The euchromatic and heterochromatic landscapes are shaped by antagonizing effects of transcription on H2A.Z deposition

A role for variant histone H2A.Z in gene expression is now well established but little is known about the mechanisms by which it operates. Using a combination of ChIP-chip, knockdown and expression profiling experiments, we show that upon gene induction, human H2A.Z associates with gene promoters and helps in recruiting the transcriptional machinery. Surprisingly, we also found that H2A.Z is randomly incorporated in the genome at low levels and that active transcription antagonizes this incorporation in transcribed regions. After cessation of transcription, random H2A.Z quickly reappears on genes, demonstrating that this incorporation utilizes an active mechanism. Within facultative heterochromatin, we observe a hyper accumulation of the variant histone, which might be due to the lack of transcription in these regions. These results show how chromatin structure and transcription can antagonize each other, therefore shaping chromatin and controlling gene expression.

A mechanism for co-transcriptional recruitment of mRNA localization factor on nascent mRNAs in budding yeast

Le transport et la localisation des ARN messagers permettent de réguler l’expression spatiale et temporelle de facteurs spécifiques impliqués dans la détermination du destin cellulaire, la plasticité synaptique, la polarité cellulaire et la division asymétrique des cellules. Chez S.cerevisiæ, plus de trente transcrits sont transportés activement vers le bourgeon cellulaire. Parmi ces transcrits, l’ARNm ASH1 (asymetric synthesis of HO) est localisé à l’extrémité du bourgeon pendant l’anaphase. Ce processus va entrainer une localisation asymétrique de la protéine Ash1p, qui sera importée uniquement dans le noyau de la cellule fille, où elle entraine le changement de type sexuel. La localisation asymétrique de l’ARNm ASH1, et donc de Ash1p, implique la présence de différents facteurs de localisation. Parmi ces facteurs, les protéines She (She1p/Myo4p, She2p et She3p) et les répresseurs traductionnels (Puf6p, Loc1p et Khd1p) participent à ce mécanisme. La protéine navette She2p est capable de lier l’ARNm ASH1 et va entrainer le ciblage de cet ARNm vers l’extrémité du bourgeon en recrutant le complexe She3p-Myo4p. Des répresseurs traductionnels régulent la traduction de cet ARNm et évitent l’expression ectopique de la protéine Ash1p pendant son transport. Alors que la fonction cytoplasmique de She2p sur la localisation des ARNm est connue, sa fonction nucléaire est encore inconnue. Nous avons montré que She2p contient une séquence de localisation nucléaire non classique qui est essentielle à son import nucléaire médié par l’importine α (Srp1p). L’exclusion de She2p du noyau par mutation de son NLS empêche la liaison de Loc1p et Puf6p sur l’ARNm ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et de la protéine. Pour étudier plus en détail l’assemblage de la machinerie de localisation des ARNm dans le noyau, nous avons utilisé des techniques d’immunoprécipitation de chromatine afin de suivre le recrutement des facteurs de localisation et des répresseurs traductionnels sur les ARNm naissants. Nous avons montré que She2p est recruté sur le gène ASH1 pendant sa transcription, via son interaction avec l’ARNm ASH1 naissant. Puf6p est également recruté sur ASH1, mais d’une manière dépendante de la présence de She2p. De façon intéressante, nous avons détecté une interaction entre She2p et la plus grande sous-unité de l’ARN polymérase II (Rpb1p). Cette interaction est détectée avec la forme active en élongation de l’ARN polymérase II. Nous avons également démontré que She2p interagit avec le complexe d’élongation de la transcription Spt4p/Spt5p. Une délétion de SPT4 ou une mutation dans SPT5 (Ts spt5) à température restrictive empêche l’interaction entre She2p et Rpb1p, et diminue le recrutement de She2p au gène ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et un défaut de localisation asymétrique de la protéine Ash1p. De manière globale, nos résultats montrent que les facteurs impliqués dans la localisation cytoplasmique des ARNm et dans leur contrôle traductionnel sont recrutés de façon co-transcriptionnelle sur les ARNm naissants via leur interaction avec la machinerie de transcription, suggèrant un rôle important de la machinerie transcriptionelle dans la localisation des ARNm.

