Computational and statistical analysis of copy number variants in normal and cancer genomes

AbstractAlthough the genomes from any two human individuals are more than 99.99% identical at the sequence level, some structural variation can be observed. Differences between genomes include single nucleotide polymorphism (SNP), inversion and copy number changes (gain or loss of DNA). The latter can range from submicroscopic events (CNVs, at least 1kb in size) to complete chromosomal aneuploidies. Small copy number variations have often no (lethal) consequences to the cell, but a few were associated to disease susceptibility and phenotypic variations. Larger re-arrangements (i.e. complete chromosome gain) are frequently associated with more severe consequences on health such as genomic disorders and cancer. High-throughput technologies like DNA microarrays enable the detection of CNVs in a genome-wide fashion. Since the initial catalogue of CNVs in the human genome in 2006, there has been tremendous interest in CNVs both in the context of population and medical genetics. Understanding CNV patterns within and between human populations is essential to elucidate their possible contribution to disease. But genome analysis is a challenging task; the technology evolves rapidly creating needs for novel, efficient and robust analytical tools which need to be compared with existing ones. Also, while the link between CNV and disease has been established, the relative CNV contribution is not fully understood and the predisposition to disease from CNVs of the general population has not been yet investigated.During my PhD thesis, I worked on several aspects related to CNVs. As l will report in chapter 3, ! was interested in computational methods to detect CNVs from the general population. I had access to the CoLaus dataset, a population-based study with more than 6,000 participants from the Lausanne area. All these individuals were analysed on SNP arrays and extensive clinical information were available. My work explored existing CNV detection methods and I developed a variety of metrics to compare their performance. Since these methods were not producing entirely satisfactory results, I implemented my own method which outperformed two existing methods. I also devised strategies to combine CNVs from different individuals into CNV regions.I was also interested in the clinical impact of CNVs in common disease (chapter 4). Through an international collaboration led by the Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) and the Imperial College London I was involved as a main data analyst in the investigation of a rare deletion at chromosome 16p11 detected in obese patients. Specifically, we compared 8,456 obese patients and 11,856 individuals from the general population and we found that the deletion was accounting for 0.7% of the morbid obesity cases and was absent in healthy non- obese controls. This highlights the importance of rare variants with strong impact and provides new insights in the design of clinical studies to identify the missing heritability in common disease.Furthermore, I was interested in the detection of somatic copy number alterations (SCNA) and their consequences in cancer (chapter 5). This project was a collaboration initiated by the Ludwig Institute for Cancer Research and involved other groups from the Swiss Institute of Bioinformatics, the CHUV and Universities of Lausanne and Geneva. The focus of my work was to identify genes with altered expression levels within somatic copy number alterations (SCNA) in seven metastatic melanoma ceil lines, using CGH and SNP arrays, RNA-seq, and karyotyping. Very few SCNA genes were shared by even two melanoma samples making it difficult to draw any conclusions at the individual gene level. To overcome this limitation, I used a network-guided analysis to determine whether any pathways, defined by amplified or deleted genes, were common among the samples. Six of the melanoma samples were potentially altered in four pathways and five samples harboured copy-number and expression changes in components of six pathways. In total, this approach identified 28 pathways. Validation with two external, large melanoma datasets confirmed all but three of the detected pathways and demonstrated the utility of network-guided approaches for both large and small datasets analysis.RésuméBien que le génome