Decoding stimulus-related information from single-trial EEG responses based on voltage topographies

Neuroimaging studies typically compare experimental conditions using average brain responses, thereby overlooking the stimulus-related information conveyed by distributed spatio-temporal patterns of single-trial responses. Here, we take advantage of this rich information at a single-trial level to decode stimulus-related signals in two event-related potential (ERP) studies. Our method models the statistical distribution of the voltage topographies with a Gaussian Mixture Model (GMM), which reduces the dataset to a number of representative voltage topographies. The degree of presence of these topographies across trials at specific latencies is then used to classify experimental conditions. We tested the algorithm using a cross-validation procedure in two independent EEG datasets. In the first ERP study, we classified left- versus right-hemifield checkerboard stimuli for upper and lower visual hemifields. In a second ERP study, when functional differences cannot be assumed, we classified initial versus repeated presentations of visual objects. With minimal a priori information, the GMM model provides neurophysiologically interpretable features - vis à vis voltage topographies - as well as dynamic information about brain function. This method can in principle be applied to any ERP dataset testing the functional relevance of specific time periods for stimulus processing, the predictability of subject's behavior and cognitive states, and the discrimination between healthy and clinical populations.

Microvascular burden and Alzheimer-type lesions across the age spectrum.

The occurrence of microvascular and small macrovascular lesions and Alzheimer's disease (AD)-related pathology in the aging human brain is a well-described phenomenon. Although there is a wide consensus about the relationship between macroscopic vascular lesions and incident dementia, the cognitive consequences of the progressive accumulation of these small vascular lesions in the human brain are still a matter of debate. Among the vast group of small vessel-related forms of ischemic brain injuries, the present review discusses the cognitive impact of cortical microinfarcts, subcortical gray matter and deep white matter lacunes, periventricular and diffuse white matter demyelinations, and focal or diffuse gliosis in old age. A special focus will be on the sub-types of microvascular lesions not detected by currently available neuroimaging studies in routine clinical settings. After providing a critical overview of in vivo data on white matter demyelinations and lacunes, we summarize the clinicopathological studies performed by our center in large cohorts of individuals with microvascular lesions and concomitant AD-related pathology across two age ranges (the younger old, 65-85 years old, versus the oldest old, nonagenarians and centenarians). In conjunction with other autopsy datasets, these observations fully support the idea that cortical microinfarcts are the only consistent determinant of cognitive decline across the entire spectrum from pure vascular cases to cases with combined vascular and AD lesion burden.

Statistical analysis and modelling of weather radar beam propagation conditions in the Po Valley (Italy)

Ground clutter caused by anomalous propagation (anaprop) can affect seriously radar rain rate estimates, particularly in fully automatic radar processing systems, and, if not filtered, can produce frequent false alarms. A statistical study of anomalous propagation detected from two operational C-band radars in the northern Italian region of Emilia Romagna is discussed, paying particular attention to its diurnal and seasonal variability. The analysis shows a high incidence of anaprop in summer, mainly in the morning and evening, due to the humid and hot summer climate of the Po Valley, particularly in the coastal zone. Thereafter, a comparison between different techniques and datasets to retrieve the vertical profile of the refractive index gradient in the boundary layer is also presented. In particular, their capability to detect anomalous propagation conditions is compared. Furthermore, beam path trajectories are simulated using a multilayer ray-tracing model and the influence of the propagation conditions on the beam trajectory and shape is examined. High resolution radiosounding data are identified as the best available dataset to reproduce accurately the local propagation conditions, while lower resolution standard TEMP data suffers from interpolation degradation and Numerical Weather Prediction model data (Lokal Model) are able to retrieve a tendency to superrefraction but not to detect ducting conditions. Observing the ray tracing of the centre, lower and upper limits of the radar antenna 3-dB half-power main beam lobe it is concluded that ducting layers produce a change in the measured volume and in the power distribution that can lead to an additional error in the reflectivity estimate and, subsequently, in the estimated rainfall rate.

