Critical analysis and extension of the Hirshfeld atoms in molecules

The computational approach to the Hirshfeld [Theor. Chim. Acta 44, 129 (1977)] atom in a molecule is critically investigated, and several difficulties are highlighted. It is shown that these difficulties are mitigated by an alternative, iterative version, of the Hirshfeld partitioning procedure. The iterative scheme ensures that the Hirshfeld definition represents a mathematically proper information entropy, allows the Hirshfeld approach to be used for charged molecules, eliminates arbitrariness in the choice of the promolecule, and increases the magnitudes of the charges. The resulting "Hirshfeld-I charges" correlate well with electrostatic potential derived atomic charges

Prediction of enzyme function by combining sequence similarity and protein interactions

Background: A number of studies have used protein interaction data alone for protein function prediction. Here, we introduce a computational approach for annotation of enzymes, based on the observation that similar protein sequences are more likely to perform the same function if they share similar interacting partners. Results: The method has been tested against the PSI-BLAST program using a set of 3,890 protein sequences from which interaction data was available. For protein sequences that align with at least 40% sequence identity to a known enzyme, the specificity of our method in predicting the first three EC digits increased from 80% to 90% at 80% coverage when compared to PSI-BLAST. Conclusion: Our method can also be used in proteins for which homologous sequences with known interacting partners can be detected. Thus, our method could increase 10% the specificity of genome-wide enzyme predictions based on sequence matching by PSI-BLAST alone.

Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acide-Sensing Ion Channels)

