new natural compounds of potential therapeutic interest from African plants. Seventy extracts obtained from 28 higher plants of Zimbabwe were submitted to a chemical and biological screening. The methanol extracts of the whole plants of Jamesbrittenia fodina and J. elegantissima (Scrophulariaceae) were selected for their various activities. An activity-guided fractionation of J. fodina led to the isolation of the saponins A and B, responsible for the antifungal, antibacterial and molluscicidal properties. Both saponins were equally active as inhibitors of acetylcholinesterase, a property that has, to our knowledge, never been described for this class of compounds. A LC/UV/MS analysis of the extract allowed the identification of verbascoside as the product with radical scavenging activity, and indicated the presence of a series of potentially interesting cinnamic acid derivatives. Two types of instability problems occurred in the course of their isolation, as some compounds could not be separated despite very good chromatographic conditions. LC/'H-NMR analyses combined with in-mixture NMR analyses enabled the attribution of the cause of the instability in one case to a cidtrans light-induced isomerisation, and in the other case to a transacylation of the cinnamoyl moiety on a sugar residue. These problems of instability have not been the object of previous studies. 12 cinnamic iridoid esters could be characterised, 8 of these being new natural compounds. Several similar substances have displayed significant anti-inflammatory properties in different in vivo models, suggesting a therapeutic interest for these new derivatives. Two flavanones were isolated from the same extract. This class of compound has not been previously reported from species of the Scrophulariaceae family. A comparative LCAJVNS study of the polar extracts of the two species J. elegantissima and J. fodina was performed in order to detect possible common compounds. Saponins A and B and verbascoside were thus identified in .J. elegantissima. Moreover, three supplementary flavonoids were isolated from J. elegantissima..