Behavioural queueing : cellular automata and a laboratory experiment

Dans cette thèse, nous étudions les aspects comportementaux d'agents qui interagissent dans des systèmes de files d'attente à l'aide de modèles de simulation et de méthodologies expérimentales. Chaque période les clients doivent choisir un prestataire de servivce. L'objectif est d'analyser l'impact des décisions des clients et des prestataires sur la formation des files d'attente. Dans un premier cas nous considérons des clients ayant un certain degré d'aversion au risque. Sur la base de leur perception de l'attente moyenne et de la variabilité de cette attente, ils forment une estimation de la limite supérieure de l'attente chez chacun des prestataires. Chaque période, ils choisissent le prestataire pour lequel cette estimation est la plus basse. Nos résultats indiquent qu'il n'y a pas de relation monotone entre le degré d'aversion au risque et la performance globale. En effet, une population de clients ayant un degré d'aversion au risque intermédiaire encoure généralement une attente moyenne plus élevée qu'une population d'agents indifférents au risque ou très averses au risque. Ensuite, nous incorporons les décisions des prestataires en leur permettant d'ajuster leur capacité de service sur la base de leur perception de la fréquence moyenne d'arrivées. Les résultats montrent que le comportement des clients et les décisions des prestataires présentent une forte "dépendance au sentier". En outre, nous montrons que les décisions des prestataires font converger l'attente moyenne pondérée vers l'attente de référence du marché. Finalement, une expérience de laboratoire dans laquelle des sujets jouent le rôle de prestataire de service nous a permis de conclure que les délais d'installation et de démantèlement de capacité affectent de manière significative la performance et les décisions des sujets. En particulier, les décisions du prestataire, sont influencées par ses commandes en carnet, sa capacité de service actuellement disponible et les décisions d'ajustement de capacité qu'il a prises, mais pas encore implémentées. - Queuing is a fact of life that we witness daily. We all have had the experience of waiting in line for some reason and we also know that it is an annoying situation. As the adage says "time is money"; this is perhaps the best way of stating what queuing problems mean for customers. Human beings are not very tolerant, but they are even less so when having to wait in line for service. Banks, roads, post offices and restaurants are just some examples where people must wait for service. Studies of queuing phenomena have typically addressed the optimisation of performance measures (e.g. average waiting time, queue length and server utilisation rates) and the analysis of equilibrium solutions. The individual behaviour of the agents involved in queueing systems and their decision making process have received little attention. Although this work has been useful to improve the efficiency of many queueing systems, or to design new processes in social and physical systems, it has only provided us with a limited ability to explain the behaviour observed in many real queues. In this dissertation we differ from this traditional research by analysing how the agents involved in the system make decisions instead of focusing on optimising performance measures or analysing an equilibrium solution. This dissertation builds on and extends the framework proposed by van Ackere and Larsen (2004) and van Ackere et al. (2010). We focus on studying behavioural aspects in queueing systems and incorporate this still underdeveloped framework into the operations management field. In the first chapter of this thesis we provide a general introduction to the area, as well as an overview of the results. In Chapters 2 and 3, we use Cellular Automata (CA) to model service systems where captive interacting customers must decide each period which facility to join for service. They base this decision on their expectations of sojourn times. Each period, customers use new information (their most recent experience and that of their best performing neighbour) to form expectations of sojourn time at the different facilities. Customers update their expectations using an adaptive expectations process to combine their memory and their new information. We label "conservative" those customers who give more weight to their memory than to the xiv Summary new information. In contrast, when they give more weight to new information, we call them "reactive". In Chapter 2, we consider customers with different degree of risk-aversion who take into account uncertainty. They choose which facility to join based on an estimated upper-bound of the sojourn time which they compute using their perceptions of the average sojourn time and the level of uncertainty. We assume the same exogenous service capacity for all facilities, which remains constant throughout. We first analyse the collective behaviour generated by the customers' decisions. We show that the system achieves low weighted average sojourn times when the collective behaviour results in neighbourhoods of customers loyal to a facility and the customers are approximately equally split among all facilities. The lowest weighted average sojourn time is achieved when exactly the same number of customers patronises each facility, implying that they do not wish to switch facility. In this case, the system has achieved the Nash equilibrium. We show that there is a non-monotonic relationship between the degree of risk-aversion and system performance. Customers with an intermediate degree of riskaversion typically achieve higher sojourn times; in particular they rarely achieve the Nash equilibrium. Risk-neutral customers have the highest probability of achieving the Nash Equilibrium. Chapter 3 considers a service system similar to the previous one but with risk-neutral customers, and relaxes the assumption of exogenous service rates. In this sense, we model a queueing system with endogenous service rates by enabling managers to adjust the service capacity of the facilities. We assume that managers do so based on their perceptions of the arrival rates and use the same principle of adaptive expectations to model these perceptions. We consider service systems in which the managers' decisions take time to be implemented. Managers are characterised by a profile which is determined by the speed at which they update their perceptions, the speed at which they take decisions, and how coherent they are when accounting for their previous decisions still to be implemented when taking their next decision. We find that the managers' decisions exhibit a strong path-dependence: owing to the initial conditions of the model, the facilities of managers with identical profiles can evolve completely differently. In some cases the system becomes "locked-in" into a monopoly or duopoly situation. The competition between managers causes the weighted average sojourn time of the system to converge to the exogenous benchmark value which they use to estimate their desired capacity. Concerning the managers' profile, we found that the more conservative Summary xv a manager is regarding new information, the larger the market share his facility achieves. Additionally, the faster he takes decisions, the higher the probability that he achieves a monopoly position. In Chapter 4 we consider a one-server queueing system with non-captive customers. We carry out an experiment aimed at analysing the way human subjects, taking on the role of the manager, take decisions in a laboratory regarding the capacity of a service facility. We adapt the model proposed by van Ackere et al (2010). This model relaxes the assumption of a captive market and allows current customers to decide whether or not to use the facility. Additionally the facility also has potential customers who currently do not patronise it, but might consider doing so in the future. We identify three groups of subjects whose decisions cause similar behavioural patterns. These groups are labelled: gradual investors, lumpy investors, and random investor. Using an autocorrelation analysis of the subjects' decisions, we illustrate that these decisions are positively correlated to the decisions taken one period early. Subsequently we formulate a heuristic to model the decision rule considered by subjects in the laboratory. We found that this decision rule fits very well for those subjects who gradually adjust capacity, but it does not capture the behaviour of the subjects of the other two groups. In Chapter 5 we summarise the results and provide suggestions for further work. Our main contribution is the use of simulation and experimental methodologies to explain the collective behaviour generated by customers' and managers' decisions in queueing systems as well as the analysis of the individual behaviour of these agents. In this way, we differ from the typical literature related to queueing systems which focuses on optimising performance measures and the analysis of equilibrium solutions. Our work can be seen as a first step towards understanding the interaction between customer behaviour and the capacity adjustment process in queueing systems. This framework is still in its early stages and accordingly there is a large potential for further work that spans several research topics. Interesting extensions to this work include incorporating other characteristics of queueing systems which affect the customers' experience (e.g. balking, reneging and jockeying); providing customers and managers with additional information to take their decisions (e.g. service price, quality, customers' profile); analysing different decision rules and studying other characteristics which determine the profile of customers and managers.

