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

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

Annotating the human genome

2 Abstract2.1 En françaisLe séquençage du génome humain est un pré-requis fondamental à la compréhension de la biologie de l'être humain. Ce projet achevé, les scientifiques ont dû faire face à une tâche aussi importante, comprendre cette suite de 3 milliards de lettres qui compose notre génome. Le consortium ENCODE (ENCyclopedia Of Dna Elements) fût formé comme une suite logique au projet du génome humain. Son rôle est d'identifier tous les éléments fonctionnels de notre génome incluant les régions transcrites, les sites d'attachement des facteurs de transcription, les sites hypersensibles à la DNAse I ainsi que les marqueurs de modification des histones. Dans le cadre de ma thèse doctorale, j'ai participé à 2 sous-projets d'ENCODE. En premier lieu, j'ai eu la tâche de développer et d'optimiser une technique de validation expérimentale à haut rendement de modèles de gènes qui m'a permis d'estimer la qualité de la plus récente annotation manuelle. Ce nouveau processus de validation est bien plus efficace que la technique RNAseq qui est actuellement en train de devenir la norme. Cette technique basée sur la RT-PCR, m'a notamment permis de découvrir de nouveaux exons dans 10% des régions interrogées. En second lieu j'ai participé à une étude ayant pour but d'identifier les extrémités de tous les gènes des chromosomes humains 21 et 22. Cette étude à permis l'identification à large échelle de transcrits chimères comportant des séquences provenant de deux gènes distincts pouvant être à une grande distance l'un de autre.2.2 In EnglishThe completion of the human genome sequence js the prerequisite to fully understand the biology of human beings. This project achieved, scientists had to face another challenging task, understanding the meaning of the 3 billion letters composing this genome. As a logical continuation of the human genome project, the ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements) consortium was formed with the aim of annotating all its functional elements. These elements include transcribed regions, transcription binding sites, DNAse I hypersensitive sites and histone modification marks. In the frame of my PhD thesis, I was involved in two sub-projects of ENCODE. Firstly I developed and optimized an high throughput method to validate gene models, which allowed me to assess the quality of the most recent manually-curated annotation. This novel experimental validation pipeline is extremely effective, far more so than transcriptome profiling through RNA sequencing, which is becoming the norm. This RT-PCR-seq targeted-approach is likewise particularly efficient in identifying novel exons, as we discovered about 10% of loci with unannotated exons. Secondly, I participated to a study aiming to identify the gene boundaries of all genes in the human chromosome 21 and 22. This study led to the identification of chimeric transcripts that are composed of sequences coming form two distinct genes that can be map far away from each other.

Le coeur inquiet du christianisme

(Résumé du numéro) Prophéties et visions du futur Notre époque se méfie des prophètes, mais fait confiance aux astrologues, devins et autres voyantes... Y compris dans les plus hautes sphères du pouvoir! Ce surgissement de l'irrationnel dans une société fière de sa "science" laisse perplexe. De telles croyances, dont le caractère païen est parfois souligné, entretiennent dans l'esprit du public une confusion fâcheuse entre prophétie et prédiction. Le prophétisme s'en trouve dévalorisé, alors qu'il a joué à certains moments un rôle décisif dans l'histoire de l'humanité. "L'avez-vous remarqué?", écrivait il y a quelques années Bruno Chenu, "À l'heure actuelle, le thème du prophétisme semble s'être évanoui du paysage, tant social qu'ecclésial. Il n'y a plus grand monde pour se risquer à une interpellation forte, à une mise en cause radicale, à une proposition dérangeante. [...] Nous sommes à l'âge des croyances molles. N'est-il pas grand temps de retrouver, collectivement et personnellement, l'inspiration prophétique?" (1). Le prophète est une figure centrale des religions monothéistes. Il porte la sagesse du message divin que les hommes ne savent pas discerner. Donc, il dérange. Et si sa parole est écoutée, voire sollicitée, dans les périodes d'incertitudes, il devient gênant dès lors que le pouvoir - religieux ou politique - pense avoir repris en main les destinées de la communauté. "L'avenir n'est à personne, sire, l'avenir est à Dieu" rappelle, trop tard!, Victor Hugo à Napoléon 1er. Il est vrai que la condamnation des prophètes est souvent consécutive à une catastrophe déclenchée par de "faux" prophètes. La difficulté à identifier la véritable prophétie a entraîné à plusieurs reprises l'annonce de l'extinction du prophétisme, par les sages juifs au deuxième siècle avant notre ère, ou lorsque le christianisme devient la religion officielle de l'Empire romain. À chaque fois, le prophétisme est réapparu, comme si la religion ne pouvait en faire l'économie. C'est l'une des leçons qui ressort le plus clairement du dossier que nous consacrons au couple tumultueux que constituent prophètes et visions du futur. Le prophète porte aussi les espoirs de l'humanité. Un monde sans prophètes serait-il un monde sans espérance?

Synthèse de l'évolution de la plateforme Urgonienne (Barrémien tardif à Aptien précoce) du Sud-Est de la France : facies, micropaléontologie, géochimie, géométries, paléotectonique et géomodélisation

Il y a environ 125 millions d'années, au Crétacé inférieur, la position des continents et le climat terrestre étaient bien différents de ce que l'on connait aujourd'hui. Le Sud-Est de la France, secteur de cette étude, était alors recouvert d'eau, sous un climat chaud et humide. Sur la bordure de cette étendue d'eau (appelée bassin Vocontien), qui correspond aujourd'hui aux régions de la Provence, du Vaucluse, du Gard, de l'Ardèche et du Vercors, des plateformes carbonatées, (telles que les Bahamas), se développaient. Le calcaire, formé à partir des sédiments accumulés sur ces plateformes, est appelé Urgonien. L'objectif de cette étude est de définir les facteurs qui ont influencé le développement de cette plateforme carbonatée dite « urgonienne » et dans quelle mesure. Plusieurs missions de terrain ont permis de récolter de nombreux échantillons de roche en 52 lieux répartis sur l'ensemble du Sud-Est de la France. Les observations réalisées sur le terrain ainsi que les données acquises en laboratoire (microfaune, microfacies et données géo-chimiques) ont permis, de subdiviser chacune des 52 séries urgoniennes en séquences stratigraphiques et cortèges sédimentaires. La comparaison des épaisseurs et des faciès de chaque cortège sédimentaire permet de concevoir la géométrie et l'évolution paléogéographique de la plateforme urgonienne. Les résultats de cette étude démontrent que son organisation est principalement dirigée par des failles qui ont jouées pendant le dépôt des sédiments. Sur la bordure nord du bassin Vocontien, trois failles subméridiennes contrôlent la géométrie et la répartition des environnements de dépôt. Sur sa bordure sud, ces failles synsédimentaires d'orientation N30° et N110° délimitent des blocs basculés. En tête de bloc, des séries d'épaisseurs réduites à faciès de lagon interne se sont déposées alors que les pieds de blocs sont caractérisés par des épaisseurs importantes et la présence de faciès plus externes. Ces concepts ont ensuite été testés en construisant un modèle numérique en trois dimensions de l'Urgonien du Sud-Est de la France. Sa cohérence avec les données acquises tout au long de cette étude d'une part, et sa cohérence géométrique d'autre part, valide les théories avancées. Des formations équivalentes à l'Urgonien sont réparties dans le monde entier et notamment au Moyen-Orient où elles constituent les réservoirs pétroliers les plus importants. Etre capable de caractériser les facteurs ayant influencé son architecture permet par la suite une meilleure exploitation de ses ressources énergétiques. -- Au Crétacé inférieur, l'intense activité magmatique due à la dislocation du super-continent Pangée influence fortement les conditions environnementales globales. Au Barrémien terminal et Aptien basal, période géologique dont fait l'objet cette étude, le bassin Vocontien, puis Bédoulien, recouvre le Sud-Est de la France, sous un climat chaud et humide. Sur les bordures de ces bassins, des plateformes carbonatées se mettent en place. Les sédiments qui se déposent sur ces plateformes sont à l'origine de la formation urgonienne. Afin d'étudier cette formation, une charte biostratigraphique, principalement basée sur les Orbitolinidés, et un modèle de faciès ont été développés. Les assemblages faunistiques, la succession des faciès, les observations de terrain ainsi que l'étude de signaux géochimiques ont permis le découpage séquentiel de la série urgonienne le long de 54 coupes et puis, répartis sur l'ensemble du Sud-Est de la France. Les corrélations induites par cette étude stratigraphique ont mis en évidence d'importantes variations d'épaisseur et d'environnements de dépôt au sein même de la plateforme urgonienne. Ces variations sont expliquées par le jeu de failles syn-sédimentaires qui ont compartimentées la plateforme urgonienne en blocs. Sur la bordure sud du bassin Vocontien, ces failles d'orientation N30° et N110° délimitent six blocs basculés. Au sommet du Barrémien terminal, la subsidence des blocs situés le plus au sud s'amplifie jusqu'à provoquer l'ouverture du bassin de la Bédoule au sud du secteur d'étude. Cette théorie d'évolution a ensuite été testée par l'élaboration d'un modèle numérique en trois dimensions de l'Urgonien du Sud-Est de la France. Sa cohérence avec les données acquises tout au long de cette étude d'une part, et sa cohérence géométrique d'autre part, valide les théories avancées. Des analogues de l'Urgonien sont répartis dans le monde entier et notamment au Moyen-Orient où ils représentent d'importants réservoirs pétroliers. Être capable de caractériser les facteurs ayant influencé l'architecture de l'Urgonien du Sud-Est de la France permet par la suite une meilleure exploitation de ses ressources énergétiques. -- During the Early Cretaceous epoch, intensive magmatic activity due to the dislocation of the super-continent Pangaea, highly influenced global environmental conditions, which were characterized by a warm and generally humic climate. In this context, carbonate platforms were important in tropical and subtropical shallow-water regions, and especially during the late Barremian and early Aptian, platform carbonates of so-called Urgonian affinity are widespread. In southeastern France, the Urgonian platform was part of the northern Tethyan margin and bordered the Vocontian and the Bedoulian basins. The goal of this thesis was the systematic study of the Urgonian Formation in this region, and in order to achieve this goal, a biostratigraphic chart and a facies model were developed. The faunistic assemblages, the facies succession, the field observations and the study of geochemical signals lead to a sequential subdivision of the Urgonian series along 54 sections and wells allocated in five different regions in southeastern France (Gard, Ardèche, Vercors, Vaucluse and Provence). Correlations from this stratigraphic study highlight important variations in thickness and depositional environments of the Urgonian series. These variations are explained by relative movements induced by syn-sedimentary faults, which divided the Urgonian platforms into blocks. On the southern border of the Vocontian basin, these faults, oriented N30° and N110°, delineate six tilted blocks. At the top of the upper Barremian carbonates, subsidence of the two southern blocks accelerated leading to the opening of the Bedoulian basin. The reconstruction of the sequence-stratigraphic and paleoenvironmental evolution of the Urgonian platforms was then tested by the construction of a 3D numerical model of the Urgonian formation of southeastern France. Firstly, its consistency with the data collected during this study, and secondly, its geometrical coherence validate the proposed theory. Urgonian analogs exist all over the world and particularly in Middle East where they constitute important oil reservoirs. The exact reconstruction of the major factors, which influenced the architecture of these formations, will allow for a better exploitation of these energy resources.