de deux individus soit similaire à plus de 99.99%, des différences de structure peuvent être observées. Ces différences incluent les polymorphismes simples de nucléotides, les inversions et les changements en nombre de copies (gain ou perte d'ADN). Ces derniers varient de petits événements dits sous-microscopiques (moins de 1kb en taille), appelés CNVs (copy number variants) jusqu'à des événements plus large pouvant affecter des chromosomes entiers. Les petites variations sont généralement sans conséquence pour la cellule, toutefois certaines ont été impliquées dans la prédisposition à certaines maladies, et à des variations phénotypiques dans la population générale. Les réarrangements plus grands (par exemple, une copie additionnelle d'un chromosome appelée communément trisomie) ont des répercutions plus grave pour la santé, comme par exemple dans certains syndromes génomiques et dans le cancer. Les technologies à haut-débit telle les puces à ADN permettent la détection de CNVs à l'échelle du génome humain. La cartographie en 2006 des CNV du génome humain, a suscité un fort intérêt en génétique des populations et en génétique médicale. La détection de différences au sein et entre plusieurs populations est un élément clef pour élucider la contribution possible des CNVs dans les maladies. Toutefois l'analyse du génome reste une tâche difficile, la technologie évolue très rapidement créant de nouveaux besoins pour le développement d'outils, l'amélioration des précédents, et la comparaison des différentes méthodes. De plus, si le lien entre CNV et maladie a été établit, leur contribution précise n'est pas encore comprise. De même que les études sur la prédisposition aux maladies par des CNVs détectés dans la population générale n'ont pas encore été réalisées.Pendant mon doctorat, je me suis concentré sur trois axes principaux ayant attrait aux CNV. Dans le chapitre 3, je détaille mes travaux sur les méthodes d'analyses des puces à ADN. J'ai eu accès aux données du projet CoLaus, une étude de la population de Lausanne. Dans cette étude, le génome de plus de 6000 individus a été analysé avec des puces SNP et de nombreuses informations cliniques ont été récoltées. Pendant mes travaux, j'ai utilisé et comparé plusieurs méthodes de détection des CNVs. Les résultats n'étant pas complètement satisfaisant, j'ai implémenté ma propre méthode qui donne de meilleures performances que deux des trois autres méthodes utilisées. Je me suis aussi intéressé aux stratégies pour combiner les CNVs de différents individus en régions.Je me suis aussi intéressé à l'impact clinique des CNVs dans le cas des maladies génétiques communes (chapitre 4). Ce projet fut possible grâce à une étroite collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) et l'Impérial College à Londres. Dans ce projet, j'ai été l'un des analystes principaux et j'ai travaillé sur l'impact clinique d'une délétion rare du chromosome 16p11 présente chez des patients atteints d'obésité. Dans cette collaboration multidisciplinaire, nous avons comparés 8'456 patients atteint d'obésité et 11 '856 individus de la population générale. Nous avons trouvés que la délétion était impliquée dans 0.7% des cas d'obésité morbide et était absente chez les contrôles sains (non-atteint d'obésité). Notre étude illustre l'importance des CNVs rares qui peuvent avoir un impact clinique très important. De plus, ceci permet d'envisager une alternative aux études d'associations pour améliorer notre compréhension de l'étiologie des maladies génétiques communes.Egalement, j'ai travaillé sur la détection d'altérations somatiques en nombres de copies (SCNA) et de leurs conséquences pour le cancer (chapitre 5). Ce projet fut une collaboration initiée par l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer et impliquant l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les Universités de Lausanne et Genève. Je me suis concentré sur l'identification de gènes affectés par des SCNAs et avec une sur- ou sous-expression dans des lignées cellulaires dérivées de mélanomes métastatiques. Les données utilisées ont été générées par des puces ADN (CGH et SNP) et du séquençage à haut débit du transcriptome. Mes recherches ont montrées que peu de gènes sont récurrents entre les mélanomes, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats. Pour contourner ces limitations, j'ai utilisé une analyse de réseaux