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.

Compliance im öffentlichen Sektor : Untersuchung über den allfälligen Nutzen eines Compliance-Management-Systems in der öffentlichen Verwaltung am Beispiel des Bundesamtes für Gesundheit

Par Compliance, on entend l'ensemble des mesures organisationnelles d'une entreprise qui visent à assurer le respect des règles par l'entreprise et ses collaborateurs. Dans le secteur privé - surtout dans les banques et les assurances - la Compliance est un concept bien établi et le poste du Compliance Officer apparaît clairement dans l'organigramme des entreprises. Ce terme apparaît aussi de temps à autre au sein de l'administration fédérale, en relation avec la politique de gestion des risques et le système de contrôle interne (SCI) ; mais une introduction effective de la Compliance n'y a pas encore eu lieu (jusqu'ici). Les Américains ont l'habitude de dire « if you think compliance is expensive, try non compliance ». Cette déclaration, apparemment valable pour le secteur privé, peut-elle cependant être transposée telle quelle au secteur public ? L'introduction d'un système de management tel que la Compliance apporterait-elle effectivement une plus-value par rapport aux systèmes existants afin d'éviter les risques engendrant des conséquences juridiques ou causant une mauvaise réputation suite au non-respect de règles par des collaborateurs ? La présente étude se penche sur ces questions et analyse, sur la base de documents et d'interviews, quels éléments de la Compliance existent au niveau de la Confédération et au sein de l'Office fédéral de la santé publique (OFSP) et s'ils sont propres à atteindre les objectifs visés par la Compliance. Dans plusieurs domaines, on a pu constater des défauts et, par conséquent, un gros potentiel d'amélioration. Le problème principal est l'absence d'organisation au niveau de la Compliance. Cela complique la vue d'ensemble des risques juridiques et de ceux pouvant causer une mauvaise réputation qui existent au niveau de la Confédération et à l'OFSP et rend impossible un management homogène de ces risques. En conséquence et dans l'état actuel des choses, il pourrait s'avérer difficile d'éviter de manière durable la réalisation des risques susmentionnés au moyen des systèmes existants. D'un autre côté, la politique de gestion des risques au sein de la Confédération et l'introduction d'un système de contrôle interne (SCI) ont représenté les premiers pas en direction d'un système de gestion des risques intégré. La Compliance serait un complément idéal et pourrait - dans la mesure où la direction de l'Office la soutient et donne le bon exemple - contribuer à la réduction des risques décrits ci-dessus non seulement au niveau de la Confédération mais encore au sein de l'OFSP. La présente étude ne vise pas pour autant à critiquer les systèmes établis, mais bien plus à montrer le potentiel d'amélioration dont on pourrait tirer profit.

Improved accuracy of co-morbidity coding over time after the introduction of ICD-10 administrative data.

BACKGROUND: Co-morbidity information derived from administrative data needs to be validated to allow its regular use. We assessed evolution in the accuracy of coding for Charlson and Elixhauser co-morbidities at three time points over a 5-year period, following the introduction of the International Classification of Diseases, 10th Revision (ICD-10), coding of hospital discharges.METHODS: Cross-sectional time trend evaluation study of coding accuracy using hospital chart data of 3'499 randomly selected patients who were discharged in 1999, 2001 and 2003, from two teaching and one non-teaching hospital in Switzerland. We measured sensitivity, positive predictive and Kappa values for agreement between administrative data coded with ICD-10 and chart data as the 'reference standard' for recording 36 co-morbidities.RESULTS: For the 17 the Charlson co-morbidities, the sensitivity - median (min-max) - was 36.5% (17.4-64.1) in 1999, 42.5% (22.2-64.6) in 2001 and 42.8% (8.4-75.6) in 2003. For the 29 Elixhauser co-morbidities, the sensitivity was 34.2% (1.9-64.1) in 1999, 38.6% (10.5-66.5) in 2001 and 41.6% (5.1-76.5) in 2003. Between 1999 and 2003, sensitivity estimates increased for 30 co-morbidities and decreased for 6 co-morbidities. The increase in sensitivities was statistically significant for six conditions and the decrease significant for one. Kappa values were increased for 29 co-morbidities and decreased for seven.CONCLUSIONS: Accuracy of administrative data in recording clinical conditions improved slightly between 1999 and 2003. These findings are of relevance to all jurisdictions introducing new coding systems, because they demonstrate a phenomenon of improved administrative data accuracy that may relate to a coding 'learning curve' with the new coding system.