RESUME: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse Les canaux sodiques ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) participent à la signalisation neuronale dans les systèmes nerveux périphérique et central. Ces canaux non voltage dépendants sont impliqués dans l'apprentissage, l'expression de la peur, la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et la douleur. Les bases moléculaires sous-tendant leur activité ne sont pas encore totalement comprises. Ces canaux sont activés par une acidification du milieu extracellulaire et régulés, entre autres, par des ions tels que le Ca2+, le Zn2+ et le CI". La cristallisation de ASIC inactivé a été publiée. Le canal est un trimére de sous-unités identiques ou homologues. Chaque sous-unité a été décrite en analogie à un avant bras, un poignet et une main constituée d'un pouce, d'un doigt, d'une articulation, une boule β et une paume. Nous avons appliqué une approche bioinformatique systématique pour identifier les pH senseurs putatifs de ASICIa. Le rôle des pH senseurs putatifs a été testé par mutagénèse dirigée et des modifications chimiques combinées à une analyse fonctionnelle afin de comprendre comment les variations de ρ H ouvrent ces canaux. Les pH senseurs sont des acides aspartiques et glutamiques éparpillés sur la boucle extracellulaire suggérant que les changements de pH contrôlent l'activation et l'inactivation de ASIC en (dé)protonant ces résidus en divers endroits de la protéine. Par exemple lors de l'activation, la protonation des résidus à l'interface entre le pouce, la boule β et le doigt d'une même sous-unité induit un mouvement du pouce vers la bouie β et le doigt. De même lors de l'inactivation du canal les paumes des trois sous-unités formant une cavité se rapprochent. D'après notre approche bioinformatique, aucune histidine n'est impliquée dans la détection des variations de pH extracellulaire c'est-à-dire qu'aucune histidine ne serait un pH-senseur. Deux histidines de ASIC2a lient le Zn2+ et modifient l'affinité apparente du canal pour les protons. Une seule des deux est conservée parmi tous les ASICs, hASICIa H163. Elle forme un réseau de liaison hydrogène avec ses voisins conservés. L'étude détaillée de ce domaine, Pinterzone, montre son importance dans l'expression fonctionnelle des canaux. La perturbation de ce réseau par l'introduction d'un résidu hydrophobe (cystéine) par mutagénèse dirigée diminue l'expression du canal à la membrane plasmique. La modification des cystéines introduites par des réactifs spécifiques aux groupements sulfhydryle inhibe les canaux mutés en diminuant leur probabilité d'ouverture. Ces travaux décrivent les effets de l'acidification du milieu extracellulaire sur les canaux ASICs. ABSTRACT: Study of pH-dependent activation and inactivation of ASIC channels Benoîte BARGETON, Department of Pharmacology and Toxicology, University of Lausanne, Rue du Bugnon 27, CH-1G05 Lausanne, Switzerland The ASIC (Acid-Sensing Ion Channels) sodium channels are involved in neuronal signaling in the central and peripheral nervous system. These non-voltage-gated channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia and pain sensation. The molecular bases underlying their activity are not yet fully understood. ASICs are activated by extracellular acidification and regulated, eg by ions such as Ca2+, the Zn2+ and CI". The crystallization of inactivated ASIC has been published. The channel is a trimer of identical or homologous subunits. Each subunit has been described in analogy to a forearm, wrist and hand consisting of a thumb, a finger, a knuckle, a β-ball and a palm. We applied a systematic computational approach to identify putative pH sensor(s) of ASICIa. The role of putative pH sensors has been tested by site-directed mutagenesis and chemical modification combined with functional analysis in order to understand how changes in pH open these channels. The pH sensors are aspartic and glutamic acids distributed throughout the extracellular loop, suggesting that changes in pH control activation and inactivation of ASIC by protonation / deprotonation of many residues in different parts of the protein. During activation the protonation of various residues at the interface between the finger, the thumb and the β-ball induces the movement of the thumb toward the finger and the β-ball. During inactivation of the channel the palms of the three subunits forming a cavity approach each other. No histidine has been shown to be involved in extracellular pH changes detection, i.e. no histidine is a pH- sensor. Two histidines of ASIC2 bind Zn2+ and alter the apparent affinity of channel for protons. Only one of the two His is conserved among all ASICs, hASICIa H163. This residue is part of a network of hydrogen bonding with its conserved neighbors. The detailed study of this area, the interzone, shows its importance in the functional expression of ASICs. Disturbance of this network by the introduction of hydrophobic residues decreases the cell surface channel expression. Chemical modification of the introduced cysteines by thiol reactive compounds inhibits the mutated channels by a reduction of their open probability. These studies describe the effects of extracellular acidification on ASICs. RESUME GRAND PUBLIC: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse La transmission synaptique est un processus chimique entre deux neurones impliquant des neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Un dysfonctionnement de certains types de synapses est à l'origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que certaine forme d'épilepsie et de l'attention. Les récepteurs des neurotransmetteurs sont de très bonnes cibles thérapeutiques dans de nombreuses neuropathologies. Les canaux ASICs sont impliqués dans la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et les bloquer pourraient permettre aux patients d'avoir moins de séquelles. Les canaux ASICs sont des détecteurs de l'acidité qui apparaît lors de situations pathologiques comme l'ischémie et l'inflammation. Ces canaux sont également impliqués dans des douleurs. Cibler spécifiquement ces canaux permettrait d'avoir de nouveaux outils thérapeutiques car à l'heure actuelle l'inhibiteur de choix, l'amiloride, bloque beaucoup d'autres canaux empêchant son utilisation pour bloquer les ASICs. C'est pourquoi il faut connaître et comprendre les bases moléculaires du fonctionnement de ces récepteurs. Les ASICs formés de trois sous-unités détectent les variations de l'acidité puis s'ouvrent transitoirement pour laisser entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui active la signalisation neuronale. Afin de comprendre les bases moléculaires de l'activité des ASICs nous avons déterminé les sites de liaison des protons (pH-senseurs), ligands naturels des ASICs et décrit une zone importante pour l'expression fonctionnelle de ces canaux. Grâce à une validation systématique de résultats obtenus en collaboration avec l'Institut Suisse de Bioinformatique, nous avons décrit les pH-senseurs de ASICIa. Ces résultats, combinés à ceux d'autres groupes de recherche, nous ont permis de mieux comprendre comment les ASICs sont ouverts par une acidification du milieu extracellulaire. Une seconde étude souligne le rôle structural crucial d'une région conservée parmi tous les canaux ASICs : y toucher c'est diminuer l'activité de la protéine. Ce domaine permet l'harmonisation des changements dus à l'acidification du milieu extracellulaire au sein d'une même sous-unité c'est-à-dire qu'elle participe à l'induction de l'inactivation due à l'activation du canal Cette étude décrit donc quelle région de la protéine atteindre pour la bloquer efficacement en faisant une cible thérapeutique de choix.