BIO-INSPIRED COMPUTATIONAL TECHNIQUES APPLIED TO THE CLUSTERING AND VISUALIZATION OF SPATIO-TEMPORAL GEOSPATIAL DATA

The coverage and volume of geo-referenced datasets are extensive and incessantly¦growing. The systematic capture of geo-referenced information generates large volumes¦of spatio-temporal data to be analyzed. Clustering and visualization play a key¦role in the exploratory data analysis and the extraction of knowledge embedded in¦these data. However, new challenges in visualization and clustering are posed when¦dealing with the special characteristics of this data. For instance, its complex structures,¦large quantity of samples, variables involved in a temporal context, high dimensionality¦and large variability in cluster shapes.¦The central aim of my thesis is to propose new algorithms and methodologies for¦clustering and visualization, in order to assist the knowledge extraction from spatiotemporal¦geo-referenced data, thus improving making decision processes.¦I present two original algorithms, one for clustering: the Fuzzy Growing Hierarchical¦Self-Organizing Networks (FGHSON), and the second for exploratory visual data analysis:¦the Tree-structured Self-organizing Maps Component Planes. In addition, I present¦methodologies that combined with FGHSON and the Tree-structured SOM Component¦Planes allow the integration of space and time seamlessly and simultaneously in¦order to extract knowledge embedded in a temporal context.¦The originality of the FGHSON lies in its capability to reflect the underlying structure¦of a dataset in a hierarchical fuzzy way. A hierarchical fuzzy representation of¦clusters is crucial when data include complex structures with large variability of cluster¦shapes, variances, densities and number of clusters. The most important characteristics¦of the FGHSON include: (1) It does not require an a-priori setup of the number¦of clusters. (2) The algorithm executes several self-organizing processes in parallel.¦Hence, when dealing with large datasets the processes can be distributed reducing the¦computational cost. (3) Only three parameters are necessary to set up the algorithm.¦In the case of the Tree-structured SOM Component Planes, the novelty of this algorithm¦lies in its ability to create a structure that allows the visual exploratory data analysis¦of large high-dimensional datasets. This algorithm creates a hierarchical structure¦of Self-Organizing Map Component Planes, arranging similar variables' projections in¦the same branches of the tree. Hence, similarities on variables' behavior can be easily¦detected (e.g. local correlations, maximal and minimal values and outliers).¦Both FGHSON and the Tree-structured SOM Component Planes were applied in¦several agroecological problems proving to be very efficient in the exploratory analysis¦and clustering of spatio-temporal datasets.¦In this thesis I also tested three soft competitive learning algorithms. Two of them¦well-known non supervised soft competitive algorithms, namely the Self-Organizing¦Maps (SOMs) and the Growing Hierarchical Self-Organizing Maps (GHSOMs); and the¦third was our original contribution, the FGHSON. Although the algorithms presented¦here have been used in several areas, to my knowledge there is not any work applying¦and comparing the performance of those techniques when dealing with spatiotemporal¦geospatial data, as it is presented in this thesis.¦I propose original methodologies to explore spatio-temporal geo-referenced datasets¦through time. Our approach uses time windows to capture temporal similarities and¦variations by using the FGHSON clustering algorithm. The developed methodologies¦are used in two case studies. In the first, the objective was to find similar agroecozones¦through time and in the second one it was to find similar environmental patterns¦shifted in time.¦Several results presented in this thesis have led to new contributions to agroecological¦knowledge, for instance, in sugar cane, and blackberry production.¦Finally, in the framework of this thesis we developed several software tools: (1)¦a Matlab toolbox that implements the FGHSON algorithm, and (2) a program called¦BIS (Bio-inspired Identification of Similar agroecozones) an interactive graphical user¦interface tool which integrates the FGHSON algorithm with Google Earth in order to¦show zones with similar agroecological characteristics.