Développement d’outils pour l’analyse de données de ChIP-seq et l’identification des facteurs de transcription

La méthode ChIP-seq est une technologie combinant la technique de chromatine immunoprecipitation avec le séquençage haut-débit et permettant l’analyse in vivo des facteurs de transcription à grande échelle. Le traitement des grandes quantités de données ainsi générées nécessite des moyens informatiques performants et de nombreux outils ont vu le jour récemment. Reste cependant que cette multiplication des logiciels réalisant chacun une étape de l’analyse engendre des problèmes de compatibilité et complique les analyses. Il existe ainsi un besoin important pour une suite de logiciels performante et flexible permettant l’identification des motifs. Nous proposons ici un ensemble complet d’analyse de données ChIP-seq disponible librement dans R et composé de trois modules PICS, rGADEM et MotIV. A travers l’analyse de quatre jeux de données des facteurs de transcription CTCF, STAT1, FOXA1 et ER nous avons démontré l’efficacité de notre ensemble d’analyse et mis en avant les fonctionnalités novatrices de celui-ci, notamment concernant le traitement des résultats par MotIV conduisant à la découverte de motifs non détectés par les autres algorithmes.

Une nouvelle approche computationnelle pour la découverte des sites de fixation de facteurs de transcription à l’ADN, adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage

Les facteurs de transcription sont des protéines spécialisées qui jouent un rôle important dans différents processus biologiques tel que la différenciation, le cycle cellulaire et la tumorigenèse. Ils régulent la transcription des gènes en se fixant sur des séquences d’ADN spécifiques (éléments cis-régulateurs). L’identification de ces éléments est une étape cruciale dans la compréhension des réseaux de régulation des gènes. Avec l’avènement des technologies de séquençage à haut débit, l’identification de tout les éléments fonctionnels dans les génomes, incluant gènes et éléments cis-régulateurs a connu une avancée considérable. Alors qu’on est arrivé à estimer le nombre de gènes chez différentes espèces, l’information sur les éléments qui contrôlent et orchestrent la régulation de ces gènes est encore mal définie. Grace aux techniques de ChIP-chip et de ChIP-séquençage il est possible d’identifier toutes les régions du génome qui sont liées par un facteur de transcription d’intérêt. Plusieurs approches computationnelles ont été développées pour prédire les sites fixés par les facteurs de transcription. Ces approches sont classées en deux catégories principales: les algorithmes énumératifs et probabilistes. Toutefois, plusieurs études ont montré que ces approches génèrent des taux élevés de faux négatifs et de faux positifs ce qui rend difficile l’interprétation des résultats et par conséquent leur validation expérimentale. Dans cette thèse, nous avons ciblé deux objectifs. Le premier objectif a été de développer une nouvelle approche pour la découverte des sites de fixation des facteurs de transcription à l’ADN (SAMD-ChIP) adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. Notre approche implémente un algorithme hybride qui combine les deux stratégies énumérative et probabiliste, afin d’exploiter les performances de chacune d’entre elles. Notre approche a montré ses performances, comparée aux outils de découvertes de motifs existants sur des jeux de données simulées et des jeux de données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. SAMD-ChIP présente aussi l’avantage d’exploiter les propriétés de distributions des sites liés par les facteurs de transcription autour du centre des régions liées afin de limiter la prédiction aux motifs qui sont enrichis dans une fenêtre de longueur fixe autour du centre de ces régions. Les facteurs de transcription agissent rarement seuls. Ils forment souvent des complexes pour interagir avec l’ADN pour réguler leurs gènes cibles. Ces interactions impliquent des facteurs de transcription dont les sites de fixation à l’ADN sont localisés proches les uns des autres ou bien médier par des boucles de chromatine. Notre deuxième objectif a été d’exploiter la proximité spatiale des sites liés par les facteurs de transcription dans les régions de ChIP-chip et de ChIP-séquençage pour développer une approche pour la prédiction des motifs composites (motifs composés par deux sites et séparés par un espacement de taille fixe). Nous avons testé ce module pour prédire la co-localisation entre les deux demi-sites ERE qui forment le site ERE, lié par le récepteur des œstrogènes ERα. Ce module a été incorporé à notre outil de découverte de motifs SAMD-ChIP.