Roles of astrocytic sodium dynamics in the neurometabolic coupling : a study by cellular imaging

RESUME LARGE PUBLIC Le système nerveux central est principalement composé de deux types de cellules :les neurones et les cellules gliales. Ces dernières, bien que l'emportant en nombre sur les neurones, ont longtemps été considérées comme des cellules sans intérêts par les neuroscientifiques. Hors, les connaissances modernes à leurs sujets indiquent qu'elles participent à la plupart des tâches physiologiques du cerveau. Plus particulièrement, elles prennent part aux processus énergétiques cérébraux. Ceux-ci, en plus d'être vitaux, sont particulièrement intrigants puisque le cerveau représente seulement 2 % de la masse corporelle mais consomme environ 25 % du glucose (substrat énergétique) corporel. Les astrocytes, un type de cellules gliales, jouent un rôle primordial dans cette formidable utilisation de glucose par le cerveau. En effet, l'activité neuronale (transmission de l'influx nerveux) est accompagnée d'une augmentation de la capture de glucose, issu de la circulation sanguine, par les astrocytes. Ce phénomène est appelé le «couplage neurométabolique » entre neurones et astrocytes. L'ion sodium fait partie des mécanismes cellulaires entrant en fonction lors de ces processus. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, les aspects dynamiques de la régulation du sodium astrocytaire et leurs implications dans le couplage neurométabolique ont été étudiés par des techniques d'imagerie cellulaires. Ces études ont démontré que les mitochondries, machineries cellulaires convertissant l'énergie contenue dans le glucose, participent à la régulation du sodium astrocytaire. De plus, ce travail de thèse a permis de découvrir que les astrocytes sont capables de se transmettre, sous forme de vagues de sodium se propageant de cellules en cellules, un message donnant l'ordre d'accroître leur consommation d'énergie. Cette voie de signalisation leur permettrait de fournir de l'énergie aux neurones suite à leur activation. RESUME Le glutamate libéré dans la fente synaptique pendant l'activité neuronale, est éliminé par les astrocytes environnants. Le glutamate est co-transporté avec des ions sodiques, induisant une augmentation intracellulaire de sodium (Na+i) dans les astrocytes. Cette élévation de Na+i déclenche une cascade de mécanismes moléculaires qui aboutissent à la production de substrats énergétiques pouvant être utilisés par les neurones. Durant cette thèse, la mesure simultanée du sodium mitochondrial (Na+mit) et cytosolique par des techniques d'imagerie utilisant des sondes fluorescentes spécifiques, a indiqué que les variations de Na+i induites par le transport du glutamate sont transmises aux mitochondries. De plus, les voies d'entrée et de sortie du sodium mitochondrial ont été identifiées. L'échangeur de Na+ et de Ca2+ mitochondrial semble jouer un rôle primordial dans l'influx de Na+mit, alors que l'efflux de Na+mit est pris en charge par l'échangeur de Na+ et de H+ mitochondrial. L'étude du Na+mit a nécessité l'utilisation d'un système de photoactivation. Les sources de lumière ultraviolette (UV) classiques utilisées à cet effet (lasers, lampes à flash) ayant plusieurs désavantages, une alternative efficace et peu coûteuse a été développée. Il s'agit d'un système compact utilisant une diode électroluminescente (LED) à haute puissance et de longueur d'onde de 365nm. En plus de leurs rôles dans le couplage neurométabolique, les astrocytes participent à la signalisation multicellulaire en transmettant des vagues intercellulaires de calcium. Ce travail de thèse démontre également que des vagues intercellulaires de sodium peuvent être évoquées en parallèle à ces vagues calciques. Le glutamate, suite à sa libération par un mécanisme dépendent du calcium, est réabsorbé par les transporteurs au glutamate. Ce mécanisme a pour conséquence la génération de vagues sodiques se propageant de cellules en cellules. De plus, ces vagues sodiques sont corrélées spatialement avec une consommation accrue de glucose par les astrocytes. En conclusion, ce travail de thèse a permis de montrer que le signal sodique astrocytaire, déclenché en réponse au glutamate, se propage à la fois de façon intracellulaire aux mitochondries et de façon intercellulaire. Ces résultats suggèrent que les astrocytes fonctionnent comme un réseau de cellules nécessaire au couplage énergétique concerté entre neurones et astrocytes et que le sodium est un élément clé dans les mécanismes de signalisations cellulaires sous-jacents. SUMMARY Glutamate, released in the synaptic cleft during neuronal activity, is removed by surrounding astrocytes. Glutamate is taken-up with Na+ ions by specific transporters, inducing an intracellular Na+ (Na+i) elevation in astrocytes which triggers a cascade of molecular mechanisms that provides metabolic substrates to neurons. Thus, astrocytic Na+i homeostasis represents a key component of the so-called neurometabolic coupling. In this context, the first part of this thesis work was aimed at investigating whether cytosolic Na+ changes are transmitted to mitochondria, which could therefore influence their function and contribute to the overall intracellular Na+ regulation. Simultaneous monitoring of both mitochondrial Na+ (Na+mit) and cytosolic Na+ changes with fluorescent dyes revealed that glutamate-evoked cytosolic Na+ elevations are indeed transmitted to mitochondria. The mitochondrial Na+/Ca2+ exchangers have a prominent role in the regulation of Na+mit influx pathway, and Na+mit extrusion appears to be mediated by Na+/H+ exchangers. To demonstrate the implication of Na+/Ca2+ exchangers, this study has required the technical development of an UV-flash photolysis system. Because light sources for flash photolysis have to be powerful and in the near UV range, the use of UV lasers or flash lamps is usually required. As an alternative to these UV sources that have several drawbaks, we developped a compact, efficient and lowcost flash photolysis system which employs a high power 365nm light emitting diode. In addition to their role in neurometabolic coupling, astrocytes participate in multicellular signaling by transmitting intercellular Ca2+ waves. The third part of this thesis show that intercellular Na+ waves can be evoked in parallel to Ca2+ waves. Glutamate released by a Ca2+ wave-dependent mechanism is taken up by glutamate transporters, resulting in a regenerative propagation of cytosolic Na+ increases. Na+ waves in turn lead to a spatially correlated increase in glucose uptake. In conclusion, the present thesis demonstrates that glutamate-induced Na+ changes occurring in the cytosol of astrocytes propagate to both the mitochondrial matrix and the astrocytic network. These results furthermore support the view that astrocytic Na+ is a signal coupled to the brain energy metabolism.