Occupational respiratory exposures to irritating and sensitizing volatile compounds deriving from cleaning products

Recent findings suggest an association between exposure to cleaning products and respiratory dysfunctions including asthma. However, little information is available about quantitative airborne exposures of professional cleaners to volatile organic compounds deriving from cleaning products. During the first phases of the study, a systematic review of cleaning products was performed. Safety data sheets were reviewed to assess the most frequently added volatile organic compounds. It was found that professional cleaning products are complex mixtures of different components (compounds in cleaning products: 3.5 ± 2.8), and more than 130 chemical substances listed in the safety data sheets were identified in 105 products. The main groups of chemicals were fragrances, glycol ethers, surfactants, solvents; and to a lesser extent phosphates, salts, detergents, pH-stabilizers, acids, and bases. Up to 75% of products contained irritant (Xi), 64% harmful (Xn) and 28% corrosive (C) labeled substances. Hazards for eyes (59%), skin (50%) and by ingestion (60%) were the most reported. Monoethanolamine, a strong irritant and known to be involved in sensitizing mechanisms as well as allergic reactions, is frequently added to cleaning products. Monoethanolamine determination in air has traditionally been difficult and air sampling and analysis methods available were little adapted for personal occupational air concentration assessments. A convenient method was developed with air sampling on impregnated glass fiber filters followed by one step desorption, gas chromatography and nitrogen phosphorous selective detection. An exposure assessment was conducted in the cleaning sector, to determine airborne concentrations of monoethanolamine, glycol ethers, and benzyl alcohol during different cleaning tasks performed by professional cleaning workers in different companies, and to determine background air concentrations of formaldehyde, a known indoor air contaminant. The occupational exposure study was carried out in 12 cleaning companies, and personal air samples were collected for monoethanolamine (n=68), glycol ethers (n=79), benzyl alcohol (n=15) and formaldehyde (n=45). All but ethylene glycol mono-n-butyl ether air concentrations measured were far below (<1/10) of the Swiss eight hours occupational exposure limits, except for butoxypropanol and benzyl alcohol, where no occupational exposure limits were available. Although only detected once, ethylene glycol mono-n-butyl ether air concentrations (n=4) were high (49.5 mg/m3 to 58.7 mg/m3), hovering at the Swiss occupational exposure limit (49 mg/m3). Background air concentrations showed no presence of monoethanolamine, while the glycol ethers were often present, and formaldehyde was universally detected. Exposures were influenced by the amount of monoethanolamine in the cleaning product, cross ventilation and spraying. The collected data was used to test an already existing exposure modeling tool during the last phases of the study. The exposure estimation of the so called Bayesian tool converged with the measured range of exposure the more air concentrations of measured exposure were added. This was best described by an inverse 2nd order equation. The results suggest that the Bayesian tool is not adapted to predict low exposures. The Bayesian tool should be tested also with other datasets describing higher exposures. Low exposures to different chemical sensitizers and irritants should be further investigated to better understand the development of respiratory disorders in cleaning workers. Prevention measures should especially focus on incorrect use of cleaning products, to avoid high air concentrations at the exposure limits. - De récentes études montrent l'existence d'un lien entre l'exposition aux produits de nettoyages et les maladies respiratoires telles que l'asthme. En revanche, encore peu d'informations sont disponibles concernant la quantité d'exposition des professionnels du secteur du nettoyage aux composants organiques volatiles provenant des produits qu'ils utilisent. Pendant la première phase de cette étude, un recueil systématique des produits professionnels utilisés dans le secteur du nettoyage a été effectué. Les fiches de données de sécurité de ces produits ont ensuite été analysées, afin de répertorier les composés organiques volatiles les plus souvent utilisés. Il a été mis en évidence que les produits de nettoyage professionnels sont des mélanges complexes de composants chimiques (composants chimiques dans les produits de nettoyage : 3.5 ± 2.8). Ainsi, plus de 130 substances listées dans les fiches de données de sécurité ont été retrouvées dans les 105 produits répertoriés. Les principales classes de substances chimiques identifiées étaient les parfums, les éthers de glycol, les agents de surface et les solvants; dans une moindre mesure, les phosphates, les sels, les détergents, les régulateurs de pH, les acides et les bases ont été identifiés. Plus de 75% des produits répertoriés contenaient des substances décrites comme irritantes (Xi), 64% nuisibles (Xn) et 28% corrosives (C). Les risques pour les yeux (59%), la peau (50%) et par ingestion (60%) était les plus mentionnés. La monoéthanolamine, un fort irritant connu pour être impliqué dans les mécanismes de sensibilisation tels que les réactions allergiques, est fréquemment ajouté aux produits de nettoyage. L'analyse de la monoéthanolamine dans l'air a été habituellement difficile et les échantillons d'air ainsi que les méthodes d'analyse déjà disponibles étaient peu adaptées à l'évaluation de la concentration individuelle d'air aux postes de travail. Une nouvelle méthode plus efficace a donc été développée en captant les échantillons d'air sur des filtres de fibre de verre imprégnés, suivi par une étape de désorption, puis une Chromatographie des gaz et enfin une détection sélective des composants d'azote. Une évaluation de l'exposition des professionnels a été réalisée dans le secteur du nettoyage afin de déterminer la concentration atmosphérique en monoéthanolamine, en éthers de glycol et en alcool benzylique au cours des différentes tâches de nettoyage effectuées par les professionnels du nettoyage dans différentes entreprises, ainsi que pour déterminer les concentrations atmosphériques de fond en formaldéhyde, un polluant de l'air intérieur bien connu. L'étude de l'exposition professionnelle a été effectuée dans 12 compagnies de nettoyage et les échantillons d'air individuels ont été collectés pour l'éthanolamine (n=68), les éthers de glycol (n=79), l'alcool benzylique (n=15) et le formaldéhyde (n=45). Toutes les substances mesurées dans l'air, excepté le 2-butoxyéthanol, étaient en-dessous (<1/10) de la valeur moyenne d'exposition aux postes de travail en Suisse (8 heures), excepté pour le butoxypropanol et l'alcool benzylique, pour lesquels aucune valeur limite d'exposition n'était disponible. Bien que détecté qu'une seule fois, les concentrations d'air de 2-butoxyéthanol (n=4) étaient élevées (49,5 mg/m3 à 58,7 mg/m3), se situant au-dessus de la frontière des valeurs limites d'exposition aux postes de travail en Suisse (49 mg/m3). Les concentrations d'air de fond n'ont montré aucune présence de monoéthanolamine, alors que les éthers de glycol étaient souvent présents et les formaldéhydes quasiment toujours détectés. L'exposition des professionnels a été influencée par la quantité de monoéthanolamine présente dans les produits de nettoyage utilisés, par la ventilation extérieure et par l'emploie de sprays. Durant la dernière phase de l'étude, les informations collectées ont été utilisées pour tester un outil de modélisation de l'exposition déjà existant, l'outil de Bayesian. L'estimation de l'exposition de cet outil convergeait avec l'exposition mesurée. Cela a été le mieux décrit par une équation du second degré inversée. Les résultats suggèrent que l'outil de Bayesian n'est pas adapté pour mettre en évidence les taux d'expositions faibles. Cet outil devrait également être testé avec d'autres ensembles de données décrivant des taux d'expositions plus élevés. L'exposition répétée à des substances chimiques ayant des propriétés irritatives et sensibilisantes devrait être investiguée d'avantage, afin de mieux comprendre l'apparition de maladies respiratoires chez les professionnels du nettoyage. Des mesures de prévention devraient tout particulièrement être orientées sur l'utilisation correcte des produits de nettoyage, afin d'éviter les concentrations d'air élevées se situant à la valeur limite d'exposition acceptée.

