Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Les représentations d'attachement du jeune enfant. Développement d'un système de codage pour les histoires à compléter

Les histoires d'attachement à compléter de Bretherton et Ridgeway (1990) constituent un moyen d'évaluer les narratifs d'enfants dès l'âge de 3 ans. Dans le présent article, nous présentons un Q-sort permettant de coder ces productions enfantines. Des scores à 4 dimensions d'attachement (sécurité, désactivation, hyperactivation, désorganisation) peuvent être obtenus grâce à une comparaison des réponses du sujet à celles de prototypes. Par ailleurs, une analyse en composantes principales a permis de définir 6 échelles, correspondant chacune à un aspect spécifique du jeu. Certains aspects des narratifs semblent influencés par le sexe et l'âge de l'enfant, mais non par son QI. Des exemples d'application du Q-sort sont présentés, notamment pour l'étude de la transmission intergénérationnelle des stratégies d'attachement ou pour l'étude de l'implication des représentations et des capacités narratives en matière de psychopathologie. Bretherton and Ridgeway's (1990) attachment story completion task allows for the assessment of child narratives as early as 3 years of age. In the present article, we present a Q-sort for the coding of these child productions. Scores on 4 attachment dimensions (security, deactivation, hyperactivation, disorganization) can be computed by comparing participants' responses to those of each prototype. Following a principal components analysis, 6 scales have been defined, each one corresponding to some specific aspects of child play. Certain aspects of child narratives seem to be influenced by gender and age, but not by IQ. Examples of possible applications of the Q-sort are presented, such as its use in the study of intergenerational transmission of attachment strategies or the study of the role of representations and narrative competence in psychopathology.

Dépression post-partum maternelle et développement de l'enfant: revue de littérature et arguments en faveur d'une approche familiale

De nombreuses recherches ont montré que la dépression post-partum maternelle a un impact négatif sur le développement de l'enfant. Les difficultés affectives de la mère peuvent entraver sa capacité à interagir avec son enfant de manière ajustée, perturbant précocement la relation mère/enfant. Cependant, d'autres études ont souligné l'importance d'autres facteurs susceptibles de modérer cet impact, dans un sens positif ou négatif. Parmi ces facteurs, les recherches s'intéressant au rôle du père ont souligné que celui-ci pourrait compenser cet effet négatif, soit en offrant à l'enfant l'expérience d'interactions ajustées, soit en soutenant la mère dans ses difficultés. Mais il pourrait au contraire l'aggraver, dans le cas d'une relation conjugale conflictuelle par exemple. L'objectif de cette revue de littérature est de porter l'attention du lecteur sur l'intérêt que représente une approche familiale de ces questions, tant au point de vue de la recherche que du travail clinique.

Développement et validation d'une méthode de calcul indépendant des unités moniteur basée sur les simulations Monte Carlo pour la vérification des traitements IMRT