pour définir si des réseaux de signalisations enrichis en gènes amplifiés ou perdus, étaient communs aux différents échantillons. En fait, parmi les 28 réseaux détectés, quatre réseaux sont potentiellement dérégulés chez six mélanomes, et six réseaux supplémentaires sont affectés chez cinq mélanomes. La validation de ces résultats avec deux larges jeux de données publiques, a confirmée tous ces réseaux sauf trois. Ceci démontre l'utilité de cette approche pour l'analyse de petits et de larges jeux de données.Résumé grand publicL'avènement de la biologie moléculaire, en particulier ces dix dernières années, a révolutionné la recherche en génétique médicale. Grâce à la disponibilité du génome humain de référence dès 2001, de nouvelles technologies telles que les puces à ADN sont apparues et ont permis d'étudier le génome dans son ensemble avec une résolution dite sous-microscopique jusque-là impossible par les techniques traditionnelles de cytogénétique. Un des exemples les plus importants est l'étude des variations structurales du génome, en particulier l'étude du nombre de copies des gènes. Il était établi dès 1959 avec l'identification de la trisomie 21 par le professeur Jérôme Lejeune que le gain d'un chromosome supplémentaire était à l'origine de syndrome génétique avec des répercussions graves pour la santé du patient. Ces observations ont également été réalisées en oncologie sur les cellules cancéreuses qui accumulent fréquemment des aberrations en nombre de copies (telles que la perte ou le gain d'un ou plusieurs chromosomes). Dès 2004, plusieurs groupes de recherches ont répertorié des changements en nombre de copies dans des individus provenant de la population générale (c'est-à-dire sans symptômes cliniques visibles). En 2006, le Dr. Richard Redon a établi la première carte de variation en nombre de copies dans la population générale. Ces découvertes ont démontrées que les variations dans le génome était fréquentes et que la plupart d'entre elles étaient bénignes, c'est-à-dire sans conséquence clinique pour la santé de l'individu. Ceci a suscité un très grand intérêt pour comprendre les variations naturelles entre individus mais aussi pour mieux appréhender la prédisposition génétique à certaines maladies.Lors de ma thèse, j'ai développé de nouveaux outils informatiques pour l'analyse de puces à ADN dans le but de cartographier ces variations à l'échelle génomique. J'ai utilisé ces outils pour établir les variations dans la population suisse et je me suis consacré par la suite à l'étude de facteurs pouvant expliquer la prédisposition aux maladies telles que l'obésité. Cette étude en collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois a permis l'identification d'une délétion sur le chromosome 16 expliquant 0.7% des cas d'obésité morbide. Cette étude a plusieurs répercussions. Tout d'abord elle permet d'effectuer le diagnostique chez les enfants à naître afin de déterminer leur prédisposition à l'obésité. Ensuite ce locus implique une vingtaine de gènes. Ceci permet de formuler de nouvelles hypothèses de travail et d'orienter la recherche afin d'améliorer notre compréhension de la maladie et l'espoir de découvrir un nouveau traitement Enfin notre étude fournit une alternative aux études d'association génétique qui n'ont eu jusqu'à présent qu'un succès mitigé.Dans la dernière partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'analyse des aberrations en nombre de copies dans le cancer. Mon choix s'est porté sur l'étude de mélanomes, impliqués dans le cancer de la peau. Le mélanome est une tumeur très agressive, elle est responsable de 80% des décès des cancers de la peau et est souvent résistante aux traitements utilisés en oncologie (chimiothérapie, radiothérapie). Dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer, l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les universités de Lausanne et Genève, nous avons séquencés l'exome (les gènes) et le transcriptome (l'expression des gènes) de sept mélanomes métastatiques, effectués des analyses du nombre de copies par des puces à ADN et des caryotypes. Mes travaux ont permis le développement de nouvelles méthodes d'analyses adaptées au cancer, d'établir la liste des réseaux de signalisation cellulaire affectés de façon récurrente chez le mélanome et d'identifier deux cibles thérapeutiques potentielles jusqu'alors ignorées dans les cancers de la peau.