Estudi de l'estat de Salut autopercebut: Modelització de l'índex d'utilitat EQ-5D mitjançant un model tobit

Objective: Health status measures usually have an asymmetric distribution and present a highpercentage of respondents with the best possible score (ceiling effect), specially when they areassessed in the overall population. Different methods to model this type of variables have beenproposed that take into account the ceiling effect: the tobit models, the Censored Least AbsoluteDeviations (CLAD) models or the two-part models, among others. The objective of this workwas to describe the tobit model, and compare it with the Ordinary Least Squares (OLS) model,that ignores the ceiling effect.Methods: Two different data sets have been used in order to compare both models: a) real datacomming from the European Study of Mental Disorders (ESEMeD), in order to model theEQ5D index, one of the measures of utilities most commonly used for the evaluation of healthstatus; and b) data obtained from simulation. Cross-validation was used to compare thepredicted values of the tobit model and the OLS models. The following estimators werecompared: the percentage of absolute error (R1), the percentage of squared error (R2), the MeanSquared Error (MSE) and the Mean Absolute Prediction Error (MAPE). Different datasets werecreated for different values of the error variance and different percentages of individuals withceiling effect. The estimations of the coefficients, the percentage of explained variance and theplots of residuals versus predicted values obtained under each model were compared.Results: With regard to the results of the ESEMeD study, the predicted values obtained with theOLS model and those obtained with the tobit models were very similar. The regressioncoefficients of the linear model were consistently smaller than those from the tobit model. In thesimulation study, we observed that when the error variance was small (s=1), the tobit modelpresented unbiased estimations of the coefficients and accurate predicted values, specially whenthe percentage of individuals wiht the highest possible score was small. However, when theerrror variance was greater (s=10 or s=20), the percentage of explained variance for the tobitmodel and the predicted values were more similar to those obtained with an OLS model.Conclusions: The proportion of variability accounted for the models and the percentage ofindividuals with the highest possible score have an important effect in the performance of thetobit model in comparison with the linear model.

Cheminformatic studies of molecular properties and their influence on bioactivity in the context of drug discovery