Species distribution models for conservation-oriented studies in Switzerland : filling data and tools gaps

SUMMARYSpecies distribution models (SDMs) represent nowadays an essential tool in the research fields of ecology and conservation biology. By combining observations of species occurrence or abundance with information on the environmental characteristic of the observation sites, they can provide information on the ecology of species, predict their distributions across the landscape or extrapolate them to other spatial or time frames. The advent of SDMs, supported by geographic information systems (GIS), new developments in statistical models and constantly increasing computational capacities, has revolutionized the way ecologists can comprehend species distributions in their environment. SDMs have brought the tool that allows describing species realized niches across a multivariate environmental space and predict their spatial distribution. Predictions, in the form of probabilistic maps showing the potential distribution of the species, are an irreplaceable mean to inform every single unit of a territory about its biodiversity potential. SDMs and the corresponding spatial predictions can be used to plan conservation actions for particular species, to design field surveys, to assess the risks related to the spread of invasive species, to select reserve locations and design reserve networks, and ultimately, to forecast distributional changes according to scenarios of climate and/or land use change.By assessing the effect of several factors on model performance and on the accuracy of spatial predictions, this thesis aims at improving techniques and data available for distribution modelling and at providing the best possible information to conservation managers to support their decisions and action plans for the conservation of biodiversity in Switzerland and beyond. Several monitoring programs have been put in place from the national to the global scale, and different sources of data now exist and start to be available to researchers who want to model species distribution. However, because of the lack of means, data are often not gathered at an appropriate resolution, are sampled only over limited areas, are not spatially explicit or do not provide a sound biological information. A typical example of this is data on 'habitat' (sensu biota). Even though this is essential information for an effective conservation planning, it often has to be approximated from land use, the closest available information. Moreover, data are often not sampled according to an established sampling design, which can lead to biased samples and consequently to spurious modelling results. Understanding the sources of variability linked to the different phases of the modelling process and their importance is crucial in order to evaluate the final distribution maps that are to be used for conservation purposes.The research presented in this thesis was essentially conducted within the framework of the Landspot Project, a project supported by the Swiss National Science Foundation. The main goal of the project was to assess the possible contribution of pre-modelled 'habitat' units to model the distribution of animal species, in particular butterfly species, across Switzerland. While pursuing this goal, different aspects of data quality, sampling design and modelling process were addressed and improved, and implications for conservation discussed. The main 'habitat' units considered in this thesis are grassland and forest communities of natural and anthropogenic origin as defined in the typology of habitats for Switzerland. These communities are mainly defined at the phytosociological level of the alliance. For the time being, no comprehensive map of such communities is available at the national scale and at fine resolution. As a first step, it was therefore necessary to create distribution models and maps for these communities across Switzerland and thus to gather and collect the necessary data. In order to reach this first objective, several new developments were necessary such as the definition of expert models, the classification of the Swiss territory in environmental domains, the design of an environmentally stratified sampling of the target vegetation units across Switzerland, the development of a database integrating a decision-support system assisting in the classification of the relevés, and the downscaling of the land use/cover data from 100 m to 25 m resolution.The main contributions of this thesis to the discipline of species distribution modelling (SDM) are assembled in four main scientific papers. In the first, published in Journal of Riogeography different issues related to the modelling process itself are investigated. First is assessed the effect of five different stepwise selection methods on model performance, stability and parsimony, using data of the forest inventory of State of Vaud. In the same paper are also assessed: the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5 prior to model calibration; the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences; four different methods for incorporating spatial autocorrelation; and finally, the effect of integrating predictor interactions. Results allowed to specifically enhance the GRASP tool (Generalized Regression Analysis and Spatial Predictions) that now incorporates new selection methods and the possibility of dealing with interactions among predictors as well as spatial autocorrelation. The contribution of different sources of remotely sensed information to species distribution models was also assessed. The second paper (to be submitted) explores the combined effects of sample size and data post-stratification on the accuracy of models using data on grassland distribution across Switzerland collected within the framework of the Landspot project and supplemented with other important vegetation databases. For the stratification of the data, different spatial frameworks were compared. In particular, environmental stratification by Swiss Environmental Domains was compared to geographical stratification either by biogeographic regions or political states (cantons). The third paper (to be submitted) assesses the contribution of pre- modelled vegetation communities to the modelling of fauna. It is a two-steps approach that combines the disciplines of community ecology and spatial ecology and integrates their corresponding concepts of habitat. First are modelled vegetation communities per se and then these 'habitat' units are used in order to model animal species habitat. A case study is presented with grassland communities and butterfly species. Different ways of integrating vegetation information in the models of butterfly distribution were also evaluated. Finally, a glimpse to climate change is given in the fourth paper, recently published in Ecological Modelling. This paper proposes a conceptual framework for analysing range shifts, namely a catalogue of the possible patterns of change in the distribution of a species along elevational or other environmental gradients and an improved quantitative methodology to identify and objectively describe these patterns. The methodology was developed using data from the Swiss national common breeding bird survey and the article presents results concerning the observed shifts in the elevational distribution of breeding birds in Switzerland.The overall objective of this thesis is to improve species distribution models as potential inputs for different conservation tools (e.g. red lists, ecological networks, risk assessment of the spread of invasive species, vulnerability assessment in the context of climate change). While no conservation issues or tools are directly tested in this thesis, the importance of the proposed improvements made in species distribution modelling is discussed in the context of the selection of reserve networks.RESUMELes modèles de distribution d'espèces (SDMs) représentent aujourd'hui un outil essentiel dans les domaines de recherche de l'écologie et de la biologie de la conservation. En combinant les observations de la présence des espèces ou de leur abondance avec des informations sur les caractéristiques environnementales des sites d'observation, ces modèles peuvent fournir des informations sur l'écologie des espèces, prédire leur distribution à travers le paysage ou l'extrapoler dans l'espace et le temps. Le déploiement des SDMs, soutenu par les systèmes d'information géographique (SIG), les nouveaux développements dans les modèles statistiques, ainsi que la constante augmentation des capacités de calcul, a révolutionné la façon dont les écologistes peuvent comprendre la distribution des espèces dans leur environnement. Les SDMs ont apporté l'outil qui permet de décrire la niche réalisée des espèces dans un espace environnemental multivarié et prédire leur distribution spatiale. Les prédictions, sous forme de carte probabilistes montrant la distribution potentielle de l'espèce, sont un moyen irremplaçable d'informer chaque unité du territoire de sa biodiversité potentielle. Les SDMs et les prédictions spatiales correspondantes peuvent être utilisés pour planifier des mesures de conservation pour des espèces particulières, pour concevoir des plans d'échantillonnage, pour évaluer les risques liés à la propagation d'espèces envahissantes, pour choisir l'emplacement de réserves et les mettre en réseau, et finalement, pour prévoir les changements de répartition en fonction de scénarios de changement climatique et/ou d'utilisation du sol. En évaluant l'effet de plusieurs facteurs sur la performance des modèles et sur la précision des prédictions spatiales, cette thèse vise à améliorer les techniques et les données disponibles pour la modélisation