Entropic transport in confined media: a challenge for computational studies in biological and soft-matter systems

Transport in small-scale biological and soft-matter systems typically occurs under confinement conditions in which particles proceed through obstacles and irregularities of the boundaries that may significantly alter their trajectories. A transport model that assimilates the confinement to the presence of entropic barriers provides an efficient approach to quantify its effect on the particle current and the diffusion coefficient. We review the main peculiarities of entropic transport and treat two cases in which confinement effects play a crucial role, with the appearance of emergent properties. The presence of entropic barriers modifies the mean first-passage time distribution and therefore plays a very important role in ion transport through micro- and nano-channels. The functionality of molecular motors, modeled as Brownian ratchets, is strongly affected when the motor proceeds in a confined medium that may constitute another source of rectification. The interplay between ratchet and entropic rectification gives rise to a wide variety of dynamical behaviors, not observed when the Brownian motor proceeds in an unbounded medium. Entropic transport offers new venues of transport control and particle manipulation and new ways to engineer more efficient devices for transport at the nanoscale.

An integrative computational analysis provides evidence for FBN1-associated network deregulation in trisomy 21

Although approximately 50% of Down Syndrome (DS) patients have heart abnormalities, they exhibit an overprotection against cardiac abnormalities related with the connective tissue, for example a lower risk of coronary artery disease. A recent study reported a case of a person affected by DS who carried mutations in FBN1, the gene causative for a connective tissue disorder called Marfan Syndrome (MFS). The fact that the person did not have any cardiac alterations suggested compensation effects due to DS. This observation is supported by a previous DS meta-analysis at the molecular level where we have found an overall upregulation of FBN1 (which is usually downregulated in MFS). Additionally, that result was cross-validated with independent expression data from DS heart tissue. The aim of this work is to elucidate the role of FBN1 in DS and to establish a molecular link to MFS and MFS-related syndromes using a computational approach. To reach that, we conducted different analytical approaches over two DS studies (our previous meta-analysis and independent expression data from DS heart tissue) and revealed expression alterations in the FBN1 interaction network, in FBN1 co-expressed genes and FBN1-related pathways. After merging the significant results from different datasets with a Bayesian approach, we prioritized 85 genes that were able to distinguish control from DS cases. We further found evidence for several of these genes (47%), such as FBN1, DCN, and COL1A2, being dysregulated in MFS and MFS-related diseases. Consequently, we further encourage the scientific community to take into account FBN1 and its related network for the study of DS cardiovascular characteristics.

Computational analysis of the genetic and environmental contributions to disease-related human phenotypes: From predicting adverse lipid response of HIV patients receiving antiretroviral therapy to genome-wide association studies of cardiovascular and lipid related disorders

Genetic variants influence the risk to develop certain diseases or give rise to differences in drug response. Recent progresses in cost-effective, high-throughput genome-wide techniques, such as microarrays measuring Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs), have facilitated genotyping of large clinical and population cohorts. Combining the massive genotypic data with measurements of phenotypic traits allows for the determination of genetic differences that explain, at least in part, the phenotypic variations within a population. So far, models combining the most significant variants can only explain a small fraction of the variance, indicating the limitations of current models. In particular, researchers have only begun to address the possibility of interactions between genotypes and the environment. Elucidating the contributions of such interactions is a difficult task because of the large number of genetic as well as possible environmental factors.In this thesis, I worked on several projects within this context. My first and main project was the identification of possible SNP-environment interactions, where the phenotypes were serum lipid levels of patients from the Swiss HIV Cohort Study (SHCS) treated with antiretroviral therapy. Here the genotypes consisted of a limited set of SNPs in candidate genes relevant for lipid transport and metabolism. The environmental variables were the specific combinations of drugs given to each patient over the treatment period. My work explored bioinformatic and statistical approaches to relate patients' lipid responses to these SNPs, drugs and, importantly, their interactions. The goal of this project was to improve our understanding and to explore the possibility of predicting dyslipidemia, a well-known adverse drug reaction of antiretroviral therapy. Specifically, I quantified how much of the variance in lipid profiles could be explained by the host genetic variants, the administered drugs and SNP-drug interactions and assessed the predictive power of these features on lipid responses. Using cross-validation stratified by patients, we could not validate our hypothesis that models that select a subset of SNP-drug interactions in a principled way have better predictive power than the control models using "random" subsets. Nevertheless, all models tested containing SNP and/or drug terms, exhibited significant predictive power (as compared to a random predictor) and explained a sizable proportion of variance, in the patient stratified cross-validation context. Importantly, the model containing stepwise selected SNP terms showed higher capacity to predict triglyceride levels than a model containing randomly selected SNPs. Dyslipidemia is a complex trait for which many factors remain to be discovered, thus missing from the data, and possibly explaining the limitations of our analysis. In particular, the interactions of drugs with SNPs selected from the set of candidate genes likely have small effect sizes which we were unable to detect in a sample of the present size (<800 patients).In the second part of my thesis, I performed genome-wide association studies within the Cohorte Lausannoise (CoLaus). I have been involved in several international projects to identify SNPs that are associated with various traits, such as serum calcium, body mass index, two-hour glucose levels, as well as metabolic syndrome and its components. These phenotypes are all related to major human health issues, such as cardiovascular disease. I applied statistical methods to detect new variants associated with these phenotypes, contributing to the identification of new genetic loci that may lead to new insights into the genetic basis of these traits. This kind of research will lead to a better understanding of the mechanisms underlying these pathologies, a better evaluation of disease risk, the identification of new therapeutic leads and may ultimately lead to the realization of "personalized" medicine.