Molecular shape has long been known to be an important property for the process of molecular recognition. Previous studies postulated the existence of a drug-like shape space that could be used to artificially bias the composition of screening libraries, with the aim to increase the chance of success in Hit Identification. In this work, it was analysed to which extend this assumption holds true. Normalized Principal Moments of Inertia Ratios (NPRs) have been used to describe the molecular shape of small molecules. It was investigated, whether active molecules of diverse targets are located in preferred subspaces of the NPR shape space. Results illustrated a significantly stronger clustering than could be expected by chance, with parts of the space unlikely to be occupied by active compounds. Furthermore, a strong enrichment of elongated, rather flat shapes could be observed, while globular compounds were highly underrepresented. This was confirmed for a wide range of small molecule datasets from different origins. Active compounds exhibited a high overlap in their shape distributions across different targets, making a purely shape­ based discrimination very difficult. An additional perspective was provided by comparing the shapes of protein binding pockets with those of their respective ligands. Although more globular than their ligands, it was observed that binding sites shapes exhibited a similarly skewed distribution in shape space: spherical shapes were highly underrepresented. This was different for unoccupied binding pockets of smaller size. These were on the contrary identified to possess a more globular shape. The relation between shape complementarity and exhibited bioactivity was analysed; a moderate correlation between bioactivity and parameters including pocket coverage, distance in shape space, and others could be identified, which reflects the importance of shape complementarity. However, this also suggests that other aspects are of relevance for molecular recognition. A subsequent analysis assessed if and how shape and volume information retrieved from pocket or respective reference ligands could be used as a pre-filter in a virtual screening approach. ln Lead Optimization compounds need to get optimized with respect to a variety of pararneters. Here, the availability of past success stories is very valuable, as they can guide medicinal chemists during their analogue synthesis plans. However, although of tremendous interest for the public domain, so far only large corporations had the ability to mine historical knowledge in their proprietary databases. With the aim to provide such information, the SwissBioisostere database was developed and released during this thesis. This database contains information on 21,293,355 performed substructural exchanges, corresponding to 5,586,462 unique replacements that have been measured in 35,039 assays against 1,948 molecular targets representing 30 target classes, and on their impact on bioactivity . A user-friendly interface was developed that provides facile access to these data and is accessible at http//www.swissbioisostere.ch. The ChEMBL database was used as primary data source of bioactivity information. Matched molecular pairs have been identified in the extracted and cleaned data. Success-based scores were developed and integrated into the database to allow re-ranking of proposed replacements by their past outcomes. It was analysed to which degree these scores correlate with chemical similarity of the underlying fragments. An unexpectedly weak relationship was detected and further investigated. Use cases of this database were envisioned, and functionalities implemented accordingly: replacement outcomes are aggregatable at the assay level, and it was shawn that an aggregation at the target or target class level could also be performed, but should be accompanied by a careful case-by-case assessment. It was furthermore observed that replacement success depends on the activity of the starting compound A within a matched molecular pair A-B. With increasing potency the probability to lose bioactivity through any substructural exchange was significantly higher than in low affine binders. A potential existence of a publication bias could be refuted. Furthermore, often performed medicinal chemistry strategies for structure-activity-relationship exploration were analysed using the acquired data. Finally, data originating from pharmaceutical companies were compared with those reported in the literature. It could be seen that industrial medicinal chemistry can access replacement information not available in the public domain. In contrast, a large amount of often-performed replacements within companies could also be identified in literature data. Preferences for particular replacements differed between these two sources. The value of combining different endpoints in an evaluation of molecular replacements was investigated. The performed studies highlighted furthermore that there seem to exist no universal substructural replacement that always retains bioactivity irrespective of the biological environment. A generalization of bioisosteric replacements seems therefore not possible. - La forme tridimensionnelle des molécules a depuis longtemps été reconnue comme une propriété importante pour le processus de reconnaissance moléculaire. Des études antérieures ont postulé que les médicaments occupent préférentiellement un sous-ensemble de l'espace des formes des molécules. Ce sous-ensemble pourrait être utilisé pour biaiser la composition de chimiothèques à cribler, dans le but d'augmenter les chances d'identifier des Hits. L'analyse et la