de la distribution des espèces et à fournir la meilleure information possible aux gestionnaires pour appuyer leurs décisions et leurs plans d'action pour la conservation de la biodiversité en Suisse et au-delà. Plusieurs programmes de surveillance ont été mis en place de l'échelle nationale à l'échelle globale, et différentes sources de données sont désormais disponibles pour les chercheurs qui veulent modéliser la distribution des espèces. Toutefois, en raison du manque de moyens, les données sont souvent collectées à une résolution inappropriée, sont échantillonnées sur des zones limitées, ne sont pas spatialement explicites ou ne fournissent pas une information écologique suffisante. Un exemple typique est fourni par les données sur 'l'habitat' (sensu biota). Même s'il s'agit d'une information essentielle pour des mesures de conservation efficaces, elle est souvent approximée par l'utilisation du sol, l'information qui s'en approche le plus. En outre, les données ne sont souvent pas échantillonnées selon un plan d'échantillonnage établi, ce qui biaise les échantillons et par conséquent les résultats de la modélisation. Comprendre les sources de variabilité liées aux différentes phases du processus de modélisation s'avère crucial afin d'évaluer l'utilisation des cartes de distribution prédites à des fins de conservation.La recherche présentée dans cette thèse a été essentiellement menée dans le cadre du projet Landspot, un projet soutenu par le Fond National Suisse pour la Recherche. L'objectif principal de ce projet était d'évaluer la contribution d'unités 'd'habitat' pré-modélisées pour modéliser la répartition des espèces animales, notamment de papillons, à travers la Suisse. Tout en poursuivant cet objectif, différents aspects touchant à la qualité des données, au plan d'échantillonnage et au processus de modélisation sont abordés et améliorés, et leurs implications pour la conservation des espèces discutées. Les principaux 'habitats' considérés dans cette thèse sont des communautés de prairie et de forêt d'origine naturelle et anthropique telles que définies dans la typologie des habitats de Suisse. Ces communautés sont principalement définies au niveau phytosociologique de l'alliance. Pour l'instant aucune carte de la distribution de ces communautés n'est disponible à l'échelle nationale et à résolution fine. Dans un premier temps, il a donc été nécessaire de créer des modèles de distribution de ces communautés à travers la Suisse et par conséquent de recueillir les données nécessaires. Afin d'atteindre ce premier objectif, plusieurs nouveaux développements ont été nécessaires, tels que la définition de modèles experts, la classification du territoire suisse en domaines environnementaux, la conception d'un échantillonnage environnementalement stratifié des unités de végétation cibles dans toute la Suisse, la création d'une base de données intégrant un système d'aide à la décision pour la classification des relevés, et le « downscaling » des données de couverture du sol de 100 m à 25 m de résolution. Les principales contributions de cette thèse à la discipline de la modélisation de la distribution d'espèces (SDM) sont rassemblées dans quatre articles scientifiques. Dans le premier article, publié dans le Journal of Biogeography, différentes questions liées au processus de modélisation sont étudiées en utilisant les données de l'inventaire forestier de l'Etat de Vaud. Tout d'abord sont évalués les effets de cinq méthodes de sélection pas-à-pas sur la performance, la stabilité et la parcimonie des modèles. Dans le même article sont également évalués: l'effet de la pondération des absences afin d'assurer une prévalence de 0.5 lors de la calibration du modèle; l'effet de limiter les absences au-delà de l'enveloppe définie par les présences; quatre méthodes différentes pour l'intégration de l'autocorrélation spatiale; et enfin, l'effet de l'intégration d'interactions entre facteurs. Les résultats présentés dans cet article ont permis d'améliorer l'outil GRASP qui intègre désonnais de nouvelles méthodes de sélection et la possibilité de traiter les interactions entre variables explicatives, ainsi que l'autocorrélation spatiale. La contribution de différentes sources de données issues de la télédétection a également été évaluée. Le deuxième article (en voie de soumission) explore les effets combinés de la taille de l'échantillon et de la post-stratification sur le la précision des modèles. Les données utilisées ici sont celles concernant la répartition des prairies de Suisse recueillies dans le cadre du projet Landspot et complétées par d'autres sources. Pour la stratification des données, différents cadres spatiaux ont été comparés. En particulier, la stratification environnementale par les domaines environnementaux de Suisse a été comparée à la stratification géographique par les régions biogéographiques ou par les cantons. Le troisième article (en voie de soumission) évalue la contribution de communautés végétales pré-modélisées à la modélisation de la faune. C'est une approche en deux étapes qui combine les disciplines de l'écologie des communautés et de l'écologie spatiale en intégrant leurs concepts de 'habitat' respectifs. Les communautés végétales sont modélisées d'abord, puis ces unités de 'habitat' sont utilisées pour modéliser les espèces animales. Une étude de cas est présentée avec des communautés prairiales et des espèces de papillons. Différentes façons d'intégrer l'information sur la végétation dans les modèles de répartition des papillons sont évaluées. Enfin, un clin d'oeil aux changements climatiques dans le dernier article, publié dans Ecological Modelling. Cet article propose un cadre conceptuel pour l'analyse des changements dans la distribution des espèces qui comprend notamment un catalogue des différentes formes possibles de changement le long d'un gradient d'élévation ou autre gradient environnemental, et une méthode quantitative améliorée pour identifier et décrire ces déplacements. Cette méthodologie a été développée en utilisant des données issues du monitoring des oiseaux nicheurs répandus et l'article présente les résultats concernant les déplacements observés dans la distribution altitudinale des oiseaux nicheurs en Suisse.L'objectif général de cette thèse est d'améliorer les modèles de distribution des espèces en tant que source d'information possible pour les différents outils de conservation (par exemple, listes rouges, réseaux écologiques, évaluation des risques de propagation d'espèces envahissantes, évaluation de la vulnérabilité des espèces dans le contexte de changement climatique). Bien que ces questions de conservation ne soient pas directement testées dans cette thèse, l'importance des améliorations proposées pour la modélisation de la distribution des espèces est discutée à la fin de ce travail dans le contexte de la sélection de réseaux de réserves.

"Etude rétrospective des cas de vasculite cutanée identifiés au laboratoire de dermopathologie du CHUV de 2006 à 2010"

CONTEXTE Les vasculites représentent un groupe de maladies inflammatoires touchant tous les vaisseaux, des grosses artères aux artères de plus petit calibre, en passant par les capillaires et les veines, de toutes tailles également. La taille des vaisseaux atteints est d'une importance cruciale pour le diagnostic puisque la classification actuelle en dépend. Sur le plan histopathologique, la vasculite est une réaction inflammatoire qui atteint la paroi de vaisseaux, et qui va entraîner alors une ischémie, puis une nécrose du vaisseau lui-­‐ même voire des structures environnantes ; les caractéristiques microscopiques de ces lésions permettent souvent d'aider à préciser le groupe auquel appartient la vasculite. Cependant, il n'est pas toujours facile ni possible d'obtenir un échantillon de tissu, une biopsie, selon l'endroit concerné (cerveau, régions profondes et difficilement accessibles...). OBJECTIFS Dans les atteintes de type « vasculite », la peau est fréquemment un organe cible. Le grand avantage est son accès direct et aisé, notamment dans le but de pratiquer un examen histopathologique par le biais d'une biopsie, qui peut se pratiquer de manière superficielle ou profonde, révélant alors des vaisseaux de différents calibres. Face à un tableau clinique parfois complexe et menaçant, il est important de pouvoir orienter le diagnostic rapidement. L'objectif de ce travail est donc de déterminer quelles sont l'utilité et l'apport de la biopsie cutanée dans le diagnostic des vasculites, et autrement dit de déterminer s'il vaut la peine de pratiquer ce genre d'examen, ou s'il vaut mieux privilégier d'autres approches plus rentables sur ce plan-­‐là. METHODES Grâce à l'aide des dermatologues et à la base de données du Service de dermatopathologie du CHUV, nous nous proposons de faire une étude rétrospective et systématique, sur les 5 années passées, de toutes les biopsies cutanées compatibles avec le diagnostic de vasculite. RESULTATS ESCOMPTES Ils sont de deux ordres : déterminer d'une part si le résultat de la biopsie était compatible avec le diagnostic clinique retenu chez les patients ayant subi ce type d'examen. Cela nous permettra alors d'établir des recommandations pour la réalisation éventuelle d'une biopsie cutanée dans ce type de situation. Il sera en effet capital de savoir si ce geste est utile et, le cas échéant, s'il faut demander une biopsie profonde ou si une biopsie superficielle est suffisante. Ce travail nous permettra d'autre part de revoir les caractéristiques cutanées -­‐ sur le plan histopathologique -­‐ des vasculites, et de déterminer aussi leur fréquence. Dans l'idéal, ce travail devrait permettre de faire la revue et la mise à jour des connaissances dans le domaine des vasculites cutanées, utiles aux praticiens notamment.