The evolution of alternative splicing patterns and regulatory mechanisms

Alternative splicing produces multiple isoforms from the same gene, thus increasing the number of transcripts of the species. Alternative splicing is a virtually ubiquitous mechanism in eukaryotes, for example more than 90% of protein-coding genes in human are alternatively spliced. Recent evolutionary studies showed that alternative splicing is a fast evolving and highly species- specific mechanism. The rapid evolution of alternative splicing was considered as a contribution to the phenotypic diversity between species. However, the function of many isoforms produced by alternative splicing remains unclear and they might be the result of noisy splicing. Thus, the functional relevance of alternative splicing and the evolutionary mechanisms of its rapid divergence among species are still poorly understood. During my thesis, I performed a large-scale analysis of the regulatory mechanisms that drive the rapid evolution of alternative splicing. To study the evolution of alternative splicing regulatory mechanisms, I used an extensive RNA-sequencing dataset comprising 12 tetrapod species (human, chimpanzee and bonobo, gorilla, orangutan, macaque, marmoset, mouse, opossum, platypus, chicken and frog) and 8 tissues (cerebellum, brain, heart, kidney, liver, testis, placenta and ovary). To identify the catalogue of alternative splicing eis-acting regulatory elements in the different tetrapod species, I used a previously defined computational approach. This approach is a statistical analysis of exons/introns and splice sites composition and relies on a principle of compensation between splice sites strength and the presence of additional regulators. With an evolutionary comparative analysis of the exonic eis-acting regulators, I showed that these regulatory elements are generally shared among primates and more conserved than non-regulatory elements. In addition, I showed that the usage of these regulatory elements is also more conserved than expected by chance. In addition to the identification of species- specific eis-acting regulators, these results may explain the rapid evolution of alternative splicing. I also developed a new approach based on evolutionary sequence changes and corresponding alternative splicing changes to identify potential splicing eis-acting regulators in primates. The identification of lineage-specific substitutions and corresponding lineage-specific alternative splicing changes, allowed me to annotate the genomic sequences that might have played a role in the alternative splicing pattern differences among primates. Finally, I showed that the identified splicing eis-acting regulator datasets are enriched in human disease-causing mutations, thus confirming their biological relevance.

Attracting cavities for docking. Replacing the rough energy landscape of the protein by a smooth attracting landscape.

Molecular docking is a computational approach for predicting the most probable position of ligands in the binding sites of macromolecules and constitutes the cornerstone of structure-based computer-aided drug design. Here, we present a new algorithm called Attracting Cavities that allows molecular docking to be performed by simple energy minimizations only. The approach consists in transiently replacing the rough potential energy hypersurface of the protein by a smooth attracting potential driving the ligands into protein cavities. The actual protein energy landscape is reintroduced in a second step to refine the ligand position. The scoring function of Attracting Cavities is based on the CHARMM force field and the FACTS solvation model. The approach was tested on the 85 experimental ligand-protein structures included in the Astex diverse set and achieved a success rate of 80% in reproducing the experimental binding mode starting from a completely randomized ligand conformer. The algorithm thus compares favorably with current state-of-the-art docking programs. © 2015 The Authors. Journal of Computational Chemistry Published by Wiley Periodicals, Inc.

A complexidade e o construtivismo na economia

Complexity and constructivism in economics. This paper attempts to show and summarize the concept of rules, order and complexity introduced around the mid-twentieth century by Friedrich August von Hayek. It also attempts to create a current parallel between those concepts and the field of complexity economics. At the time of his writings, the author sought to present arguments against the Cartesian rationality. Nowadays, the concepts presented by him could also serve as arguments against the way of thought used in mainstream microeconomics. A debate can now be seen between the mainstream microeconomics and the authors of the complexity theory applied to the economy, which can be understood as explanations guided by generic assumptions versus natural explanations guided in a computational approach.

Use of cellular impedance to characterize ligand functional selectivity at G protein-coupled receptors