validation de cette assertion fait l'objet de cette première partie. Les Ratios de Moments Principaux d'Inertie Normalisés (RPN) ont été utilisés pour décrire la forme tridimensionnelle de petites molécules de type médicament. Il a été étudié si les molécules actives sur des cibles différentes se co-localisaient dans des sous-espaces privilégiés de l'espace des formes. Les résultats montrent des regroupements de molécules incompatibles avec une répartition aléatoire, avec certaines parties de l'espace peu susceptibles d'être occupées par des composés actifs. Par ailleurs, un fort enrichissement en formes allongées et plutôt plates a pu être observé, tandis que les composés globulaires étaient fortement sous-représentés. Cela a été confirmé pour un large ensemble de compilations de molécules d'origines différentes. Les distributions de forme des molécules actives sur des cibles différentes se recoupent largement, rendant une discrimination fondée uniquement sur la forme très difficile. Une perspective supplémentaire a été ajoutée par la comparaison des formes des ligands avec celles de leurs sites de liaison (poches) dans leurs protéines respectives. Bien que plus globulaires que leurs ligands, il a été observé que les formes des poches présentent une distribution dans l'espace des formes avec le même type d'asymétrie que celle observée pour les ligands: les formes sphériques sont fortement sous­ représentées. Un résultat différent a été obtenu pour les poches de plus petite taille et cristallisées sans ligand: elles possédaient une forme plus globulaire. La relation entre complémentarité de forme et bioactivité a été également analysée; une corrélation modérée entre bioactivité et des paramètres tels que remplissage de poche, distance dans l'espace des formes, ainsi que d'autres, a pu être identifiée. Ceci reflète l'importance de la complémentarité des formes, mais aussi l'implication d'autres facteurs. Une analyse ultérieure a évalué si et comment la forme et le volume d'une poche ou de ses ligands de référence pouvaient être utilisés comme un pré-filtre dans une approche de criblage virtuel. Durant l'optimisation d'un Lead, de nombreux paramètres doivent être optimisés simultanément. Dans ce contexte, la disponibilité d'exemples d'optimisations réussies est précieuse, car ils peuvent orienter les chimistes médicinaux dans leurs plans de synthèse par analogie. Cependant, bien que d'un extrême intérêt pour les chercheurs dans le domaine public, seules les grandes sociétés pharmaceutiques avaient jusqu'à présent la capacité d'exploiter de telles connaissances au sein de leurs bases de données internes. Dans le but de remédier à cette limitation, la base de données SwissBioisostere a été élaborée et publiée dans le domaine public au cours de cette thèse. Cette base de données contient des informations sur 21 293 355 échanges sous-structuraux observés, correspondant à 5 586 462 remplacements uniques mesurés dans 35 039 tests contre 1948 cibles représentant 30 familles, ainsi que sur leur impact sur la bioactivité. Une interface a été développée pour permettre un accès facile à ces données, accessible à http:/ /www.swissbioisostere.ch. La base de données ChEMBL a été utilisée comme source de données de bioactivité. Une version modifiée de l'algorithme de Hussain et Rea a été implémentée pour identifier les Matched Molecular Pairs (MMP) dans les données préparées au préalable. Des scores de succès ont été développés et intégrés dans la base de données pour permettre un reclassement des remplacements proposés selon leurs résultats précédemment observés. La corrélation entre ces scores et la similarité chimique des fragments correspondants a été étudiée. Une corrélation plus faible qu'attendue a été détectée et analysée. Différents cas d'utilisation de cette base de données ont été envisagés, et les fonctionnalités correspondantes implémentées: l'agrégation des résultats de remplacement est effectuée au niveau de chaque test, et il a été montré qu'elle pourrait également être effectuée au niveau de la cible ou de la classe de cible, sous réserve d'une analyse au cas par cas. Il a en outre été constaté que le succès d'un remplacement dépend de l'activité du composé A au sein d'une paire A-B. Il a été montré que la probabilité de perdre la bioactivité à la suite d'un remplacement moléculaire quelconque est plus importante au sein des molécules les plus actives que chez les molécules de plus faible activité. L'existence potentielle d'un biais lié au processus de publication par articles a pu être réfutée. En outre, les stratégies fréquentes de chimie médicinale pour l'exploration des relations structure-activité ont été analysées à l'aide des données acquises. Enfin, les données provenant des compagnies pharmaceutiques ont été comparées à celles reportées dans la littérature. Il a pu être constaté que les chimistes médicinaux dans l'industrie peuvent accéder à des remplacements qui ne sont pas disponibles dans le domaine public. Par contre, un grand nombre de remplacements fréquemment observés dans les données de l'industrie ont également pu être identifiés dans les données de la littérature. Les préférences pour certains remplacements particuliers diffèrent entre ces deux sources. L'intérêt d'évaluer les remplacements moléculaires simultanément selon plusieurs paramètres (bioactivité et stabilité métabolique par ex.) a aussi été étudié. Les études réalisées ont souligné qu'il semble n'exister aucun remplacement sous-structural universel qui conserve toujours la bioactivité quel que soit le contexte biologique. Une généralisation des remplacements bioisostériques ne semble donc pas possible.