Segmental copy number variation shapes tissue transcriptomes

Abstract : Copy number variation (CNV) of DNA segments has recently gained considerable interest as a source of genetic variation likely to play a role in phenotypic diversity and evolution. Much effort has been put into the identification and mapping of regions that vary in copy number among seemingly normal individuals, both in humans and in a number of model organisms, using both bioinformatic and hybridization-based methods. Synteny studies suggest the existence of CNV hotspots in mammalian genomes, often in connection with regions of segmental duplication. CNV alleles can be in equilibrium within a population, but can also arise de novo between generations, illustrating the highly dynamic nature of these regions. A small number of studies have assessed the effect of CNV on single loci, however, at the genome-wide scale, the functional impact of CNV remains poorly studied. We have explored the influence of CNV on gene expression, first using the Williams-Beuren syndrome (WBS) associated deletion as a model, and second at the genome-wide scale in inbred mouse strains. We found that the WBS deletion influences the expression levels not only of the hemizygous genes, but also affects the euploid genes mapping nearby. Consistently, on a genome wide scale we observe that CNV genes are expressed at more variable levels than genes that do not vary in copy number. Likewise, CNVs influence the relative expression levels of genes that map to the flank of the genome rearrangements, thus globally influencing tissue transcriptomes. Further studies are warranted to complete cataloguing and fine mapping of CNV regions, as well as to elucidate the different mechanisms by which CNVs influence gene expression. Résumé : La variation en nombre de copies (copy number variation ou CNV) de segments d'ADN suscite un intérêt en tant que variation génétique susceptible de jouer un r81e dans la diversité phénotypique et l'évolution. Les régions variables en nombre de copies parmi des individus apparemment normaux ont été cartographiées et cataloguées au moyen de puces à ADN et d'analyse bioinformatique. L'étude de la synténie entre plusieurs espèces de mammifères laisse supposer l'existence de régions à haut taux de variation, souvent liées à des duplications segmentaires. Les allèles CNV peuvent être en équilibre au sein d'une population ou peuvent apparaître de novo. Ces faits illustrent la nature hautement dynamique de ces régions. Quelques études se sont penchées sur l'effet de la variation en nombre de copies de loci isolés, cependant l'impact de ce phénomène n'a pas été étudié à l'échelle génomique. Nous avons examiné l'influence des CNV sur l'expression des gènes. Dans un premier temps nous avons utilisé la délétion associée au syndrome de Williams-Beuren (WBS), puis, dans un second temps, nous avons poursuivi notre étude à l'échelle du génome, dans des lignées consanguines de souris. Nous avons établi que la délétion WBS influence l'expression non seulement des gènes hémizygotes, mais également celle des gènes euploïdes voisins. A l'échelle génomique, nous observons des phénomènes concordants. En effet, l'expression des gènes variant en nombre de copies est plus variable que celles des gènes ne variant pas. De plus, à l'instar de la délétion WBS, les CNV influencent l'expression des gènes adjacents, exerçant ainsi un impact global sur les profils d'expression dans les tissus. Résumé pour un large public : De nombreuses maladies ont pour cause un défaut génétique. Parmi les types de mutations, on compte la disparition (délétion) d'une partie de notre génome ou sa duplication. Bien que l'on connaisse les anomalies associées à certaines maladies, les mécanismes moléculaires par lesquels ces réarrangements de notre matériel génétique induisent les maladies sont encore méconnus. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés à la régulation des gènes dans les régions susceptibles à délétion ou duplication. Dans ce travail, nous avons démontré que les délétions et les duplications influencent la régulation des gènes situés à proximité, et que ces changements interviennent dans plusieurs organes.

Accès à l'information médico-sociale dans le canton de Vaud : degré et sources d'information des personnes âgées

Améliorer la coordination des soins est un des points cardinaux de la politique Vieillissement et Santé du canton de Vaud. Ceci se traduit notamment par une volonté d'optimiser l'accès des personnes âgées à l'information médico-sociale. Un des projets qui en découle consiste à mettre en place un guichet intégré, soit un système centralisé, qui permettrait d'être renseigné·e ou orienté·e sur les prestations existantes efficacement et correctement, quelle que soit l'entité à laquelle on s'adresse. C'est dans ce contexte que le Centre d'Observation et d'Analyse du Vieillissement (COAV) a réalisé en 2013 une enquête sur l'accès à l'information médico-sociale auprès des personnes de 65 ans et plus non-institutionnalisées du canton. Ses résultats montrent que : ? Les besoins en prestations médico-sociales sont potentiellement importants car ces dernières sont susceptibles d'intéresser directement, du fait de difficultés fonctionnelles, un peu plus d'un tiers des personnes non institutionnalisées de plus de 65 ans, et indirectement 17 % des personnes du même âge qui sont aussi des aidant·e·s. Les femmes et les personnes bénéficiant de prestations complémentaires à l'assurance vieillesse (PC), étant plus fragiles, sont particulièrement concernées. ? Si cette population a potentiellement d'importants besoins en prestations médico-sociales, les portes d'accès à l'information sur ces prestations restent dans leur ensemble encore mal connues, même si l'on observe de grandes variations selon le type de services en question (selon les prestations, 27% à 57% des personnes interrogées ont déclaré ne pas savoir où s'adresser pour trouver de l'information à leur sujet). ? Les femmes, les personnes recevant des PC, ainsi que les personnes vulnérables et dépendantes sont proportionnellement plus actives dans la recherche d'information. ? Bien que les personnes ayant récemment eu l'occasion de rechercher de l'information sur certaines prestations médico-sociales semblent mieux connaître le système, 7% d'entre elles ont qualifié cette information de plutôt indisponible, 21% d'incomplète, 33% de dispersée et 15% de contradictoire. ? Deux tiers des personnes âgées pensent que l'information médico-sociale devrait être plus accessible sur l'existence de prestations, leur coût et les possibilités d'aide financière pour pouvoir en bénéficier. ? Parmi les personnes n'ayant pas récemment recherché d'information, les habitants de la région Nord sauraient plus souvent où s'adresser pour s'informer que ceux des autres régions. RAISONS DE SANTÉ 221 ? Etre un homme, être défavorisé financièrement (présence de PC) et, au niveau du statut fonctionnel, être vulnérable plutôt que robuste, sont des facteurs de risque d'accès limité à l'information. ? Les mêmes facteurs de risque se retrouvent en conduisant les analyses par type de prestations, excepté pour l'aide relative aux démarches administratives. L'information sur cette aide est mieux connue des personnes recevant des PC parmi celles ayant récemment recherché de l'information. ? Il n'a cependant pas été possible d'identifier un profil-type de la personne à risque face à l'accès à l'information sur la base des données socio-démographiques et fonctionnelles disponibles. ? D'autre part, cette enquête a mis en évidence le fait que le médecin traitant (désigné par 77% des individus) et le CMS (64 %), ainsi que, dans une moindre mesure, la commune (35%), sont les acteurs vers lesquelles les personnes âgées du canton se dirigeraient le plus volontiers pour trouver des informations sur diverses prestations médico-sociales. ? Cependant, au vu des variations constatées en comparant certains sous-groupes, d'autres sources ne sont pas à négliger lors de la mise en place d'un guichet intégré (telles qu'Internet, les EMS, Pro Senectute, les pharmacies, les BRIO, les hôpitaux, la garde médicale, etc.). Cette enquête montre que malgré les efforts entrepris pour faire connaître les prestations médico-sociales, une proportion non négligeable de ces services est peu connue des bénéficiaires potentiels. Ainsi, il serait intéressant de réitérer une telle étude après la mise en place du guichet intégré afin de pouvoir évaluer son impact.