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) représentent la plus grande famille de cibles thérapeutiques pour le traitement d’une panoplie de pathologies humaines. Bien que plusieurs décennies de recherche aient permis de façonner nos connaissances sur ces protéines membranaires, notre compréhension des déterminants moléculaires de leur activité signalétique reste encore limitée. De ces domaines de recherche, une avancée récente a mis à jour un nouveau phénomène, appelé sélectivité fonctionnelle des ligands, qui a bouleversé les paradigmes décrivant leu fonctionnement de ces récepteurs. Ce concept émane d’observations montrant que l’activité pharmacologique de certains ligands n’est pas nécessairement conservée sur tout le répertoire signalétiques connu du récepteur et peu se restreindre à l'activation sélective d’un sous-groupe de voies de signalisation.Ce nouveau modèle pharmacologique de l'activation des RCPG ouvre de nouvelles possibilités pour la découverte de médicaments plus efficace et sûr, ciblant les RCPGs. En effet, il permet la conception de molécules modulant spécifiquement les voies signalétiques d’intérêt thérapeutique, sans engager les autres voies qui pourraient mener à des effets secondaires indésirables ou de la tolérance. Cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle approche sans marquage, basée sur la mesure du changement l'impédance cellulaire. Par la mesure des changements cellulaires, comme la morphologie, l’adhésion et/ou la redistribution des macromolécules, cette approche permet de mesurer de façon simultanée l'activité de plusieurs voies de signalisation impliqués dans ces réponses. Utilisant le récepteur β2-adrénergique (β2AR) comme modèle, nous avons démontré que les variations dans l’impédance cellulaire étaient directement liées à l’activation de multiples voies de signalisation suite à la stimulation du récepteur par son ligand. L’agoniste type du β2AR, l’isoprotérénol, s’est avéré induire une réponse d’impédance dose-dépendante constituée, dans le temps, de plusieurs caractéristiques distinctes pouvant être bloquées de façon compétitive par l’antagoniste ICI118,551 Par l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs, nous avons été en mesure de déterminer la contribution de plusieurs voies signalétiques canoniques, comme les voies dépendantes de Gs et Gi, la production d’AMPc et l’activation de ERK1/2, sur ces changements. De plus, la dissection de la réponse d’impédance a permis d’identifier une nouvelle voie de mobilisation du Ca2+ contribuant à la réponse globale des changements initiés par la stimulation du β2AR. Dans une autre étude, nous avons rapporté que la réponse calcique induite par le β2AR serait attribuable à une transactivation Gs-dépendant du récepteur purinergique P2Y11, lui-même couplé à la protéine Gq. La mesure d’impédance permettant de distinguer et de décrire une pléiade d’activités signalétiques, nous avons émis l’hypothèse que des ligands arborant des profils signalétiques différents généreraient des réponses d’impédance distinctes. Le criblage d’une librairie de ligands spécifiques au β2AR a révélé une grande variété de signatures d’impédance. Grâce au développement d’une approche computationnelle innovatrice, nous avons été en mesure de regrouper ces signatures en cinq classes de composés, un regroupement qui s’est avéré hautement corrélé avec le profil signalétique des différents ligands. Nous avons ensuite combiné le criblage de composés par impédance avec l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs de voies signalétiques afin d’augmenter la résolution du regroupement. En évaluant l’impact d’une voie signalétique donnée sur la signature d’impédance, nous avons été en mesure de révéler une plus grande variété de textures parmi les ligands. De plus, cette méthode s’est avérée efficace pour prédire le profil signalétique d’une librairie de composés non caractérisés, ciblant le β2AR. Ces travaux ont mené à l’élaboration d’une méthode permettant d’exprimer visuellement la sélectivité fonctionnelle de ligands et ont révélé de nouvelles classes de composés pour ce récepteur. Ces nouvelles classes de composés ont ensuite été testées sur des cardiomyocytes humains, confirmant que les composés regroupés dans différentes classes produisent des effets distincts sur la contractilité de ces cellules. Globalement, ces travaux démontrent la pertinence de l’utilisation de l’impédance cellulaire pour une évaluation précise des différences fonctionnelles parmi les composés ciblant les RCPGs. En fournissant une représentation pluridimensionnelle de la signalisation émanant des RCPGs à l’aide d’un seul essai ne requérant pas de marquage, les signatures d’impédance représentent une stratégie simple et innovante pour l’évaluation de la fonctionnalité sélective des ligands. Cette méthode pourrait être d’une grande utilité dans le processus de découverte de nouveaux médicaments.

Distribución hiperbólica generalizada: una aplicación en la selección de portafolios y en la cuantificación de medidas de riesgo de mercado

En este trabajo se implementa una metodología para incluir momentos de orden superior en la selección de portafolios, haciendo uso de la Distribución Hiperbólica Generalizada, para posteriormente hacer un análisis comparativo frente al modelo de Markowitz.

Asymmetries in Business Cycles

Esta disertación busca estudiar los mecanismos de transmisión que vinculan el comportamiento de agentes y firmas con las asimetrías presentes en los ciclos económicos. Para lograr esto, se construyeron tres modelos DSGE. El en primer capítulo, el supuesto de función cuadrática simétrica de ajuste de la inversión fue removido, y el modelo canónico RBC fue reformulado suponiendo que des-invertir es más costoso que invertir una unidad de capital físico. En el segundo capítulo, la contribución más importante de esta disertación es presentada: la construcción de una función de utilidad general que anida aversión a la pérdida, aversión al riesgo y formación de hábitos, por medio de una función de transición suave. La razón para hacerlo así es el hecho de que los individuos son aversos a la pérdidad en recesiones, y son aversos al riesgo en auges. En el tercer capítulo, las asimetrías en los ciclos económicos son analizadas junto con ajuste asimétrico en precios y salarios en un contexto neokeynesiano, con el fin de encontrar una explicación teórica de la bien documentada asimetría presente en la Curva de Phillips.

