Dynamic simulation of regulatory networks using SQUAD.

BACKGROUND: The ambition of most molecular biologists is the understanding of the intricate network of molecular interactions that control biological systems. As scientists uncover the components and the connectivity of these networks, it becomes possible to study their dynamical behavior as a whole and discover what is the specific role of each of their components. Since the behavior of a network is by no means intuitive, it becomes necessary to use computational models to understand its behavior and to be able to make predictions about it. Unfortunately, most current computational models describe small networks due to the scarcity of kinetic data available. To overcome this problem, we previously published a methodology to convert a signaling network into a dynamical system, even in the total absence of kinetic information. In this paper we present a software implementation of such methodology. RESULTS: We developed SQUAD, a software for the dynamic simulation of signaling networks using the standardized qualitative dynamical systems approach. SQUAD converts the network into a discrete dynamical system, and it uses a binary decision diagram algorithm to identify all the steady states of the system. Then, the software creates a continuous dynamical system and localizes its steady states which are located near the steady states of the discrete system. The software permits to make simulations on the continuous system, allowing for the modification of several parameters. Importantly, SQUAD includes a framework for perturbing networks in a manner similar to what is performed in experimental laboratory protocols, for example by activating receptors or knocking out molecular components. Using this software we have been able to successfully reproduce the behavior of the regulatory network implicated in T-helper cell differentiation. CONCLUSION: The simulation of regulatory networks aims at predicting the behavior of a whole system when subject to stimuli, such as drugs, or determine the role of specific components within the network. The predictions can then be used to interpret and/or drive laboratory experiments. SQUAD provides a user-friendly graphical interface, accessible to both computational and experimental biologists for the fast qualitative simulation of large regulatory networks for which kinetic data is not necessarily available.

A discrete forest in a continuous landscape : investigating interactions between natural resource management and sustainable development

Summary Forests are key ecosystems of the earth and associated with a large range of functions. Many of these functions are beneficial to humans and are referred to as ecosystem services. Sustainable development requires that all relevant ecosystem services are quantified, managed and monitored equally. Natural resource management therefore targets the services associated with ecosystems. The main hypothesis of this thesis is that the spatial and temporal domains of relevant services do not correspond to a discrete forest ecosystem. As a consequence, the services are not quantified, managed and monitored in an equal and sustainable manner. The thesis aims were therefore to test this hypothesis, establish an improved conceptual approach and provide spatial applications for the relevant land cover and structure variables. The study was carried out in western Switzerland and based primarily on data from a countrywide landscape inventory. This inventory is part of the third Swiss national forest inventory and assesses continuous landscape variables based on a regular sampling of true colour aerial imagery. In addition, land cover variables were derived from Landsat 5 TM passive sensor data and land structure variables from active sensor data from a small footprint laserscanning system. The results confirmed the main hypothesis, as relevant services did not scale well with the forest ecosystem. Instead, a new conceptual approach for sustainable management of natural resources was described. This concept quantifies the services as a continuous function of the landscape, rather than a discrete function of the forest ecosystem. The explanatory landscape variables are therefore called continuous fields and the forest becomes a dependent and function-driven management unit. Continuous field mapping methods were established for land cover and structure variables. In conclusion, the discrete forest ecosystem is an adequate planning and management unit. However, monitoring the state of and trends in sustainability of services requires them to be quantified as a continuous function of the landscape. Sustainable natural resource management iteratively combines the ecosystem and gradient approaches. Résumé Les forêts sont des écosystèmes-clés de la terre et on leur attribue un grand nombre de fonctions. Beaucoup de ces fonctions sont bénéfiques pour l'homme et sont nommées services écosystémiques. Le développement durable exige que ces services écosystémiques soient tous quantifiés, gérés et surveillés de façon égale. La gestion des ressources naturelles a donc pour cible les services attribués aux écosystèmes. L'hypothèse principale de cette thèse est que les domaines spatiaux et temporels des services attribués à la forêt ne correspondent pas à un écosystème discret. Par conséquent, les services ne sont pas quantifiés, aménagés et surveillés d'une manière équivalente et durable. Les buts de la thèse étaient de tester cette hypothèse, d'établir une nouvelle approche conceptuelle de la gestion des ressources naturelles et de préparer des applications spatiales pour les variables paysagères et structurelles appropriées. L'étude a été menée en Suisse occidentale principalement sur la base d'un inventaire de paysage à l'échelon national. Cet inventaire fait partie du troisième inventaire forestier national suisse et mesure de façon continue des variables paysagères sur la base d'un échantillonnage régulier sur des photos aériennes couleur. En outre, des variables de couverture ? terrestre ont été dérivées des données d'un senseur passif Landsat 5 TM, ainsi que des variables structurelles, dérivées du laserscanning, un senseur actif. Les résultats confirment l'hypothèse principale, car l'échelle des services ne correspond pas à celle de l'écosystème forestier. Au lieu de cela, une nouvelle approche a été élaborée pour la gestion durable des ressources naturelles. Ce concept représente les services comme une fonction continue du paysage, plutôt qu'une fonction discrète de l'écosystème forestier. En conséquence, les variables explicatives de paysage sont dénommées continuous fields et la forêt devient une entité dépendante, définie par la fonction principale du paysage. Des méthodes correspondantes pour la couverture terrestre et la structure ont été élaborées. En conclusion, l'écosystème forestier discret est une unité adéquate pour la planification et la gestion. En revanche, la surveillance de la durabilité de l'état et de son évolution exige que les services soient quantifiés comme fonction continue du paysage. La gestion durable des ressources naturelles joint donc l'approche écosystémique avec celle du gradient de manière itérative.

The Learning Affect Monitor (LAM) - A computer-based system integrating quantitative and qualitative assessment of affective states in daily life.

The Learning Affect Monitor (LAM) is a new computer-based assessment system integrating basic dimensional evaluation and discrete description of affective states in daily life, based on an autonomous adapting system. Subjects evaluate their affective states according to a tridimensional space (valence and activation circumplex as well as global intensity) and then qualify it using up to 30 adjective descriptors chosen from a list. The system gradually adapts to the user, enabling the affect descriptors it presents to be increasingly relevant. An initial study with 51 subjects, using a 1 week time-sampling with 8 to 10 randomized signals per day, produced n = 2,813 records with good reliability measures (e.g., response rate of 88.8%, mean split-half reliability of .86), user acceptance, and usability. Multilevel analyses show circadian and hebdomadal patterns, and significant individual and situational variance components of the basic dimension evaluations. Validity analyses indicate sound assignment of qualitative affect descriptors in the bidimensional semantic space according to the circumplex model of basic affect dimensions. The LAM assessment module can be implemented on different platforms (palm, desk, mobile phone) and provides very rapid and meaningful data collection, preserving complex and interindividually comparable information in the domain of emotion and well-being.

The shaping of invasive glioma phenotype by the ubiquitin-proteasome system.

Abstract Protein degradation is an indispensable process for cells which is often deregulated in various diseases, including malignant conditions. Depending on the specific cell type and functions of expressed proteins, this aberration may have different effects on the determination of malignant phenotypes. A discrete, inherent feature of malignant glioma is its profound invasive and migratory potential, regulated by the expression of signaling and effector proteins, many of which are also subjected to post-translational regulation by the ubiquitin-proteasome system (UPS). Here we provide an overview of this connection, focusing on important pro-invasive protein signals targeted by the UPS.

Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.