Résumé : La radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) est une technique de traitement qui utilise des faisceaux dont la fluence de rayonnement est modulée. L'IMRT, largement utilisée dans les pays industrialisés, permet d'atteindre une meilleure homogénéité de la dose à l'intérieur du volume cible et de réduire la dose aux organes à risque. Une méthode usuelle pour réaliser pratiquement la modulation des faisceaux est de sommer de petits faisceaux (segments) qui ont la même incidence. Cette technique est appelée IMRT step-and-shoot. Dans le contexte clinique, il est nécessaire de vérifier les plans de traitement des patients avant la première irradiation. Cette question n'est toujours pas résolue de manière satisfaisante. En effet, un calcul indépendant des unités moniteur (représentatif de la pondération des chaque segment) ne peut pas être réalisé pour les traitements IMRT step-and-shoot, car les poids des segments ne sont pas connus à priori, mais calculés au moment de la planification inverse. Par ailleurs, la vérification des plans de traitement par comparaison avec des mesures prend du temps et ne restitue pas la géométrie exacte du traitement. Dans ce travail, une méthode indépendante de calcul des plans de traitement IMRT step-and-shoot est décrite. Cette méthode est basée sur le code Monte Carlo EGSnrc/BEAMnrc, dont la modélisation de la tête de l'accélérateur linéaire a été validée dans une large gamme de situations. Les segments d'un plan de traitement IMRT sont simulés individuellement dans la géométrie exacte du traitement. Ensuite, les distributions de dose sont converties en dose absorbée dans l'eau par unité moniteur. La dose totale du traitement dans chaque élément de volume du patient (voxel) peut être exprimée comme une équation matricielle linéaire des unités moniteur et de la dose par unité moniteur de chacun des faisceaux. La résolution de cette équation est effectuée par l'inversion d'une matrice à l'aide de l'algorithme dit Non-Negative Least Square fit (NNLS). L'ensemble des voxels contenus dans le volume patient ne pouvant être utilisés dans le calcul pour des raisons de limitations informatiques, plusieurs possibilités de sélection ont été testées. Le meilleur choix consiste à utiliser les voxels contenus dans le Volume Cible de Planification (PTV). La méthode proposée dans ce travail a été testée avec huit cas cliniques représentatifs des traitements habituels de radiothérapie. Les unités moniteur obtenues conduisent à des distributions de dose globale cliniquement équivalentes à celles issues du logiciel de planification des traitements. Ainsi, cette méthode indépendante de calcul des unités moniteur pour l'IMRT step-andshootest validée pour une utilisation clinique. Par analogie, il serait possible d'envisager d'appliquer une méthode similaire pour d'autres modalités de traitement comme par exemple la tomothérapie. Abstract : Intensity Modulated RadioTherapy (IMRT) is a treatment technique that uses modulated beam fluence. IMRT is now widespread in more advanced countries, due to its improvement of dose conformation around target volume, and its ability to lower doses to organs at risk in complex clinical cases. One way to carry out beam modulation is to sum smaller beams (beamlets) with the same incidence. This technique is called step-and-shoot IMRT. In a clinical context, it is necessary to verify treatment plans before the first irradiation. IMRT Plan verification is still an issue for this technique. Independent monitor unit calculation (representative of the weight of each beamlet) can indeed not be performed for IMRT step-and-shoot, because beamlet weights are not known a priori, but calculated by inverse planning. Besides, treatment plan verification by comparison with measured data is time consuming and performed in a simple geometry, usually in a cubic water phantom with all machine angles set to zero. In this work, an independent method for monitor unit calculation for step-and-shoot IMRT is described. This method is based on the Monte Carlo code EGSnrc/BEAMnrc. The Monte Carlo model of the head of the linear accelerator is validated by comparison of simulated and measured dose distributions in a large range of situations. The beamlets of an IMRT treatment plan are calculated individually by Monte Carlo, in the exact geometry of the treatment. Then, the dose distributions of the beamlets are converted in absorbed dose to water per monitor unit. The dose of the whole treatment in each volume element (voxel) can be expressed through a linear matrix equation of the monitor units and dose per monitor unit of every beamlets. This equation is solved by a Non-Negative Least Sqvare fif algorithm (NNLS). However, not every voxels inside the patient volume can be used in order to solve this equation, because of computer limitations. Several ways of voxel selection have been tested and the best choice consists in using voxels inside the Planning Target Volume (PTV). The method presented in this work was tested with eight clinical cases, which were representative of usual radiotherapy treatments. The monitor units obtained lead to clinically equivalent global dose distributions. Thus, this independent monitor unit calculation method for step-and-shoot IMRT is validated and can therefore be used in a clinical routine. It would be possible to consider applying a similar method for other treatment modalities, such as for instance tomotherapy or volumetric modulated arc therapy.

Développement d'un programme de formation à l'entretien motivationnel

RESUMELe but de ce travail de thèse est de permettre à un public de professionnels de découvrir à travers des enregistrements et un texte d'accompagnement l'entretien motivationnel, approche qui est utilisée depuis une vingtaine d'années et qui a fait ses preuves dans le domaine des habitudes de vie influençant la santé.L'entretien motivationnel est d'une part un esprit. Au moyen d'une attitude non jugeante et non confrontante, il crée un climat de confiance favorable à une démarche de changement. Le thérapeute installe une relation de partenariat dans laquelle la personne est autonome dans ses décisions. Cette attitude ou esprit de l'entretien motivationnel repose sur quatre principes de bases qui favorisent le changement.L'entretien motivationnel utilise d'autre part des techniques qui visent à soulever l'ambivalence d'une personne face à une habitude de vie et à la résoudre. Il existe des techniques essentielles pour construire la motivation au changement et des techniques pour construire un plan permettant à la personne de s'engager dans le changement. Ces techniques sont illustrées dans les enregistrements et par le texte d'accompagnementCe travail de thèse contient tous les éléments nécessaires pour prendre connaissance de l'esprit et des techniques de l'entretien motivationnel. Il est néanmoins indispensable de participer à des séminaires de formation pratique et de bénéficier de supervisions pour apprendre à utiliser l'entretien motivationnel.

Natural aphrodisiacs: studies of commercially-available herbal recipes, and phytochemical investigation of "Erythroxylum vacciniifolium" Mart. (Erythroxylaceae) from Brazil