Les symbioses industrielles : une nouvelle stratégie pour l'amélioration de l'utilisation des ressources matérielles et énergétiques par les activités économiques

RésuméCette thèse traite d'un domaine d'application de l'écologie industrielle, les symbioses industrielles, comme stratégie d'amélioration de la consommation des ressources matérielles et énergétiques et de la gestion des déchets par les activités économiques. Les symbioses industrielles cherchent à créer de nouvelles collaborations directement entre les acteurs économiques d'un territoire dans le but d'échanger de l'information, des matières premières et des déchets, et d'intensifier les mutualisations de services et d'infrastructures possibles entre entreprises voisines. Ces quatre types de collaboration sont représentés schématiquement dans la figure ci-dessous.Dans ce travail, la détection et la mise en oeuvre de symbioses industrielles sont abordées sous plusieurs angles. Les recherches réalisées concernent le développement de procédures de mise en oeuvre s'adressant aux collectivités publiques, aux institutions académiques et aux bureaux de conseil dans le domaine de l'environnement. Les objectifs des procédures sont de créer une dynamique de collaboration et de confiance entre les acteurs économiques et l'administration publique d'un territoire afin de détecter des symbioses industrielles potentielles. Ces procédures requièrent la gestion de grandes quantités d'informations relatives aux flux de matière et d'énergie.Un travail de terrain, réalisé sur les territoires du canton de Genève et de Lausanne Région et utilisé comme études de cas, a permis de mettre en évidence un grand nombre de symbioses industrielles qui existent déjà en Suisse romande. Plusieurs dizaines d'exemples ont été identifiés principalement dans lesdomaines de la gestion de l'eau, de l'énergie, des produits chimiques et des matériaux de construction. La législation suisse autoriserait cependant la concrétisation de nombreuses autres opportunités. Dans cette recherche, celles-ci sont évaluées techniquement, légalement, économiquement et environnementalement. La création d'un référentiel d'évaluation des opportunités permet de déterminer quelles sont les symbioses industrielles techniquement réalisables et pertinentes dans le contexte suisse et dans quels cas celles-ci représenteraient une réelle plus-value par rapport à l'utilisation actuelle de la ressource et aux filières existantes de collecte et de valorisation des déchets.Finalement, un logiciel, SymbioGIS, destiné à soutenir la détection et l'évaluation de symbioses industrielles potentielles a été développé. Il s'agit d'une interface web accessible pour de nombreux utilisateurs, couplée à une interface de systèmes d'information géographique. En plus de la détection de symbioses industrielles, plusieurs fonctionnalités sont proposées pour faciliter la prise en compte des flux de matière et d'énergie dans les problématiques liées à l'aménagement du territoire et au positionnement des activités économiques.En conclusion, cette recherche met en évidence la nécessité de rapprocher les institutions publiques en charge de la protection de l'environnement, de la promotion économique et de l'aménagement du territoire pour favoriser l'essor des symbioses industrielles comme stratégie pour la gestion des ressources matérielles et énergétiques. Elle propose des pistes pour intensifier les collaborations entre ces domaines et accélérer le partage des connaissances liées aux flux de matière et d'énergie et à leur cheminement au sein des activités économiques afin de rendre le système industriel existant en Suisse romande viable à long terme. Parallèlement, elle étudie les possibilités de transposer ces considérations et les procédures et outils développés dans le contexte économique et social de la région Asie-Pacifique, où se trouvent aujourd'hui de nombreuses activités de production.SummaryIndustrial symbioses: A new strategy for improving how economic activities use material and energy resourcesThis thesis focuses on one application of industrial ecology, industrial symbioses, as a strategy for improving how economic activities consume material and energy resources. Industrial symbioses seek to create new collaborations among economic players with the goal of exchanging information, raw materials, and waste directly among area businesses, and to step up the potential pooling of services and infrastructure among neighboring companies.The identification and implementation of industrial symbioses are studied from several angles. The research first examines the development of implementation procedures for government bodies, academic institutions, and environmental consulting services. The purpose of the procedures is to create a dynamic of collaboration and trust between the economic players and the public officials in a region in order to identify potential industrial symbioses. The procedures necessitate managing large amounts of information about material and energy flows.Fieldwork conducted in the canton of Geneva and the Lausanne region, and used as case studies for the research, highlights a great number of industrial symbioses that already exist in French-speaking Switzerland. Several dozen examples are identified, primarily in the areas of water management, energy, chemical products, and building materials; however, Swiss law would permit many others. The research evaluates these opportunities from a technical, legal, economic, and environmental standpoint. By developing an assessment framework it is possible to determine which industrial symbioses are technically feasible and pertinent in Switzerland, and under what circumstances they would represent real added value compared to the current use of the resource and to existing systems for collecting and reusing waste.Lastly, SymbioGIS software was developed to help identify and assess potential industrial symbioses. The program's Web-based interface can be accessed by multiple users and is coupled with an interface that provides geographic information. In addition to identifying industrial symbioses, several program functionalities make it easier to consider material and energy flows with regard to local development issues and siting economic activities.In conclusion, the research highlights the need to bring together public institutions charged with protecting the environment, promoting economic activity, and overseeing development in order to foster the expansion of industrial symbioses as a strategy for managing material and energy resources. It proposes solutions for stepping up collaboration among these players and accelerating the sharing of knowledge about material and energy flows and their paths within economic activities with the goal of making theexisting industrial system in French-speaking Switzerland viable long-term. Also examined were thepossibilities of transposing these considerations and the study's findings about Switzerland to the economic and social context of the Asia-Pacific region, where much production is now located.

Active and passive screening for tuberculosis in Vaud Canton, Switzerland

Résumé Même si l'incidence de la tuberculose est basse en Suisse, cette maladie reste un problème de santé publique en raison des migrations de populations provenant de pays où l'incidence de la tuberculose est élevée. Les immigrants, à leur arrivée en terre helvétique, doivent s'annoncer auprès d'un des cinq centres d'enregistrement pour les réfugiés (Vallorbe, Bâle, Kreuzlingen, Altstätten et Chiasso) et subir un contrôle médical qui comprend un test tuberculinique et une radiographie du thorax afin de détecter des anomalies compatibles avec une tuberculose. Les requérants avec des signes de maladie sont immédiatement pris en charge dans le but d'éviter une dissémination du bacille de Koch. Cette* étude rétrospective compare la présentation bactériologique et clinique de la tuberculose ainsi que le résultat du traitement de cette maladie chez les immigrants diagnostiqués par dépistage actif (= immigrants venant d'être enregistrés comme requérants d'asile en Suisse) avec d'autres patients diagnostiqués par dépistage passif (= patients suisses, travailleurs étrangers résidents en Suisse ainsi que d'autres étrangers incluant les touristes, les étudiants, les immigrants illégaux ainsi que 11 requérants d'asile détectés tardivement et passivement après leur entrée en Suisse). Parmi les 179 patients, 78% sont des étrangers. La médiane d'âge de la population étrangère atteinte de tuberculose est de 29 ans contre 64 ans pour les Suisses. Le dépistage actif a été effectué auprès de 71 requérants d'asile chez lesquels 49.3% [CI : 37.4 - 61.2] n'avaient pas de symptômes contre 17.6% [Cl : 10.3 - 24.9] chez les 108 passifs. La durée des symptômes était de 2 mois dans le groupe des actifs versus 2.5 mois chez les passifs (ns). L'analyse bactériologique est positive à l'examen direct ou à la culture chez 63.4% des actifs contre 70.4% des passifs (ns). La confirmation bactériologique de la tuberculose chez des patients asymptomatiques s'élevait à 42.2% [Cl : 27.2-57.2] chez les actifs contre 13% [Cl : 5.31-20.7] chez les passifs. Le plus grand danger de dissémination est couru par les patients avec un examen direct positif dont la proportion des asymptomatiques était de 22.2% ([Cl : 9.6-34.8] dans le groupe des actifs contre 11.7% [CI : 4.4-19.0] dans le groupe des passifs. Le résultat du traitement, comprenant les patients guéris (avec confirmation bactériologique de guérison) ainsi que les patients ayant accompli le traitement jusqu'à la fin (mais sans confirmation bactériologique) est similaire dans les groupes des actifs et passifs. Le résultat différent selon le statut légal avec 88% pour les travailleurs étrangers, 85% pour les Suisses, 78% pour les autres étrangers et 83% pour les réfugiés. Ces chiffres sont proches des cibles de l'OMS (85%). Le dépistage actif de la tuberculose permet la détection plus précoce des cas de tuberculose que le dépistage passif. Etant donné que les immigrants proviennent de régions où la prévalence de la tuberculose est supérieure à celle de la Suisse, ce dépistage à la frontière permet non seulement de diminuer la dissémination de cette maladie par la prise en charge immédiate des malades et de réduire la durée des symptômes mais encore de détecter des patients ne présentant aucun symptôme malgré une activité bactériologique positive. Les résultats du traitement ne satisfont pas entièrement aux exigences de l'OMS, ce qui peut être expliqué par le fait que la population de patients tuberculeux suisses étant plus âgés que celles des étrangers, le nombre de décès est plus nombreux (soit par la tuberculose, soit par les complications de maladies sous-jacentes) et que le suivi de patients étrangers est plus difficile car certains disparaissent durant le traitement et d'autres sont transférés ailleurs en Suisse ou retournent dans leur pays. Summary Aim: This retrospective study compared the bacteriological and clinical presentation of tuberculosis and the outcome of treatment in immigrant notified for TB after active screening by chest X-ray at the border with other patients detected by passive screening. Design: Retrospective study of all patients notified for TB in Vaud Canton in 2001 and 2002. Result: In Vaud Canton 78% of the 179 patients notified for TB were foreign-born. Among 71 asylum seekers actively screened at the border, 49.3% [CI 37.4 - 61.2] were symptom-free vs 17.6% [CI 10.3 - 24.9] among 108 passively screened patients. In the passively screened group, the proportion of asymptomatic patients was 15.4% for Swiss patients. 8.6% for foreign workers, and 29.4% for other foreigners. The average duration of symptoms before diagnosis among patients with complaints was 2 months in actively screened foreign-born, compared to 2.5 months in passively screened patients (no significant difference by Wilcoxon-Mann-Whitney test). The proportion of pulmonary TB cases with positive smear or culture was 63.4% in actively screened patients vs 70.4% in passively detected cases. Among actively screened patients with bacteriological confirmation, 42.2% [CI 27.2-57,2] were asymptomatic compared to 13% [CI 5.31-20.7] for passively screened patients. Considering only smear positive patients, the proportion of symptom-free patients was 22.2% [CI 9.6-34.8] in 45 actively screened cases vs 11-7% [4.4 - 19.0] for 77 passive screening. Cure and treatment completion rate for new cases reached 88% for foreign workers, 83% for asylum seekers, 85% for Swiss patients, 78% for other foreigners. Conclusions: Actively screened patients were more frequently asymptomatic than passively detected cases, even when considering only patients with bacteriological confirmation. The active screening by chest X-ray of an immigrant population with a high prevalence of tuberculosis allows the early detection and treatment of tuberculosis. This may contribute to the protection of the resident population for infection. The outcome of treatment for tuberculosis was satisfactory in all population groups.