Affectation de composantes basée sur des contraintes énergétiques dans une architecture multiprocesseurs en trois dimensions

La lithographie et la loi de Moore ont permis des avancées extraordinaires dans la fabrication des circuits intégrés. De nos jours, plusieurs systèmes très complexes peuvent être embarqués sur la même puce électronique. Les contraintes de développement de ces systèmes sont tellement grandes qu’une bonne planification dès le début de leur cycle de développement est incontournable. Ainsi, la planification de la gestion énergétique au début du cycle de développement est devenue une phase importante dans la conception de ces systèmes. Pendant plusieurs années, l’idée était de réduire la consommation énergétique en ajoutant un mécanisme physique une fois le circuit créé, comme par exemple un dissipateur de chaleur. La stratégie actuelle est d’intégrer les contraintes énergétiques dès les premières phases de la conception des circuits. Il est donc essentiel de bien connaître la dissipation d’énergie avant l’intégration des composantes dans une architecture d’un système multiprocesseurs de façon à ce que chaque composante puisse fonctionner efficacement dans les limites de ses contraintes thermiques. Lorsqu’une composante fonctionne, elle consomme de l’énergie électrique qui est transformée en dégagement de chaleur. Le but de ce mémoire est de trouver une affectation efficace des composantes dans une architecture de multiprocesseurs en trois dimensions en tenant compte des limites des facteurs thermiques de ce système.

Some Studies and New Results on Multi Microprocessor Applications

One of the fastest expanding areas of computer exploitation is in embedded systems, whose prime function is not that of computing, but which nevertheless require information processing in order to carry out their prime function. Advances in hardware technology have made multi microprocessor systems a viable alternative to uniprocessor systems in many embedded application areas. This thesis reports the results of investigations carried out on multi microprocessors oriented towards embedded applications, with a view to enhancing throughput and reliability. An ideal controller for multiprocessor operation is developed which would smoothen sharing of routines and enable more powerful and efficient code I data interchange. Results of performance evaluation are appended.A typical application scenario is presented, which calls for classifying tasks based on characteristic features that were identified. The different classes are introduced along with a partitioned storage scheme. Theoretical analysis is also given. A review of schemes available for reducing disc access time is carried out and a new scheme presented. This is found to speed up data base transactions in embedded systems. The significance of software maintenance and adaptation in such applications is highlighted. A novel scheme of prov1d1ng a maintenance folio to system firmware is presented, alongwith experimental results. Processing reliability can be enhanced if facility exists to check if a particular instruction in a stream is appropriate. Likelihood of occurrence of a particular instruction would be more prudent if number of instructions in the set is less. A new organisation is derived to form the basement for further work. Some early results that would help steer the course of the work are presented.

Changes in heron and egret populations on the Laurentian Great Lakes and connecting channels, 1977-2009