Enchondromatosis revisited: New classification with molecular basis.

The so-called "enchondromatoses" are skeletal disorders defined by the presence of ectopic cartilaginous tissue within bone tissue. The clinical and radiographic features of the different enchondromatoses are distinct, and grouping them does not reflect a common pathogenesis but simply a similar radiographic appearance and thus the need for a differential diagnosis. Recent advances in the understanding of their molecular and cellular bases confirm the heterogeneous nature of the different enchondromatoses. Some, like Ollier disease, Maffucci disease, metaphyseal chondromatosis with hydroxyglutaric aciduria, and metachondromatosis are produced by a dysregulation of chondrocyte proliferation, while others (such as spondyloenchondrodysplasia or dysspondyloenchondromatosis) are caused by defects in structure or metabolism of cartilage or bone matrix. In other forms (e.g., the dominantly inherited genochondromatoses), the basic defect remains to be determined. The classification, proposed by Spranger and associates in 1978 and tentatively revised twice, was based on the radiographic appearance, the anatomic sites involved, and the mode of inheritance. The new classification proposed here integrates the molecular genetic advances and delineates phenotypic families based on the molecular defects. Reference radiographs are provided to help in the diagnosis of the well-defined forms. In spite of advances, many cases remain difficult to diagnose and classify, implying that more variants remain to be defined at both the clinical and molecular levels. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

CleanEx: a database of heterogeneous gene expression data based on a consistent gene nomenclature.

The main goal of CleanEx is to provide access to public gene expression data via unique gene names. A second objective is to represent heterogeneous expression data produced by different technologies in a way that facilitates joint analysis and cross-data set comparisons. A consistent and up-to-date gene nomenclature is achieved by associating each single experiment with a permanent target identifier consisting of a physical description of the targeted RNA population or the hybridization reagent used. These targets are then mapped at regular intervals to the growing and evolving catalogues of human genes and genes from model organisms. The completely automatic mapping procedure relies partly on external genome information resources such as UniGene and RefSeq. The central part of CleanEx is a weekly built gene index containing cross-references to all public expression data already incorporated into the system. In addition, the expression target database of CleanEx provides gene mapping and quality control information for various types of experimental resource, such as cDNA clones or Affymetrix probe sets. The web-based query interfaces offer access to individual entries via text string searches or quantitative expression criteria. CleanEx is accessible at: http://www.cleanex.isb-sib.ch/.