Computational and Energy Costs of Cryptographic Algorithms on Handheld Devices

Networks are evolving toward a ubiquitous model in which heterogeneousdevices are interconnected. Cryptographic algorithms are required for developing securitysolutions that protect network activity. However, the computational and energy limitationsof network devices jeopardize the actual implementation of such mechanisms. In thispaper, we perform a wide analysis on the expenses of launching symmetric and asymmetriccryptographic algorithms, hash chain functions, elliptic curves cryptography and pairingbased cryptography on personal agendas, and compare them with the costs of basic operatingsystem functions. Results show that although cryptographic power costs are high and suchoperations shall be restricted in time, they are not the main limiting factor of the autonomyof a device.

Mucoviscidose: illustration de la complexité du dépistage génétique. [The example of cystic fibrosis to highlight the complexity of genetic screening].

Différentes organisations et différents pays aboutissent souvent à des conclusions différentes quant à la pertinence d'introduire un test de dépistage génétique dans la population générale. Cet article décrit la complexité du dépistage basé sur des tests génétiques. Utilisant l'exemple de la mucoviscidose - pour laquelle un groupe de travail national est en train d'évaluer la pertinence d'un dépistage génétique - les auteurs relèvent les situaions où les recommandations de dépistage sont parfois basées sur l'émergence de nouvelles technologies (par exemple, test génétique) et d'opinion publique plutôt que sur la base d'évidences. Ils présentent également les enjeux éthiques et économiques du dépistage génétique de la mucoviscidose. [Abstract] Various institutions and countries often reach different conclusions about the utility of introducing a newborn screening test in the general population. This paper highlights the complexity of population screening including genetic tests. Using the example of cystic fibrosis genetic screening, for which a Swiss Working Group for Cystic Fibrosis is currently evaluating the pertinence, we outline that screening recommendations are often based more on expert opinion and emerging new technologies rather than on evidence. We also present some ethical and economic issues related to cystic fibrosis genetic screening.

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

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

Computational and Experimental Analysis of Flow Field in the Diffusers of Centrifugal Compressors

Centrifugal compressors are widely used for example in process industry, oil and gas industry, in small gas turbines and turbochargers. In order to achieve lower consumption of energy and operation costs the efficiency of the compressor needs to be improve. In the present work different pinches and low solidity vaned diffusers were utilized in order to improve the efficiency of a medium size centrifugal compressor. In this study, pinch means the decrement of the diffuser flow passage height. First different geometries were analyzed using computational fluid dynamics. The flow solver Finflo was used to solve the flow field. Finflo is a Navier-Stokes solver. The solver is capable to solve compressible, incompressible, steady and unsteady flow fields. Chien's k-e turbulence model was used. One of the numerically investigated pinched diffuser and one low solidity vaned diffuser were studied experimentally. The overall performance of the compressor and the static pressure distribution before and after the diffuser were measured. The flow entering and leaving the diffuser was measured using a three-hole Cobra-probe and Kiel-probes. The pinch and the low solidity vaned diffuser increased the efficiency of the compressor. Highest isentropic efficiency increment obtained was 3\% of the design isentropic efficiency of the original geometry. It was noticed in the numerical results that the pinch made to the hub and the shroud wall was most beneficial to the operation of the compressor. Also the pinch made to the hub was better than the pinchmade to the shroud. The pinch did not affect the operation range of the compressor, but the low solidity vaned diffuser slightly decreased the operation range.The unsteady phenomena in the vaneless diffuser were studied experimentally andnumerically. The unsteady static pressure was measured at the diffuser inlet and outlet, and time-accurate numerical simulation was conducted. The unsteady static pressure showed that most of the pressure variations lay at the passing frequency of every second blade. The pressure variations did not vanish in the diffuser and were visible at the diffuser outlet. However, the amplitude of the pressure variations decreased in the diffuser. The time-accurate calculations showed quite a good agreement with the measured data. Agreement was very good at the design operation point, even though the computational grid was not dense enough inthe volute and in the exit cone. The time-accurate calculation over-predicted the amplitude of the pressure variations at high flow.