Canadian and U.S. federal wildlife agencies completed four decadal surveys, spanning the years 1977 to 2009, to census colonial waterbirds breeding on the Great Lakes and adjoining bodies of water. In this paper, we reports abundance, distribution, and general population trends of three species: Black-crowned Night-Heron (Nycticorax nycticorax), Great Egret (Ardea alba), and Great Blue Heron (Ardea herodias). Estimates of nest numbers ranged from approximately 4000-6100 for the Black-crowned Night-Heron, 250-1900 for the Great Egret, and 3800-6400 for the Great Blue Heron. Average annual rates of change in nest numbers between the first (1977) and fourth (2008) census were −1% for the Black-crowned Night-Heron, +23% for the Great Egret, and −0.27% for the Great Blue Heron. Across the 30-year census, Black-crowned Night-Heron estimates decreased in U.S. (−57%) but increased (+18%) in Canadian waters, Great Egret nests increased 1381% in Canadian waters with a smaller, but still substantial increase in the number of nests at U.S. colonies (+613%), and Great Blue Heron numbers increased 148% in Canadian waters and 713% in U.S. waters. Although a single factor cannot be clearly linked to changes observed in each species’ distribution, hydrological variation, habitat succession, nest competition with Double-crested Cormorants (Phalacrocorax auritus), and land use changes likely all contributed. Management activities should support both breeding and foraging conditions including restoration of early successional habitats and anticipate continued northward expansions in the distributions of these waterbirds.

Convergence analysis of chip- and fractionally spaced LMS adaptive multiuser CDMA detectors

This paper analyzes the convergence behavior of the least mean square (LMS) filter when used in an adaptive code division multiple access (CDMA) detector consisting of a tapped delay line with adjustable tap weights. The sampling rate may be equal to or higher than the chip rate, and these correspond to chip-spaced (CS) and fractionally spaced (FS) detection, respectively. It is shown that CS and FS detectors with the same time-span exhibit identical convergence behavior if the baseband received signal is strictly bandlimited to half the chip rate. Even in the practical case when this condition is not met, deviations from this observation are imperceptible unless the initial tap-weight vector gives an extremely large mean squared error (MSE). This phenomenon is carefully explained with reference to the eigenvalues of the correlation matrix when the input signal is not perfectly bandlimited. The inadequacy of the eigenvalue spread of the tap-input correlation matrix as an indicator of the transient behavior and the influence of the initial tap weight vector on convergence speed are highlighted. Specifically, a initialization within the signal subspace or to the origin leads to very much faster convergence compared with initialization in the a noise subspace.

Gene-chip technology and its applications

Gene Chips are finding extensive use in animal and plant science. Generally microarrays are of two kind, cDNA or oligonucleotide. cDNA microarrays were developed at Stanford University, whereas oligonucleotide were developed by Affymetrix. The construction of cDNA or oligonucleotide on a glass slide helps to compare the gene expression level of treated and control samples by labeling mRNA with green (Cy3) and red (Cy5) dyes. The hybridized gene chip emit fluorescence whose intensity and colour can be measured. RNA labeling can be done directly or indirectly. Indirect method involves amino allyle modified dUTP instead of pre-labelled nucleotide. Hybridization of gene chip generally occurs in a minimum volume possible and to ensure the hetroduplex formation, a ten fold more DNA is spotted on slide than in the solutions. A confocal or semi confocal laser technologies coupled with CCD camera are used for image acquisition. For standardization, house keeping genes are used or cDNA are spotted in gene chip that are not present in treated or control samples. Moreover, statistical analysis (image analysis) and cluster analysis softwares have been developed by Stanford University. The gene-chip technology has many applications like expression analysis, gene expression signatures (molecular phenotypes) and promoter regulatory element co-expression.

Optimizing layer-by-layer deposition of interpolymer complexes on solid substrates using Biacore

The layer-by-layer deposition of polymers onto surfaces allows the fabrication of multilayered materials for a wide range of applications, from drug delivery to biosensors. This work describes the analysis of complex formation between poly(acrylic acid) and methylcellulose in aqueous solutions using Biacore, a surface plasmon resonance analytical technique, traditionally used to examine biological interactions. This technique characterized the layer-by-layer deposition of these polymers on the surface of a Biacore sensor chip. The results were subsequently used to optimize the experimental conditions for sequential layer deposition on glass slides. The role of the solution pH and poly(acrylic acid) molecular weight on the formation of interpolymer multilayered coatings was researched, and showed that the optimal deposition of the polymer complexes was achieved at pHs ≤2.5 with a poly(acrylic acid) molecular weight of 450 kDa.