Cellular immune responses against mycobacterium tuberculosis

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection is known to have two main outcomes: latent infection (LTBI) where the pathogen is in a dormant form or active tuberculosis disease (TB), which is, most of the time, highly transmissible. Over one-third of the world's population asymptomatically harbours a latent form of Mtb with a 10% risk of disease reactivation. Efficient vaccine strategies remain unknown and the existing BCG vaccine is believed to protect against only some forms of TB (extra-pulmonary TB in children). Moreover, timely identification of TB remains complex with the actual diagnosis based on clinical observations associated to low efficient tests. Furthermore, current therapies are expensive, heavy and long for patients, and present lesser and lesser efficiency against new drug-resistant strains of Mtb. It is thus important to develop our knowledge on host -Mtb relationship to propose new vaccines, diagnosis tools and medications for the future. This thesis aims at improving our understanding of human immunology in the field of TB. All along this work, the same algorithm has been used and points towards the discovery of new correlates of protection through the comparison of T-cell immune responses in patients with LTBI or TB. We performed a comprehensive analysis of T-cell immune responses to Mtb using polychromatic flow cytometiy to study the functional profile of Μ/ό-specific CD4 Τ cells. We observed a polyfunctional profile in LTBI where CD4 Τ cells mainly co-produced IFN-γ, TNF-α and IL-2. In contrast, in TB, Mtó-specific CD4 Τ cells were mostly single TNF-a positive. Thus, analysis of the cytokine profiles was a strong immunological measure discriminating TB and LTBI. We next analyzed Thl7 cells. Mtò-specific Thl7 cells lacked immediate {i.e. ex vivo) IL-17A effector function in both LTBI and TB individuals. Moreover, they were also absent in bronchoalveolar lavages (BALs). Interestingly, we noticed that Mtb- specific Thl7 cells from LTBI but not from TB subjects acquired the ability to produce IL- 17A following Mtb-specific T-cell expansion. We finally performed a comprehensive characterization of Mfè-specific CD8 Τ cells that were detected in most (60%) TB patients and few (15%) LTBI subjects. We observed differences in the phenotype, the cytotoxicity and the proliferative capacities but not in the cytokine profile of Mtò-specific CD8 Τ cells between LTBI and TB. We concluded that the activity of Mtb infection (i.e. latent versus active) and the clinical presentation were associated to distinct profiles of Mtó-specific CD8 T-cell responses. To conclude, a multiparametric analysis including both CD4 and CD8 T-cell responses to Mtb lead to the development of a significantly improved diagnostic test discriminating between LTBI and TB. All together, these results provide new insights into the interaction between Mtb and the host immune response and expand upon our prior knowledge of tuberculosis. - L'infection par Mycobacterium tuberculosis peut résulter en une infection tuberculeuse latente et asymptomatique ou encore en une forme active et la plupart du temps contagieuse, la tuberculose. Un tiers de la population mondiale serait infectée de manière chronique avec 10 % de risques de développer la maladie durant la vie. Il n'existe actuellement aucun vaccin efficace, le BCG ne conférant qu'une protection partielle contre certaines formes extrapulmonaires de la maladie chez l'enfant. D'autre part, il n'existe pas de méthode diagnostique fiable et rapide, celle-ci se basant dans un premier temps sur l'analyse de la situation clinique des patients. Enfin, les thérapies actuelles sont couteuses et contraignantes pour les patients et tendent à ne plus être efficaces contre les souches émergentes de mycobactérie multi-résistantes. Aussi, il est important de bien comprendre la relation hôte-pathogène de manière à pouvoir proposer de nouveaux outils vaccinaux, diagnostiques et thérapeutiques. Ce manuscrit s'inscrit dans cette direction et vise à améliorer nos connaissances de la réponse immunitaire humaine dans le cadre de la tuberculose. Nous avons suivi un algorithme similaire tout au long des études proposées en comparant les réponses immunes des patients latents à celles des patients actifs, et ce, dans le but de mettre en évidence de potentiels corrélats de protection. Nous avons réalisé par cytométrie en flux une analyse du profil fonctionnel des cellules lymphocytaires CD4 dans la réponse au pathogène. Dans le cas de la tuberculose active, les cellules CD4 sécrètent majoritairement du TNF-α quand, au contraire, elles sécrètent à la fois du TNF-α, de l'IFN-γ et de l'IL-2 (poly-fonctionnalité) dans l'infection latente. Cette observation nous a permis de proposer un nouveau test diagnostique de la maladie active. Nous avons aussi étudié les cellules CD4 Thl7, impliquées dans la réponse immunitaire cellulaire contre les pathogènes extracellulaires et les champignons. Nous avons souligné une variation dans la production d'IL-17 entre infection latente et tuberculose active qui pourrait être impliquée dans la protection de l'individu contre le pathogène. D'autre part, ce manuscrit propose une caractérisation des cellules Τ CD8 dites cytotoxiques dans la tuberculose. Des divergences dans la fréquence des réponses observées, le phénotype mais aussi les capacités prolifératives et cytotoxiques ont pu être mises en évidence entre latence et tuberculose active. Ces observations soulignent le rôle important de ce groupe cellulaire dans l'évolution de la maladie et permettent de proposer une amélioration de l'outil diagnostic précédemment proposé et se basant à la fois sur le profil fonctionnel des cellules Τ CD4 ainsi que sur la présence potentielle d'une réponse CD8 spécifique au pathogène. Ces diverses études réalisées sur les cellules Τ humaines répondant spécifiquement à Mtb nous permettent de faire un pas supplémentaire dans la compréhension de notre réponse immunitaire face à ce pathogène particulièrement dangereux qui continue à l'heure actuelle à tuer chaque année des millions de personnes. - La tuberculose (TB) résulte d'une infection bactérienne par Mycobacterium tuberculosis (Mtb) et existe sous deux formes majeures: une forme latente, lorsque la bactérie est en phase de dormance ainsi qu'une forme active durant laquelle la bactérie se divise activement, entraînant les symptômes de la maladie. La personne infectée devient alors contagieuse dans la plupart des cas. Aujourd'hui des études épidémiologiques assument que plus d'un tiers de la population mondiale serait infectée par la forme latente de la bactérie et que 10% des cas réactiveront donnant lieu à diverses présentations de la maladie. Il n'existe actuellement aucun vaccin réellement efficace chez l'adulte. D'autre part, les traitements antibiotiques utilisés sont très lourds pour les patients et les cliniciens doivent faire face à l'émergence de nouvelles souches bactériennes multi-résistantes non affectées par les thérapies existantes. Les autorités sanitaires sont, d'autre part, confrontées à l'absence d'un outil diagnostique rapide, fiable et efficace. En effet, la méthode de référence reste la culture microbiologique du pathogène qui prend généralement plusieurs semaines, pendant lesquelles le patient pourra contaminer d'autres personnes. En résumé, la lutte contre la tuberculose doit passer par l'élaboration d'un vaccin efficace, de nouvelles thérapies, mais aussi par la mise en place de nouveaux tests diagnostics plus rapides afin d'éviter la dissémination de la maladie. Aussi, la relation hôte-bactérie qui n'est actuellement que peu comprise doit être investiguée. Ce travail de thèse a pour but d'étudier la réponse immunitaire chez l'homme infecté par Mtb et vise plus particulièrement l'étude d'une population clé de cellules immunitaires: les lymphocytes T. L'étude des cellules Τ CD4 nous a permis dans un premier temps de proposer un nouveau test diagnostic de la maladie active. Nous avons aussi analysé plus en détail une population spécifique des cellules Τ CD4 (les cellules Thl7), nous permettant d'associer leur fonction avec un possible état physiologique de protection contre le pathogène. En second lieu nous avons réalisé une caractérisation des cellules Τ CD8, à la fois chez les personnes avec des infections latentes et chez les personnes malades. Nous avons mis en évidence des différences fonctionnelles chez les deux groupes de patients, nous permettant ainsi une meilleure compréhension de l'immunité contre Mtb. Enfin, nous avons combiné les différents profils immunologiques obtenus pour développer un test diagnostic plus performant et sensible que celui proposé antérieurement. Ces diverses études réalisées sur les cellules Τ humaines nous permettent de faire un pas supplémentaire dans la compréhension de la réponse immunitaire face à ce pathogène particulièrement dangereux qui continue à tuer chaque année des millions de personnes.