Treeline and climate change : analyzing and modeling patterns and shifts in the Swiss Alps

Summary: Global warming has led to an average earth surface temperature increase of about 0.7 °C in the 20th century, according to the 2007 IPCC report. In Switzerland, the temperature increase in the same period was even higher: 1.3 °C in the Northern Alps anal 1.7 °C in the Southern Alps. The impacts of this warming on ecosystems aspecially on climatically sensitive systems like the treeline ecotone -are already visible today. Alpine treeline species show increased growth rates, more establishment of young trees in forest gaps is observed in many locations and treelines are migrating upwards. With the forecasted warming, this globally visible phenomenon is expected to continue. This PhD thesis aimed to develop a set of methods and models to investigate current and future climatic treeline positions and treeline shifts in the Swiss Alps in a spatial context. The focus was therefore on: 1) the quantification of current treeline dynamics and its potential causes, 2) the evaluation and improvement of temperaturebased treeline indicators and 3) the spatial analysis and projection of past, current and future climatic treeline positions and their respective elevational shifts. The methods used involved a combination of field temperature measurements, statistical modeling and spatial modeling in a geographical information system. To determine treeline shifts and assign the respective drivers, neighborhood relationships between forest patches were analyzed using moving window algorithms. Time series regression modeling was used in the development of an air-to-soil temperature transfer model to calculate thermal treeline indicators. The indicators were then applied spatially to delineate the climatic treeline, based on interpolated temperature data. Observation of recent forest dynamics in the Swiss treeline ecotone showed that changes were mainly due to forest in-growth, but also partly to upward attitudinal shifts. The recent reduction in agricultural land-use was found to be the dominant driver of these changes. Climate-driven changes were identified only at the uppermost limits of the treeline ecotone. Seasonal mean temperature indicators were found to be the best for predicting climatic treelines. Applying dynamic seasonal delimitations and the air-to-soil temperature transfer model improved the indicators' applicability for spatial modeling. Reproducing the climatic treelines of the past 45 years revealed regionally different attitudinal shifts, the largest being located near the highest mountain mass. Modeling climatic treelines based on two IPCC climate warming scenarios predicted major shifts in treeline altitude. However, the currently-observed treeline is not expected to reach this limit easily, due to lagged reaction, possible climate feedback effects and other limiting factors. Résumé: Selon le rapport 2007 de l'IPCC, le réchauffement global a induit une augmentation de la température terrestre de 0.7 °C en moyenne au cours du 20e siècle. En Suisse, l'augmentation durant la même période a été plus importante: 1.3 °C dans les Alpes du nord et 1.7 °C dans les Alpes du sud. Les impacts de ce réchauffement sur les écosystèmes - en particuliers les systèmes sensibles comme l'écotone de la limite des arbres - sont déjà visibles aujourd'hui. Les espèces de la limite alpine des forêts ont des taux de croissance plus forts, on observe en de nombreux endroits un accroissement du nombre de jeunes arbres s'établissant dans les trouées et la limite des arbres migre vers le haut. Compte tenu du réchauffement prévu, on s'attend à ce que ce phénomène, visible globalement, persiste. Cette thèse de doctorat visait à développer un jeu de méthodes et de modèles pour étudier dans un contexte spatial la position présente et future de la limite climatique des arbres, ainsi que ses déplacements, au sein des Alpes suisses. L'étude s'est donc focalisée sur: 1) la quantification de la dynamique actuelle de la limite des arbres et ses causes potentielles, 2) l'évaluation et l'amélioration des indicateurs, basés sur la température, pour la limite des arbres et 3) l'analyse spatiale et la projection de la position climatique passée, présente et future de la limite des arbres et des déplacements altitudinaux de cette position. Les méthodes utilisées sont une combinaison de mesures de température sur le terrain, de modélisation statistique et de la modélisation spatiale à l'aide d'un système d'information géographique. Les relations de voisinage entre parcelles de forêt ont été analysées à l'aide d'algorithmes utilisant des fenêtres mobiles, afin de mesurer les déplacements de la limite des arbres et déterminer leurs causes. Un modèle de transfert de température air-sol, basé sur les modèles de régression sur séries temporelles, a été développé pour calculer des indicateurs thermiques de la limite des arbres. Les indicateurs ont ensuite été appliqués spatialement pour délimiter la limite climatique des arbres, sur la base de données de températures interpolées. L'observation de la dynamique forestière récente dans l'écotone de la limite des arbres en Suisse a montré que les changements étaient principalement dus à la fermeture des trouées, mais aussi en partie à des déplacements vers des altitudes plus élevées. Il a été montré que la récente déprise agricole était la cause principale de ces changements. Des changements dus au climat n'ont été identifiés qu'aux limites supérieures de l'écotone de la limite des arbres. Les indicateurs de température moyenne saisonnière se sont avérés le mieux convenir pour prédire la limite climatique des arbres. L'application de limites dynamiques saisonnières et du modèle de transfert de température air-sol a amélioré l'applicabilité des indicateurs pour la modélisation spatiale. La reproduction des limites climatiques des arbres durant ces 45 dernières années a mis en évidence des changements d'altitude différents selon les régions, les plus importants étant situés près du plus haut massif montagneux. La modélisation des limites climatiques des arbres d'après deux scénarios de réchauffement climatique de l'IPCC a prédit des changements majeurs de l'altitude de la limite des arbres. Toutefois, l'on ne s'attend pas à ce que la limite des arbres actuellement observée atteigne cette limite facilement, en raison du délai de réaction, d'effets rétroactifs du climat et d'autres facteurs limitants.