De tout temps, hommes et femmes ont cherché par tous les moyens à développer, préserver ou recouvrer leurs propres capacités sexuelles mais également à stimuler le désir du partenaire. L?utilisation d?aphrodisiaques naturels a été l?un des recours les plus répandus. De nos jours, la commercialisation de nouvelles "love drugs" de synthèse, e.g. Viagra®, Cialis®, Levitra®, a remis au goût du jour les aphrodisiaques classiques et à relancer la recherche sur des molécules nouvelles. La pratique croissante de l?automédication, le matraquage publicitaire sur les aphrodisiaques naturels, la prolifération sur le marché de compléments alimentaires non contrôlés et l?absence de véritable législation accroissent les risques qui pèsent sur la santé publique. Dans le but d?évaluer les risques potentiels sur le consommateur de produits aphrodisiaques commercialisés, le développement et la validation d?une méthode rapide d?analyse qualitative et quantitative de la yohimbine dans ces préparations du marché sont exposés dans la première partie de ce travail. La yohimbine est un antagoniste ?2-adrénocepteur du système nerveux central et périphérique, elle est employée depuis plus d?un siècle dans le traitement des dysfonctionnements érectiles. Cette méthode analytique utilise la chromatographie liquide couplée à l?ultraviolet et à la spectrométrie de masse (LC-UV-MS) et au total, vingt préparations aphrodisiaques ont été étudiées. La dose journalière de yohimbine mesurée s?est révélée très variable selon les produits puisqu?elle varie de 1.32 à 23.16 mg. La seconde partie de ce travail concerne l?étude phytochimique et pharmacologique d?Erythroxylum vacciniifolium Mart. (Erythroxylaceae), une plante, appelée localement catuaba, utilisée dans la médecine traditionnelle brésilienne comme tonique et aphrodisiaque. Dans un premier temps, l?extrait alcaloïdique a été analysé par chromatographie liquide haute performance (HPLC) couplée soit à un détecteur UV à barrette d?iode (LC-UV-DAD), soit à un spectromètre de masse (LC-MS), ou soit à un spectromètre de résonance magnétique nucléaire (LC-RMN). L?interprétation de ces données spectrales enregistrées en ligne a permis d?obtenir des informations structurales et d?identifier partiellement près de 24 alcaloïdes appartenant à la classe des tropanes et potentiellement originaux. Par des méthodes classiques de chromatographie liquide sur l?extrait alcaloïdique de la plante, dix sept tropanes nouveaux ont ensuite été isolés dont les catuabines et leurs dérivés, et les vaccinines. Tous ces composés sont des tropane-diols ou triols estérifiés par au moins un groupe acide 1-méthyl-1H-pyrrole-2-carboxylique. Un de ces composés a été identifié comme un tropane N-oxyde. Toutes les structures ont été déterminées par spectrométrie de masse haute résolution et spectroscopie RMN multi-dimensionnelle. Parmi les nombreux tests biologiques réalisés sur ces tropanes, seuls les tests de cytotoxicité se sont révélés faiblement positifs pour certains de ces composés.<br/><br/>Throughout the ages, men and women have incessantly pursued every means to increase, preserve or recapture their sexual capacity, or to stimulate the sexual desire of selected individuals. One of the most recurrent methods has been the use of natural aphrodisiacs. Nowadays, the commercialization of new synthetic "love drugs", e.g. Viagra®, Cialis® and Levitra®, has fascinated the public interest and has led to a reassessment of classical aphrodisiacs and to the search for new ones. The practice of self-medication by an increasing number of patients, the incessant aggressive advertising of these herbal aphrodisiacs, the invasion of the medicinal market with uncontrolled dietary supplements and the absence of real directives amplifies the potential health hazards to the community. In order to evaluate the possible risks of commercialized aphrodisiac products on consumer health, the development and validation of a rapid qualitative and quantitative method for the analysis of yohimbine in these products, is reported in the first part of the present work. Yohimbine, a pharmacologically well-characterized ?2-adrenoceptor antagonist with activity in the central and peripheral nervous system, has been used for over a century in the treatment of erectile dysfunction. The analytical method is based on liquid chromatography coupled with ultraviolet and mass spectrometry (LC-UV-MS) and in total, 20 commercially-available aphrodisiac preparations were analyzed. The amount of yohimbine measured and expressed as the maximal dose per day suggested on product labels ranged from 1.32 to 23.16 mg. The second part of this work involved the phytochemical and pharmacological investigation of Erythroxylum vacciniifolium Mart. (Erythroxylaceae), a plant used in Brazilian traditional medicine as an aphrodisiac and tonic, and locally known as catuaba. With the aim of obtaining preliminary structure information on-line, the alkaloid extract was analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to diode array UV detection (LC-UVDAD), to mass spectrometry (LC-MS) and to nuclear magnetic resonance spectroscopy (LCNMR). Interpretation of on-line spectroscopic data led to structure elucidation and partial identification of 24 potentially original alkaloids bearing the same tropane skeleton. Seventeen new tropane alkaloids were then isolated from the alkaloid extract of the plant, including catuabines D to I, their derivatives and vaccinines A and B. All compounds were elucidated as tropane-diol or -triol alkaloids esterified by at least one 1-methyl-1H-pyrrole-2-carboxylic acid. One of the isolated compounds was identified as a tropane alkaloid N-oxide. Their structures were determined by high resolution mass spectrometry and multi-dimensional NMR spectroscopy. Among the numerous bioassays undertaken, only the cytotoxicity tests exhibited a weak positive activity of certain compounds.