Conformity, upstream reciprocity and social diversity: secondary mechanisms for the evolution of cooperation

Cooperation is ubiquitous in nature: genes cooperate in genomes, cells in muti- cellular organims, and individuals in societies. In humans, division of labor and trade are key elements of most known societies, where social life is regulated by- moral systems specifying rights and duties often enforced by third party punish¬ment. Over the last decades, several primary mechanisms, such as kin selection, direct and indirect reciprocity, have been advanced to explain the evolution of cooperation from a naturalistic approach. In this thesis, I focus on the study of three secondary mechanisms which, although insufficient to allow for the evo¬lution of cooperation, have been hypothesized to further promote it when they are linked to proper primary mechanisms: conformity (the tendency to imitate common behaviors), upstream reciprocity (the tendency to help somebody once help has been received from somebody else) and social diversity (heterogeneous social contexts). I make use of mathematical and computational models in the formal framework of evolutionary game theory in order to investigate the theoret¬ical conditions under which conformity, upstream reciprocity and social diversity are able to raise the levels of cooperation attained in evolving populations. - La coopération est ubiquitaire dans la nature: les gènes coopèrent dans les génomes, les cellules dans les organismes muticellulaires, et les organismes dans les sociétés. Chez les humains, la division du travail et le commerce sont des éléments centraux de la plupart des sociétés connues, où la vie sociale est régie par des systèmes moraux établissant des droits et des devoirs, souvent renforcés par la punition. Au cours des dernières décennies, plusieurs mécanismes pri¬maires, tels que la sélection de parentèle et les réciprocités directe et indirecte, ont été avancés pour expliquer l'évolution de la coopération d'un point de vue nat¬uraliste. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de trois mécanismes secondaires qui, bien qu'insuffisants pour permettre l'évolution de la coopération, sont capables de la promouvoir davantage s'ils sont liés aux mécanismes primaires appropriés: la conformité (tendance à imiter des comportements en commun), la 'réciprocité en amont' (tendance à aider quelqu'un après avoir reçu l'aide de quelqu'un d'autre) et la diversité sociale (contextes sociaux hétérogènes). Nous faisons usage de modèles mathématiques et informatiques dans le cadre formel de la théorie des jeux évolutionnaires afin d'examiner les conditions théoriques dans lesquelles la conformité, la 'réciprocité en amont' et la diversité sociale sont capables d'élever le niveau de coopération des populations en évolution.

Fanconi anemia and genome stability : the role of FANCM

RÉSUMÉ: Le génome de toute cellule est susceptible d'être attaqué par des agents endogènes et exogènes. Afin de préserver l'intégrité génomique, les cellules ont développé des multitudes de mécanismes. La réplication de l'ADN, une étape importante durant le cycle cellulaire, constitue un stress et présente un danger important pour l'intégrité du génome. L'anémie de Fanconi est une maladie héréditaire rare dont les protéines impliquées semblent jouer un rôle crucial dans la réponse au stress réplicatif. La maladie est associée à une instabilité chromosomique ainsi qu'à une forte probabilité de développer des cancers. Les cellules des patients souffrant de l'anémie de Fanconi sont sensibles à des agents interférant avec la réplication de l'ADN, et plus particulièrement àdes agents qui fient les deux brins d'ADN d'une manière covalente. L'anémie de Fanconi est une maladie génétiquement hétérogène. Treize protéines ont pu être identifiées. Elles semblent figurer dans une même voie de signalisation qui est aussi connue sous le nom de « FA/BRCA pathway », car un des gènes est identique au gène BRCA2 (breast cancer susceptibility gene 2). Huit protéines forment un complexe nucléaire dont l'intégrité est nécessaire à la monoubiquitination de deux autres protéines, FANCD2 et FANCI, en réponse à un stress réplicatif. A ce jour, la fonction moléculaire des protéines du « FA/BRCA pathway »reste encore mal décrite. Au début de mon travail de thèse, nous avons donc décidé de purifier les protéines du complexe nucléaire et d'étudier leurs propriétés biochimiques. Nous avons tout d'abord étudié les cinq protéines connues à l'époque qui sont FANCA, FANCC, FANCE, FANCF et FANCG. Par la suite, nous avons étendu notre étude à des protéines découvertes plus récemment, FANCL, FANCM et FAAP24, en concentrant finalement notre travail sur la caractérisation de FANCM. FANCM, contrairement aux autres protéines du complexe, est constituée de deux domaines conservés suggérant un rôle important dans le métabolisme de l'ADN. Il s'agit d'un domaine « DEAH box hélicase »situé dans la partie N-terminale et d'un domaine « ERCC4 nuclease »situé dans la partie C-terminale de la protéine. Dans cette étude, nous avons purifié avec succès la protéine FANCM entière à partir d'un système hétérologue. Nous montrons que FANCM s'attache de manière spécifique à des jonctions de Holliday et des fourches de réplication. De plus, nous démontrons que FANCM peut déplacer le point de jonction de ces structures via son domaine hélicase de manière dépendante de l'ATP. FANCM est aussi capable de dissocier de grands intermédiaires de la recombinaison, via la migration de jonctions de Holliday à travers une région d'homologie de 2.6 kb. Tous ces résultats suggèrent que FANCM peut s'attacher spécifiquement à des fourches de réplication et à des jonctions de Holliday in vitro et que son domaine hélicase est associé à une activité migratoire efficace. Nous pensons que FANCM peut avoir un rôle direct sur les intermédiaires de réplication. Ceci est en accord avec l'idée que les protéines de l'anémie de Fanconi coordonnent la réparation de l'ADN au niveau des fourches de réplication arrêtées. Nos résultats donnent une première indication quant au rôle de FANCM dans la cellule et peuvent contribuer à élucider la fonction de cette voie de signalisation peu comprise jusqu'à présent. SUMMARY: The genome of every cell is subject to a constant offence by endogenous and exogenous agents. Not surprisingly; cells have evolved a multitude of mechanisms which aim at preserving genomic integrity. A key step during the life cycle of a cell, DNA replication itself, constitutes a special danger to the integrity of the genome. The proteins defective in the rare hereditary disease Fanconi anemia (FA) are suspected to play a crucial role in the cellular response to DNA replication stress. The disease is associated with chromosomal instability and pronounced cancer susceptibility. Cells from Fanconi anemia patients are sensitive to a variety of agents which interfere with DNA replication, DNA interstrand cross-linking agents being particularly threatening to their survival. Fanconi anemia is a genetically heterogeneous disease with 13 different proteins identified, which seem to work together in a common pathway. Since one of the FA genes is identical to the breast cancer susceptibility gene BRCA2, it is also referred to as the FA/BRCA pathway. Eight proteins form a nuclear complex, whose integriry is required for the monoubiquitination of two other FA proteins, FANCD2 and FANCI, in response to DNA replication stress. Despite intensive research, the function of the FA/BRCA pathway at a molecular level has remained largely elusive so far. At the beginning of my thesis, we therefore decided to purify the proteins of the FA core complex and to investigate their biochemical properties. We started with the five proteins which were known at that time, FANCA, FANCC, FANCE, FANCF, and FACG. Later on, we extended our studies to the newly discovered proteins FANCL, FANCM, and FAAP24, and eventually focused our work on the characterisation of FANCM. In contrast to the other core complex proteins, FANCM contains two conserved domains, which point to a role in DNA metabolism: an N-terminal DEAH box helicase domain and a C-terminal ERCC4 nuclease domain. In this study, we have successfully purified full-length FANCM from a recombinant source. We show that purified FANCM binds to branched DNA molecules, such as Holliday junctions and replication forks, with high specificity and affinity. In addition, we demonstrate that FANCM can translocate the junction point of branched DNA molecules due to its helicase domain in an ATPase-dependent manner. FANCM can even dissociate large recombination intermediates, via branch migration of Holliday junctions through a 2.6 kb region of homology. Taken together, our data suggest that FANCM can specifically bind to replication forks and Holliday junctions in vitro, and that its DEAH box helicase domain is associated with a potent branch migration activity. We propose that FANCM might have a direct role in the processing of DNA replication intermediates. This is consistent with the current view that FA proteins coordinate DNA repair at stalled replication forks. Our findings provide a first hint as to the context in which FANCM might play a role in the cell. We are optimistic that they might be key to further elucidate the function of a pathway which is far from being understood.