Computational Approach to the Study of Thermal Spin Crossover Phenomena

The key parameters associated to the thermally induced spin crossover process have been calculated for a series of Fe(II) complexes with mono-, bi-, and tridentate ligands. Combination of density functional theory calculations for the geometries and for normal vibrational modes, and highly correlated wave function methods for the energies, allows us to accurately compute the entropy variation associated to the spin transition and the zero-point corrected energy difference between the low- and high-spin states. From these values, the transition temperature, T 1/2, is estimated for different compounds.

A programming environment having three levels of complexity for mobile robotics = Entorno de programación con tres niveles de complejidad para robótica móvil

This paper presents a programming environment for supporting learning in STEM, particularly mobile robotic learning. It was designed to maintain progressive learning for people with and without previous knowledge of programming and/or robotics. The environment was multi platform and built with open source tools. Perception, mobility, communication, navigation and collaborative behaviour functionalities can be programmed for different mobile robots. A learner is able to programme robots using different programming languages and editor interfaces: graphic programming interface (basic level), XML-based meta language (intermediate level) or ANSI C language (advanced level). The environment supports programme translation transparently into different languages for learners or explicitly on learners’ demand. Learners can access proposed challenges and learning interfaces by examples. The environment was designed to allow characteristics such as extensibility, adaptive interfaces, persistence and low software/hardware coupling. Functionality tests were performed to prove programming environment specifications. UV BOT mobile robots were used in these tests

On solving fair exchange and related distributed problems in Byzantine environments

Abstract The solvability of the problem of fair exchange in a synchronous system subject to Byzantine failures is investigated in this work. The fair exchange problem arises when a group of processes are required to exchange digital items in a fair manner, which means that either each process obtains the item it was expecting or no process obtains any information on, the inputs of others. After introducing a novel specification of fair exchange that clearly separates safety and liveness, we give an overview of the difficulty of solving such a problem in the context of a fully-connected topology. On one hand, we show that no solution to fair exchange exists in the absence of an identified process that every process can trust a priori; on the other, a well-known solution to fair exchange relying on a trusted third party is recalled. These two results lead us to complete our system model with a flexible representation of the notion of trust. We then show that fair exchange is solvable if and only if a connectivity condition, named the reachable majority condition, is satisfied. The necessity of the condition is proven by an impossibility result and its sufficiency by presenting a general solution to fair exchange relying on a set of trusted processes. The focus is then turned towards a specific network topology in order to provide a fully decentralized, yet realistic, solution to fair exchange. The general solution mentioned above is optimized by reducing the computational load assumed by trusted processes as far as possible. Accordingly, our fair exchange protocol relies on trusted tamperproof modules that have limited communication abilities and are only required in key steps of the algorithm. This modular solution is then implemented in the context of a pedagogical application developed for illustrating and apprehending the complexity of fair exchange. This application, which also includes the implementation of a wide range of Byzantine behaviors, allows executions of the algorithm to be set up and monitored through a graphical display. Surprisingly, some of our results on fair exchange seem contradictory with those found in the literature of secure multiparty computation, a problem from the field of modern cryptography, although the two problems have much in common. Both problems are closely related to the notion of trusted third party, but their approaches and descriptions differ greatly. By introducing a common specification framework, a comparison is proposed in order to clarify their differences and the possible origins of the confusion between them. This leads us to introduce the problem of generalized fair computation, a generalization of fair exchange. Finally, a solution to this new problem is given by generalizing our modular solution to fair exchange