Critical analysis and extension of the Hirshfeld atoms in molecules

The computational approach to the Hirshfeld [Theor. Chim. Acta 44, 129 (1977)] atom in a molecule is critically investigated, and several difficulties are highlighted. It is shown that these difficulties are mitigated by an alternative, iterative version, of the Hirshfeld partitioning procedure. The iterative scheme ensures that the Hirshfeld definition represents a mathematically proper information entropy, allows the Hirshfeld approach to be used for charged molecules, eliminates arbitrariness in the choice of the promolecule, and increases the magnitudes of the charges. The resulting "Hirshfeld-I charges" correlate well with electrostatic potential derived atomic charges

Relation between neuronal morphology and electrophysiology in the Kainate lesion model of Alzheimer's Disease

This paper describes a computational and statistical study of the influence of morphological changes on the electrophysiological response of neurons from an animal model of Alzheimer's Disease (AD). We combined experimental morphological data from rat hippocampal CA1 pyramidal cells with a well-established model of active membrane properties. Dendritic morphology and the somatic response to simulated current clamp conditions were then compared for cells from the control and the AD group. The computational approach allowed us to single out the influences of neuromorphology on neuronal response by eliminating the effects of active channel variability. The results did not reveal a simple relationship between morphological changes associated with AD and changes in neural response. However, they did suggest the existence of more complex than anticipated relationships between dendritic morphology and single-cell electrophysiology.

Quantifying volcanic ash dispersal and impact of the Campanian Ignimbrite super-eruption

1] We apply a novel computational approach to assess, for the first time, volcanic ash dispersal during the Campanian Ignimbrite (Italy) super-eruption providing insights into eruption dynamics and the impact of this gigantic event. The method uses a 3D time-dependent computational ash dispersion model, a set of wind fields, and more than 100 thickness measurements of the CI tephra deposit. Results reveal that the CI eruption dispersed 250–300 km3 of ash over ∼3.7 million km2. The injection of such a large quantity of ash (and volatiles) into the atmosphere would have caused a volcanic winter during the Heinrich Event 4, the coldest and driest climatic episode of the Last Glacial period. Fluorine-bearing leachate from the volcanic ash and acid rain would have further affected food sources and severely impacted Late Middle-Early Upper Paleolithic groups in Southern and Eastern Europe

In silico network topology-based prediction of gene essentiality

The identification of genes essential for survival is important for the understanding of the minimal requirements for cellular life and for drug design. As experimental studies with the purpose of building a catalog of essential genes for a given organism are time-consuming and laborious, a computational approach which could predict gene essentiality with high accuracy would be of great value. We present here a novel computational approach, called NTPGE (Network Topology-based Prediction of Gene Essentiality), that relies on the network topology features of a gene to estimate its essentiality. The first step of NTPGE is to construct the integrated molecular network for a given organism comprising protein physical, metabolic and transcriptional regulation interactions. The second step consists in training a decision-tree-based machine-learning algorithm on known essential and non-essential genes of the organism of interest, considering as learning attributes the network topology information for each of these genes. Finally, the decision-tree classifier generated is applied to the set of genes of this organism to estimate essentiality for each gene. We applied the NTPGE approach for discovering the essential genes in Escherichia coli and then assessed its performance. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Towards the prediction of essential genes by integration of network topology, cellular localization and biological process information

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Analysis of ensemble models in the medium term hydropower scheduling

The medium term hydropower scheduling (MTHS) problem involves an attempt to determine, for each time stage of the planning period, the amount of generation at each hydro plant which will maximize the expected future benefits throughout the planning period, while respecting plant operational constraints. Besides, it is important to emphasize that this decision-making has been done based mainly on inflow earliness knowledge. To perform the forecast of a determinate basin, it is possible to use some intelligent computational approaches. In this paper one considers the Dynamic Programming (DP) with the inflows given by their average values, thus turning the problem into a deterministic one which the solution can be obtained by deterministic DP (DDP). The performance of the DDP technique in the MTHS problem was assessed by simulation using the ensemble prediction models. Features and sensitivities of these models are discussed. © 2012 IEEE.