Cellular and viral factors implicated in persistent infection in canine distemper virus

Summary SLAM (signalling lymphocyte activation molecule, CD150) serves as a cellular receptor for different morbiliviruses, including measles virus and canine distemper virus. Laboratory cell lines that do not express dog SLAM are therefore quite refractory to infection by wildtype CDV. SLAM expression is not only required for CDV virion attachment, but also for the establishment of cytolytic infection characterized by syncytia formation. In order to determine if SLAM has a direct influence on CDV replication, we compared wild-type and mutated SLAM variants for their capacity to influence viral polymerase activity and syncytia formation. Deletion of immunoreceptor tyrosine-based signalling motif (ITSM) in the cytoplasmic tail of SLAM did not seem to influence viral replication, viral polymerase activity or cell-to cell fusion. Instead, it was the level of cell surface expression of SLAM, which was important. Additional experiments corroborated the importance of SLAM for efficient cell-to cell fusion: Both SLAM, as well as viral fusion (F) and attachment (H) glycoproteins, were found to be required for efficient cell-to-cell fusion, which, in turn, enhanced the activity of the viral polymerase and, viral replication. Wild-type A75/17 canine distemper virus (CDV) strain is known to induce a persistent infection in the central nervous system and in dog footpad keratinocytes in vivo. Recently, it has been shown that the A75/17 virus could also infect canine footpad keratinocytes (CFKs) in vitro. CFK infection with A75/17 was initially inefficient and produced very little virus progeny, however, after only three passages the adapted virus produced more progeny and induced limited syncytia formation. Sequence comparison between the A75/17 and the CFKadapted A75/17-K virus revealed three amino acid differences, one in the phosphoprotein (P), one in the matrix protein (M) and one in the H protein. In order to identify viral determinants of A75/17-K adaptation, recombinant viruses containing one, two or three nucleotides substitutions were analyzed. The amino acid substitution in the M protein was without effect on viral particle formation. In contrast, the amino acid substitution in the cytoplasmic tail of H protein was clearly important for syncytia formation. Concerning the mutation in the P protein, it led to an increase in viral replication. However, we cannot rule out that the observed effect is due to the amino acid substitutions in the overlapping accessory proteins C and V, also affected by the P mutation. The adaptation of wild-type CDV strains to cell culture almost always involves modifications of M protein. In order to understand the influence of these modifications, we tested recombinant A75/17 viruses bearing different M proteins. Preliminary results demonstrated that the M protein from the Vero-adapted strain reduced syncytia formation. Future studies will focus on the M mRNA and protein stability, its expression level, localisation and its effect on viral particles formation and on the phenotype of infection. Résumé La protéine SLAM (signalling lymphocyte activation molecule ou CD150) est utilisée comme récepteur cellulaire par les morbillivirus parmi lesquels on trouve le virus de la rougeole (VR) ainsi que le virus de la maladie de Carré (CDV). Les lignées cellulaires qui n'expriment pas la protéine SLAM du chien à leur surface sont réfractaires à l'infection par les souches sauvages de CDV. Le récepteur SLAM n'est pas seulement requis pour l'attachement du virion à la surface de la cellule, mais il participe également de façon active à l'établissement d'une infection cytolytique à travers la formation de syncytia. Afin de déterminer si la protéine SLAM exerce une influence directe sur la réplication virale du virus de la maladie de Carré, nous avons généré différentes protéines tronquées de SLAM et comparé leurs capacités à influencer l'activité de la polymérase ainsi que la formation de syncytia. Nos résultas ont montré que la réplication virale, l'activité de la polymérase ainsi que la fusion cellulaire ne semblent pas être influencées par les délétions dans les régions cytoplasmiques du récepteur SLAM. Cependant, ces délétions agissent sur l'expression de la protéine SLAM à la surface des cellules. Les expériences additionnelles ont permis de souligner l'importance de la protéine SLAM dans le phénomène de fusion entre cellules. En effet, la protéine SLAM ainsi que les deux glycoprotéines virales F et H sont requises pour la formation de syncytia, laquelle induit une augmentation de l'activité de la polymérase ainsi que de la réplication virale. La souche virulente A75/17 du virus, de la Maladie de Carré est connue pour induire une infection persistante au niveau du système nerveux central ainsi que dans les kératinocytes de pattes chez le chien. Des études récentes ont montré que des cultures primaires de kératinocytes de chien pouvaient aussi êtres infectées par la souche A75/17 de CDV. En effet, le virus induit une infection persistante en produisant très peu de progéniture. Cependant, trois passages du virus sauvage A75/17 dans ces cultures aboutissent à la sélection d'un virus produisant plus de progéniture et favorisant la formation limitée de syncytia. La comparaison des séquences génomique entre la souche A75/17 et la souche adaptée A75/17-K