Immunological and protective properties of novel malaria blood stage peptide antigens

ABSTRACT Malaria is a major worldwide public health problem, with transmission occurring throughout Africa, Asia, Oceania and Latin America. Over two billion people live in malarious areas of the world and it is estimated that 300-500 million cases and 1.5-2.7 million deaths occur annually. The increase in multi-drug resistant parasites and insecticide-resistant vectors has made the development of malaria vaccine a public health priority. The published genome offers tremendous opportunity for the identification of new antigens that can befast-tracked for vaccine development. We identified potential protein antigens present on the surface of asexual malaria blood stages through bioinformatics and published transcriptome and proteorné analysis. Amongst the proteins identified, we selected those that contain predicted a-helical coiled-coil regions, which are generally short and structurally stable as isolated fragments. Peptides were synthesized and used to immunize mice. Most peptides tested were immunogenic as demonstrated in ELISA assays, and induced antibodies of varying titres. In immunofluorescence assays, anti-sera from immunized mice reacted with native proteins expressed at different intraerythrocytic developmental stages of the parasite's cycle. In parallel in vitro ADCI functional studies, human antibodies affinity purified on some of these peptides inhibited parasite growth in association with monocytes in magnitudes similar to that seen in semiimmune African adults. Siudies using human immune sera taken from different malaria endemic regions, demonstrated that majority of peptides were recognized at high prevalence. 73 peptides were next tested in longitudinal studies in two cohorts separated in space and time in coastal Kenya. In these longitudinal analyses, antibody responses to peptides were sequentially examined in two cohorts of children at risk of clinical malaria in order to characterize the level of peptide recognition by age, and the role of anti-peptide antibodies in protection from clinical malaria. Ten peptides were associated ?with a significantly reduced odds ratio for an episode of clinical malaria in the first cohort of children and two of these peptides (LR146 and ÁS202.11) were associated with a significantly reduced odds ratio in both cohorts. This study has identified proteins PFB0145c and MAL6P1.37 among others as likely targets of protective antibodies. Our findings support further studies to systematically assess immunogenicity of peptides of interest in order to establish clear criteria for optimal design of potential vaccine constructs to be tested in clinical trials. RESUME La malaria est un problème de santé publique mondial principalement en Afrique, en Asie, en Océanie et en Amérique latine. Plus de 2 milliards de personnes vivent dans des régions endémiques et le nombre de cas par année est estimé entre 300 et 500 millions. 1.5 à 2.7 millions de décès surviennent annuellement dans ces zones. L'augmentation de la résistance aux médicaments et aux insecticides fait du développement d'un vaccin une priorité. Le séquençage complet du génome du parasite offre l'opportunité d'identifier de nouveaux antigènes qui peuvent rapidement mener au développement d'un vaccin. Des protéines antigéniques potentielles présentes à la surface des globules rouges infectés ont été identifiées par bioinformatique et par l'analyse du protéome et du transcriptome. Nous avons sélectionné, parmi ces protéines, celles contenant des motifs dits "a helical coiled-coil" qui sont généralement courts et structurellement stables. Ces régions ont été obtenues par synthèse peptidique et utilisées pour immuniser des souris. La plupart des peptides testés sont immunogéniques et induisent un titre variable d'anticorps déterminé par ELISA. Les résultats de tests d'immunofluorescence indiquent que les sera produits chez la souris reconnaissent les protéines natives exprimées aux différents stades de développement du parasite. En parallèle, des études d'ADCI in vitro montrent qué des anticorps humains purifiés à partir de ces peptides associés à des monocytes inhibent la croissance du parasite aussi bien que celle observée chez des adultes africains protégés. Des études d'antigénicité utilisant des sera de personnes protégées de différents âges vivant dans des régions endémiques montrent que la majorité des peptides sont reconnus avec une haute prévalence. 73 peptides ont été testés dans une étude longitudinale avec 2 cohortes de la côte du Kenya. Ces 2 groupes viennent de zones bien distinctes et les prélèvements n'ont pas été effectués pendant la même période. Dans cette étude, la réponse anticorps contre les peptides synthétiques a été testée dans les 2 cohortes d'enfants à risque de développer un épisode de malaria afin de caractériser le niveau de reconnaissance des peptides en fonction de l'âge et de déterminer le rôle des anticorps anti-peptides dans la protection contre la malaria. Parmi ces peptides, 10 sont associés à une réduction significative des risques de développer un épisode de malaria dans la première cohorte alors qu'un seul (LR146 et AS202.11) l'est dans les 2 cohortes. Cette étude a identifié, parmi d'autres, les protéines PFB0145c et MAL6P1.37 comme pouvant être la cible d'anticorps. Ces résultats sont en faveur de futures études qui évalueraient systématiquement l'immunogénicité des peptides d'intérêt dans le but d'établir des critères de sélection clairs pour le développement d'un vaccin. Résumé pour un large public La malaria est un problème de santé publique mondial principalement en Afrique, en Asie, en Océanie et en Amérique latine. Plus de 2 milliards de personnes vivent dans des régions endémiques et le nombre de cas par année est estimé entre 300 et 500 millions. 1.5 à 2.7 millions de décès surviennent annuellement dans ces zones. La résistance aux médicaments et aux insecticides augmente de plus en plus d'où la nécessité de développer un vaccin. Le séquençage complet du génome (ensemble des gènes) de P. falciparum a conduit au développement de nouvelles .études à large échelle dans le domaine des protéines du parasite (protéome) ; dans l'utilisation d'algorithmes, de techniques informatiques et statistiques pour l'analyse de données biologiques (bioinformatique) et dans les technologies de transcription et de profiles d'expression (transcriptome). Nous avons identifié, en utilisant les outils ci-dessus, des nouvelles protéines antigéniques qui sont présentes au stade sanguin de la malaria. Nous avons sélectionné, parmi ces protéines, celles contenant un motif dit "a-helical coiled-coil" qui sont des domaines impliqués dans un large éventail de fonctions biologiques. Des peptides représentant ces régions structurellement stables ont été synthétisés et utilisés pour immuniser des souris. La plupart des peptides testés sont immunogéniques et induisent un titre variable d'anticorps déterminé par ELISA. Les résultats de tests d'immunofluorescence indiquent que plusieurs sera de souris immunisées avec ces peptides reconnaissent les protéines natives exprimées à la surface des globules rouges infectés. En parallèle, des études d'ADCI in vitro montrent que des anticorps humains purifiés à partir de ces peptides en présence de monocytes inhibent la croissance du parasite de manière similaire à celle observée chez des adultes africains protégés. Des études d'antigénicité utilisant des sera de personnes immunes de différents âges (adultes et enfants) vivant dans des régions endémiques montrent que la majorité des peptides sont reconnus avec une haute prévalence. 73 peptides ont été testés dans des études épidémiologiques dans 2 villages côtiers du Kenya Ces 2 groupes vivent dans des zones bien distinctes et les prélèvements n'ont pas été effectués pendant la même période. Dans ces études, la réponse anticorps dirigée contre les peptides synthétiques a été testée en utilisant 467 échantillons sanguins d'enfants à risque de développer un épisode de malaria afin de caractériser le niveau de reconnaissance des peptides en fonction de l'âge et de déterminer le rôle des anticorps anti-peptides dans la protection contre la malaria cérébrale. Parmi ces peptides, 10 sont associés à une protection contre un épisode de malaria dans le premier village alors qu'un seul l'est dans les 2 villages. Ces résultats sont en faveur de futures études qui évalueraient systématiquement l'immunogénicité des peptides intéressants dans le but d'établir des critères de sélection clairs pour le développement d'un vaccin.

L'autochtonie en pays de nappes: réponse à G. Fuchs

From the detai1ed examination of four key areas of Ladakh and Zanskar (NW Himalaya), the autochtonist hypothesis of the Tibetan zone is absolutely refuted. The nappes and thrusts are reality in Zanskar as well as in other areas to the N of the main Himalayan Range. The new Zangla, Zumlung and Khurna nappes are confirmed. A partir de l'examen de quatre régions clés du Ladakh et du Zanskar (NW Himalaya), la théorie de l'autochtonie de la zone tibétaine est réfutée. La tectonique de nappes est une réalité aussi bien au Zanskar que dans les autres régions au N de l'Himalaya. Les nouvelles nappes de Zangla, Zumlung et Khurna précédemment découvertes (Baud et al., 1983) son confirmées.