Complexité, médecine générale et réformes des systèmes de santé [Complexity, general practice and reforms of health systems].

The family doctor facing complexity must decide in situations of low certainty and low agreement. Complexity is in part subjective but can also be measured. Changes in the health systems aim to reduce health costs. They tend to give priority to simple situations and to neglect complexity. One role of an academic institute of family medicine is to present and promote the results of scientific research supporting the principles of family medicine, taking into account both the local context and health systems reforms. In Switzerland the new challenge is the introduction of managed care.

Intrathecal drug delivery systems for cancer pain

Introduction: A substantial number of patients with cancer suffer considerable pain at some point during their disease, and approximately 25% of cancer patients die in pain. In cases of uncontrolled pain or intolerable side effects, intrathecal drug delivery system (IDDS) is a recognised management option. Indeed, IDDS offer rapid and effective pain relief with less drug side effects compared to oral or parenteral administration. The aim of this study is to retrospectively review our series of cancer patients treated with IDDS. Method: Data was extracted from the institutional neuromodulation registry. Patients with cancer pain treated with IDDS from 01.01.1997 to 30.12.2009 were analysed for subjective improvement, changes in pain intensity (VAS) and survival time after implantation. Measurements were available for a decreasing number of patients as time since baseline increased. Results: During the studied period, 78 patients were implanted with IDDS for cancer pain. The mean survival time was 11.1 months (median: 3.8 months) and 14 patients (18%) were still alive at the end of the studied period. Subjective improvement was graded between 55 and 83% during the first year. Mean VAS during the first year remained lower than VAS at baseline. Discussion: IDDS has been shown to be cost-effective in several studies. Although initial costs of implantation are high, the cost benefits favour analgesia with implanted intrathecal pumps over epidural external systems after 3 to 6 months in cancer patients. Improved survival has been associated with IDDS and in this series both the mean and median survival times were above the cut-off value of three months. The mean subjective improvement was above 50% during the whole first year, suggesting a good efficacy of the treatment, a finding that is consistent with the results from other groups. Changes in pain intensity are difficult to interpret in the context of rapidly progressive disease such as in terminal cancer. However, mean VAS from 1 thru12 months were lower than baseline, suggesting improved pain control with IDDS, or at least a stabilisation of the pain symptoms. Conclusion: Our retrospective series suggests IDDS is effective in intractable cancer pain and we believe it should be considered even in terminally ill patients with limited life expectancies.

Impact of the introduction of real-time therapeutic drug monitoring on empirical doses of carbapenems in critically ill burn patients.

PURPOSE: Adequate empirical antibiotic dose selection for critically ill burn patients is difficult due to extreme variability in drug pharmacokinetics. Therapeutic drug monitoring (TDM) may aid antibiotic prescription and implementation of initial empirical antimicrobial dosage recommendations. This study evaluated how gradual TDM introduction altered empirical dosages of meropenem and imipenem/cilastatin in our burn ICU. METHODS: Imipenem/cilastatin and meropenem use and daily empirical dosage at a five-bed burn ICU were analyzed retrospectively. Data for all burn admissions between 2001 and 2011 were extracted from the hospital's computerized information system. For each patient receiving a carbapenem, episodes of infection were reviewed and scored according to predefined criteria. Carbapenem trough serum levels were characterized. Prior to May 2007, TDM was available only by special request. Real-time carbapenem TDM was introduced in June 2007; it was initially available weekly and has been available 4 days a week since 2010. RESULTS: Of 365 patients, 229 (63%) received antibiotics (109 received carbapenems). Of 23 TDM determinations for imipenem/cilastatin, none exceeded the predefined upper limit and 11 (47.8%) were insufficient; the number of TDM requests was correlated with daily dose (r=0.7). Similar numbers of inappropriate meropenem trough levels (30.4%) were below and above the upper limit. Real-time TDM introduction increased the empirical dose of imipenem/cilastatin, but not meropenem. CONCLUSIONS: Real-time carbapenem TDM availability significantly altered the empirical daily dosage of imipenem/cilastatin at our burn ICU. Further studies are needed to evaluate the individual impact of TDM-based antibiotic adjustment on infection outcomes in these patients.