montre une différence de trois nucléotides. La première mutation, située dans le gène P, modifie la phosphoprotéine (P) ainsi que les protéines V et C. La deuxième se situe dans le gène de la protéine matricielle (M) et la dernière dans celui de la protéine d'attachement (H). Afin de déterminer les facteurs viraux impliqués lors de l'adaptation virale dans la culture primaire de kératinocytes, des virus recombinants contenant une, deux ou trois de ces mutations ont été analysés. La substitution d'un acide aminé dans la protéine M reste sans effet sur la production de particules virales. En revanche, la substitution d'un acide aminé dans la queue cytoplasmique de la protéine H s'avère clairement importante pour la formation de syncytia. Quant à la mutation dans le gène P, elle permet une augmentation de la réplication virale. Cependant, nous ne pouvons pas écarter l'hypothèse que l'augmentation de la réplication virale soit due aux substitutions d'un acide aminé dans les protéines accessoires V et C qui sont, elles aussi, affectées par la mutation dans le gène P. L'adaptation des souches sauvages de CDV aux cultures de cellules induit presque toujours des modifications de la protéine matricielle M. Afin de comprendre l'influence de ces modifications, nous avons testé 'des virus A75/17 recombinants contenant différentes protéines M. Les résultats préliminaires ont démontré que la protéine M de la souche adaptée aux cellules Vero réduisait la formation de syncytia. Les études futures seront axées sur la stabilité de l'ARN messager, celle de la protéine M, de son niveau d'expression, de sa localisation cellulaire et de son effet sur la formation de particules virale ainsi que sur le phénotype de l'infection.

Quantitative proteomics identifies the membrane-associated peroxidase GPx8 as a cellular substrate of the hepatitis C virus NS3-4A protease.

The hepatitis C virus (HCV) NS3-4A protease is not only an essential component of the viral replication complex and a prime target for antiviral intervention but also a key player in the persistence and pathogenesis of HCV. It cleaves and thereby inactivates two crucial adaptor proteins in viral RNA sensing and innate immunity, mitochondrial antiviral signaling protein (MAVS) and TRIF, a phosphatase involved in growth factor signaling, T-cell protein tyrosine phosphatase (TC-PTP), and the E3 ubiquitin ligase component UV-damaged DNA-binding protein 1 (DDB1). Here we explored quantitative proteomics to identify novel cellular substrates of the NS3-4A protease. Cell lines inducibly expressing the NS3-4A protease were analyzed by stable isotopic labeling using amino acids in cell culture (SILAC) coupled with protein separation and mass spectrometry. This approach identified the membrane-associated peroxidase GPx8 as a bona fide cellular substrate of the HCV NS3-4A protease. Cleavage by NS3-4A occurs at Cys 11, removing the cytosolic tip of GPx8, and was observed in different experimental systems as well as in liver biopsies from patients with chronic HCV. Overexpression and RNA silencing studies revealed that GPx8 is involved in viral particle production but not in HCV entry or RNA replication. Conclusion: We provide proof-of-concept for the use of quantitative proteomics to identify cellular substrates of a viral protease and describe GPx8 as a novel proviral host factor targeted by the HCV NS3-4A protease. (Hepatology 2014;59:423-433).

Quantitative comparison between simulations of seismic wave propagation in heterogeneous poro-elastic media and equivalent visco-elastic solids for marine-type environments

There is increasing evidence to suggest that the presence of mesoscopic heterogeneities constitutes an important seismic attenuation mechanism in porous rocks. As a consequence, centimetre-scale perturbations of the rock physical properties should be taken into account for seismic modelling whenever detailed and accurate responses of specific target structures are desired, which is, however, computationally prohibitive. A convenient way to circumvent this problem is to use an upscaling procedure to replace each of the heterogeneous porous media composing the geological model by corresponding equivalent visco-elastic solids and to solve the visco-elastic equations of motion for the inferred equivalent model. While the overall qualitative validity of this procedure is well established, there are as of yet no quantitative analyses regarding the equivalence of the seismograms resulting from the original poro-elastic and the corresponding upscaled visco-elastic models. To address this issue, we compare poro-elastic and visco-elastic solutions for a range of marine-type models of increasing complexity. We found that despite the identical dispersion and attenuation behaviour of the heterogeneous poro-elastic and the equivalent visco-elastic media, the seismograms may differ substantially due to diverging boundary conditions, where there exist additional options for the poro-elastic case. In particular, we observe that at the fluid/porous-solid interface, the poro- and visco-elastic seismograms agree for closed-pore boundary conditions, but differ significantly for open-pore boundary conditions. This is an important result which has potentially far-reaching implications for wave-equation-based algorithms in exploration geophysics involving fluid/porous-solid interfaces, such as, for example, wavefield decomposition.