Fine-grained multi-phase array designs

Hybrid multiprocessor architectures which combine re-configurable computing and multiprocessors on a chip are being proposed to transcend the performance of standard multi-core parallel systems. Both fine-grained and coarse-grained parallel algorithm implementations are feasible in such hybrid frameworks. A compositional strategy for designing fine-grained multi-phase regular processor arrays to target hybrid architectures is presented in this paper. The method is based on deriving component designs using classical regular array techniques and composing the components into a unified global design. Effective designs with phase-changes and data routing at run-time are characteristics of these designs. In order to describe the data transfer between phases, the concept of communication domain is introduced so that the producer–consumer relationship arising from multi-phase computation can be treated in a unified way as a data routing phase. This technique is applied to derive new designs of multi-phase regular arrays with different dataflow between phases of computation.

Genes driving potato tuber initiation and growth: identification based on transcriptional changes using the POCI array

The increasing amount of available expressed gene sequence data makes whole-transcriptome analysis of certain crop species possible. Potato currently has the second largest number of publicly available expressed sequence tag (EST) sequences among the Solanaceae. Most of these ESTs, plus other proprietary sequences, were combined and used to generate a unigene assembly. The set of 246,182 sequences produced 46,345 unigenes, which were used to design a 44K 60-mer oligo array (Potato Oligo Chip Initiative: POCI). In this study, we attempt to identify genes controlling and driving the process of tuber initiation and growth by implementing large-scale transcriptional changes using the newly developed POCI array. Major gene expression profiles could be identified exhibiting differential expression at key developmental stages. These profiles were associated with functional roles in cell division and growth. A subset of genes involved in the regulation of the cell cycle, based on their Gene Ontology classification, exhibit a clear transient upregulation at tuber onset indicating increased cell division during these stages. The POCI array allows the study of potato gene expression on a much broader level than previously possible and will greatly enhance analysis of transcriptional control mechanisms in a wide range of potato research areas. POCI sequence and annotation data are publicly available through the POCI database (http://pgrc.ipk-gatersleben.de/poci).

Patterning and detailed study of human hNT astrocytes on parylene-C/silicon dioxide substrates to the single cell level

It is estimated that the adult human brain contains 100 billion neurons with 5–10 times as many astrocytes. Although it has been generally considered that the astrocyte is a simple supportive cell to the neuron, recent research has revealed new functionality of the astrocyte in the form of information transfer to neurons of the brain. In our previous work we developed a protocol to pattern the hNT neuron (derived from the human teratocarcinoma cell line (hNT)) on parylene-C/SiO2 substrates. In this work, we report how we have managed to pattern hNT astrocytes, on parylene-C/SiO2 substrates to single cell resolution. This article disseminates the nanofabrication and cell culturing steps necessary for the patterning of such cells. In addition, it reports the necessary strip lengths and strip width dimensions of parylene-C that encourage high degrees of cellular coverage and single cell isolation for this cell type. The significance in patterning the hNT astrocyte on silicon chip is that it will help enable single cell and network studies into the undiscovered functionality of this interesting cell, thus, contributing to closer pathological studies of the human brain.

First human hNT neurons patterned on parylene-C/silicon dioxide substrates: Combining an accessible cell line and robust patterning technology for the study of the pathological adult human brain

In this communication, we describe a new method which has enabled the first patterning of human neurons (derived from the human teratocarcinoma cell line (hNT)) on parylene-C/silicon dioxide substrates. We reveal the details of the nanofabrication processes, cell differentiation and culturing protocols necessary to successfully pattern hNT neurons which are each key aspects of this new method. The benefits in patterning human neurons on silicon chip using an accessible cell line and robust patterning technology are of widespread value. Thus, using a combined technology such as this will facilitate the detailed study of the pathological human brain at both the single cell and network level.