Regulation of the Gac/Rsm pathway in "Pseudomonas fluorescens" CHA0

SUMMARY : Two-component systems are key mediators implicated in the response of numerous bacteria to a wide range of signals and stimuli. The two-component system comprised of the sensor kinase GacS and the response regulator GacA is broadly distributed among γ-proteobacteria bacteria and fulfils diverse functions such as regulation of carbon storage and expression of virulence. In Pseudomonas fluorescens, a soil bacterium which protects plants from root-pathogenic fungi and nematodes, the GacS/GacA two-component system has been shown to be essential for the production of secondary metabolites and exoenzymes required for the biocontrol activity of the bacterium. The regulatory cascade initiated by GacS/GacA consists of two translational repressor proteins, RsmA and RsmE, as well as three GacAcontrolled small regulatory RNAs RsmX, RsmY and RsmZ, which titrate RsmA and RsmE to allow the expression of biocontrol factors. Genetic analysis revealed that two additional sensor kinases termed RetS and Lads were involved as negative and positive control elements, respectively, in the Gac/Rsm pathway in P. fluoresens CHAO. Furthermore, it could be proposed that RetS and Lads interact with GacS, thereby modulating the expression of antibiotic compounds and hydrogen cyanide, as well as the rpoS gene encoding the stress and stationary phase sigma factor σ. Temperature was found to be an important environmental cue that influences the Gac/Rsm network. Indeed, the production of antibiotic compounds and hydrogen cyanide was reduced at 35°C, by comparison with the production at 30°C. RetS was identified to be involved in this temperature control. The small RNA RsmY was confirmed to be positively regulated by GacA and RsmA/RsmE. Two essential regions were identified in the rsmY promoter by mutational analysis, the upstream activating sequence (UAS) and the linker sequence. Although direct experimental evidence is still missing, several observations suggest that GacA may bind to the UAS, whereas the linker region would be recognized by intermediate RsmA/RsmEdependent repressors and/or activators. In conclusion, this work has revealed new elements contributing to the function of the signal transduction mechanisms in the Gac/Rsm pathway. RESUME : Les systèmes ä deux composants sont des mécanismes d'une importance notoire que beaucoup de bactéries utilisent pour faire face et répondre aux stimuli environnementaux. Le système à deux composants comprenant le senseur GacS et le régulateur de réponse GacA est très répandu chez les γ-protéobactéries et remplit des fonctions aussi diverses que la régulation du stockage de carbone ou l'expression de la virulence. Chez Pseudomonas fluorescens CHAO, une bactérie du sol qui protège les racines des plantes contre des attaques de champignons et nématodes pathogènes, le système à deux composants GacS/GacA est essentiel à la production de métabolites secondaires et d'exoenzymes requis pour l'activité de biocontrôle de la bactérie. La cascade régulatrice initiée pas GacS/GacA fait intervenir deux protéines répresseur de traduction, RsmA et RsmE, ainsi que trois petits ARNs RsmX, RsmY et RsmZ, dont la production est contrôlée par GacA. Ces petits ARNs ont pour rôle de contrecarrer l'action des protéines répressseur de la traduction, ce qui permet l'expression de facteurs de biocontrôle. Des analyses génétiques ont révélé la présence de deux senseurs supplémentaires, appelés Rets et Lads, qui interviennent dans la cascade Gac/Rsm de P. fluorescens. L'impact de ces senseurs est, respectivement, négatif et positif. Ces interactions ont apparenunent lieu au niveau de GacS et permettent une modulation de l'expression des antibiotiques et de l'acide cyanhydrique, ainsi que du gène rpoS codant pour le facteur sigma du stress. La température s'est révélée être un facteur environnemental important qui influence la cascade Gac/Rsm. Il s'avère en effet que la production d'antibiotiques ainsi que d'acide cyanhydrique est moins importante à 35°C qu'à 30°C. L'implication du senseur Rets dans ce contrôle par la température a pu être démontrée. La régulation positive du petit ARN RsmY par GacA et RsmA/RsmE a pu être confirmée; par le biais d'une analyse mutationelle, deux régions essentielles ont pu être mises en évidence dans la région promotrice de rsmY. Malgré le manque de preuves expérimentales directes, certains indices suggèrent que GacA puisse directement se fixer sur une des deux régions (appelée UAS), tandis que la deuxième région (appelée linker) serait plutôt reconnue par des facteurs intermédiaires (activateurs ou répresseurs) dépendant de RsmA/RsmE. En conclusion, ce travail a dévoilé de nouveaux éléments permettant d'éclairer les mécanismes de transduction des signaux dans la cascade Gac/Rsm.

Maps as risk mitigation tools. Adaptation of the Swiss hazard assessment and mapping methodology to a Moroccan site: Beni Mellal

Dans le contexte climatique actuel, les régions méditerranéennes connaissent une intensification des phénomènes hydrométéorologiques extrêmes. Au Maroc, le risque lié aux inondations est devenu problématique, les communautés étant vulnérables aux événements extrêmes. En effet, le développement économique et urbain rapide et mal maîtrisé augmente l'exposition aux phénomènes extrêmes. La Direction du Développement et de la Coopération suisse (DDC) s'implique activement dans la réduction des risques naturels au Maroc. La cartographie des dangers et son intégration dans l'aménagement du territoire représentent une méthode efficace afin de réduire la vulnérabilité spatiale. Ainsi, la DDC a mandaté ce projet d'adaptation de la méthode suisse de cartographie des dangers à un cas d'étude marocain (la ville de Beni Mellal, région de Tadla-Azilal, Maroc). La méthode suisse a été adaptée aux contraintes spécifiques du terrain (environnement semi-aride, morphologie de piémont) et au contexte de transfert de connaissances (caractéristiques socio-économiques et pratiques). Une carte des phénomènes d'inondations a été produite. Elle contient les témoins morphologiques et les éléments anthropiques pertinents pour le développement et l'aggravation des inondations. La modélisation de la relation pluie-débit pour des événements de référence, et le routage des hydrogrammes de crue ainsi obtenus ont permis d'estimer quantitativement l'aléa inondation. Des données obtenues sur le terrain (estimations de débit, extension de crues connues) ont permis de vérifier les résultats des modèles. Des cartes d'intensité et de probabilité ont été obtenues. Enfin, une carte indicative du danger d'inondation a été produite sur la base de la matrice suisse du danger qui croise l'intensité et la probabilité d'occurrence d'un événement pour obtenir des degrés de danger assignables au territoire étudié. En vue de l'implémentation des cartes de danger dans les documents de l'aménagement du territoire, nous nous intéressons au fonctionnement actuel de la gestion institutionnelle du risque à Beni Mellal, en étudiant le degré d'intégration de la gestion et la manière dont les connaissances sur les risques influencent le processus de gestion. L'analyse montre que la gestion est marquée par une logique de gestion hiérarchique et la priorité des mesures de protection par rapport aux mesures passives d'aménagement du territoire. Les connaissances sur le risque restent sectorielles, souvent déconnectées. L'innovation dans le domaine de la gestion du risque résulte de collaborations horizontales entre les acteurs ou avec des sources de connaissances externes (par exemple les universités). Des recommandations méthodologiques et institutionnelles issues de cette étude ont été adressées aux gestionnaires en vue de l'implémentation des cartes de danger. Plus que des outils de réduction du risque, les cartes de danger aident à transmettre des connaissances vers le public et contribuent ainsi à établir une culture du risque. - Severe rainfall events are thought to be occurring more frequently in semi-arid areas. In Morocco, flood hazard has become an important topic, notably as rapid economic development and high urbanization rates have increased the exposure of people and assets in hazard-prone areas. The Swiss Agency for Development and Cooperation (SADC) is active in natural hazard mitigation in Morocco. As hazard mapping for urban planning is thought to be a sound tool for vulnerability reduction, the SADC has financed a project aimed at adapting the Swiss approach for hazard assessment and mapping to the case of Morocco. In a knowledge transfer context, the Swiss method was adapted to the semi-arid environment, the specific piedmont morphology and to socio-economic constraints particular to the study site. Following the Swiss guidelines, a hydro-geomorphological map was established, containing all geomorphic elements related to known past floods. Next, rainfall / runoff modeling for reference events and hydraulic routing of the obtained hydrographs were carried out in order to assess hazard quantitatively. Field-collected discharge estimations and flood extent for known floods were used to verify the model results. Flood hazard intensity and probability maps were obtained. Finally, an indicative danger map as defined within the Swiss hazard assessment terminology was calculated using the Swiss hazard matrix that convolves flood intensity with its recurrence probability in order to assign flood danger degrees to the concerned territory. Danger maps become effective, as risk mitigation tools, when implemented in urban planning. We focus on how local authorities are involved in the risk management process and how knowledge about risk impacts the management. An institutional vulnerability "map" was established based on individual interviews held with the main institutional actors in flood management. Results show that flood hazard management is defined by uneven actions and relationships, it is based on top-down decision-making patterns, and focus is maintained on active mitigation measures. The institutional actors embody sectorial, often disconnected risk knowledge pools, whose relationships are dictated by the institutional hierarchy. Results show that innovation in the risk management process emerges when actors collaborate despite the established hierarchy or when they open to outer knowledge pools (e.g. the academia). Several methodological and institutional recommendations were addressed to risk management stakeholders in view of potential map implementation to planning. Hazard assessment and mapping is essential to an integrated risk management approach: more than a mitigation tool, danger maps represent tools that allow communicating on hazards and establishing a risk culture.