Simulated-annealing-based conditional simulation for the local-scale characterization of heterogeneous aquifers

Simulated-annealing-based conditional simulations provide a flexible means of quantitatively integrating diverse types of subsurface data. Although such techniques are being increasingly used in hydrocarbon reservoir characterization studies, their potential in environmental, engineering and hydrological investigations is still largely unexploited. Here, we introduce a novel simulated annealing (SA) algorithm geared towards the integration of high-resolution geophysical and hydrological data which, compared to more conventional approaches, provides significant advancements in the way that large-scale structural information in the geophysical data is accounted for. Model perturbations in the annealing procedure are made by drawing from a probability distribution for the target parameter conditioned to the geophysical data. This is the only place where geophysical information is utilized in our algorithm, which is in marked contrast to other approaches where model perturbations are made through the swapping of values in the simulation grid and agreement with soft data is enforced through a correlation coefficient constraint. Another major feature of our algorithm is the way in which available geostatistical information is utilized. Instead of constraining realizations to match a parametric target covariance model over a wide range of spatial lags, we constrain the realizations only at smaller lags where the available geophysical data cannot provide enough information. Thus we allow the larger-scale subsurface features resolved by the geophysical data to have much more due control on the output realizations. Further, since the only component of the SA objective function required in our approach is a covariance constraint at small lags, our method has improved convergence and computational efficiency over more traditional methods. Here, we present the results of applying our algorithm to the integration of porosity log and tomographic crosshole georadar data to generate stochastic realizations of the local-scale porosity structure. Our procedure is first tested on a synthetic data set, and then applied to data collected at the Boise Hydrogeophysical Research Site.

The knock-out of ARP3a gene affects F-actin cytoskeleton organization altering cellular tip growth, morphology and development in moss Physcomitrella patens.

The seven subunit Arp2/3 complex is a highly conserved nucleation factor of actin microfilaments. We have isolated the genomic sequence encoding a putative Arp3a protein of the moss Physcomitrella patens. The disruption of this ARP3A gene by allele replacement has generated loss-of-function mutants displaying a complex developmental phenotype. The loss-of function of ARP3A gene results in shortened, almost cubic chloronemal cells displaying affected tip growth and lacking differentiation to caulonemal cells. In moss arp3a mutants, buds differentiate directly from chloronemata to form stunted leafy shoots having differentiated leaves similar to wild type. Yet, rhizoids never differentiate from stem epidermal cells. To characterize the F-actin organization in the arp3a-mutated cells, we disrupted ARP3A gene in the previously described HGT1 strain expressing conditionally the GFP-talin marker. In vivo observation of the F-actin cytoskeleton during P. patens development demonstrated that loss-of-function of Arp3a is associated with the disappearance of specific F-actin cortical structures associated with the establishment of localized cellular growth domains. Finally, we show that constitutive expression of the P. patens Arp3a and its Arabidopsis thaliana orthologs efficiently complement the mutated phenotype indicating a high degree of evolutionary conservation of the Arp3 function in land plants.

PPAR disruption: Cellular mechanisms and physiological consequences

Endocrine disruption is defined as the perturbation of the endocrine system, which includes disruption of nuclear hormone receptor signalling. Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) represent a family of nuclear receptors that has not yet been carefully studied with regards to endocrine disruption, despite the fact that PPARs are known to be important targets for xenobiotics. Here we report a first comprehensive approach aimed at defining the mechanistic basis of PPAR disruption focusing on one chemical, the plasticizer monethylhexyl phthalate (MEHP), but using a variety of methodologies and models. We used mammalian cells and a combination of biochemical and live cell imaging techniques to show that MEHP binds to PPAR gamma and selectively regulates interactions with coregulators. Micro-array experiments further showed that this selectivity is translated at the physiological level during adipocyte differentiation. In that context, MEHP functions as a selective PPAR modulator regulating only a subset of PPAR gamma target genes compared to the action of a full agonist. We also explored the action of MEHP on PPARs in an aquatic species, Xenopus laevis, as many xenobiotics are found in aquatic ecosystems. In adult males, micro-array data indicated that MEHP influences liver physiology, possibly through a cross-talk between PPARs and estrogen receptors (ER). In early Xenopus laevis embryos, we showed that PPAR beta/delta exogenous activation by an agonist or by MEHP affects development. Taken together our results widen the concept of endocrine disruption by pinpointing PPARs as key factors in that process.

A novel HIV vaccine adjuvanted by IC31 induces robust and persistent humoral and cellular immunity.

The HIV vaccine strategy that, to date, generated immune protection consisted of a prime-boost regimen using a canarypox vector and an HIV envelope protein with alum, as shown in the RV144 trial. Since the efficacy was weak, and previous HIV vaccine trials designed to generate antibody responses failed, we hypothesized that generation of T cell responses would result in improved protection. Thus, we tested the immunogenicity of a similar envelope-based vaccine using a mouse model, with two modifications: a clade C CN54gp140 HIV envelope protein was adjuvanted by the TLR9 agonist IC31®, and the viral vector was the vaccinia strain NYVAC-CN54 expressing HIV envelope gp120. The use of IC31® facilitated immunoglobulin isotype switching, leading to the production of Env-specific IgG2a, as compared to protein with alum alone. Boosting with NYVAC-CN54 resulted in the generation of more robust Th1 T cell responses. Moreover, gp140 prime with IC31® and alum followed by NYVAC-CN54 boost resulted in the formation and persistence of central and effector memory populations in the spleen and an effector memory population in the gut. Our data suggest that this regimen is promising and could improve the protection rate by eliciting strong and long-lasting humoral and cellular immune responses.