Large scale assessment of regulatory evolution and transcriptome complexity in mammals

AbstractIn addition to genetic changes affecting the function of gene products, changes in gene expression have been suggested to underlie many or even most of the phenotypic differences among mammals. However, detailed gene expression comparisons were, until recently, restricted to closely related species, owing to technological limitations. Thus, we took advantage of the latest technologies (RNA-Seq) to generate extensive qualitative and quantitative transcriptome data for a unique collection of somatic and germline tissues from representatives of all major mammalian lineages (placental mammals, marsupials and monotremes) and birds, the evolutionary outgroup.In the first major project of my thesis, we performed global comparative analyses of gene expression levels based on these data. Our analyses provided fundamental insights into the dynamics of transcriptome change during mammalian evolution (e.g., the rate of expression change across species, tissues and chromosomes) and allowed the exploration of the functional relevance and phenotypic implications of transcription changes at a genome-wide scale (e.g., we identified numerous potentially selectively driven expression switches).In a second project of my thesis, which was also based on the unique transcriptome data generated in the context of the first project we focused on the evolution of alternative splicing in mammals. Alternative splicing contributes to transcriptome complexity by generating several transcript isoforms from a single gene, which can, thus, perform various functions. To complete the global comparative analysis of gene expression changes, we explored patterns of alternative splicing evolution. This work uncovered several general and unexpected patterns of alternative splicing evolution (e.g., we found that alternative splicing evolves extremely rapidly) as well as a large number of conserved alternative isoforms that may be crucial for the functioning of mammalian organs.Finally, the third and final project of my PhD consisted in analyzing in detail the unique functional and evolutionary properties of the testis by exploring the extent of its transcriptome complexity. This organ was previously shown to evolve rapidly both at the phenotypic and molecular level, apparently because of the specific pressures that act on this organ and are associated with its reproductive function. Moreover, my analyses of the amniote tissue transcriptome data described above, revealed strikingly widespread transcriptional activity of both functional and nonfunctional genomic elements in the testis compared to the other organs. To elucidate the cellular source and mechanisms underlying this promiscuous transcription in the testis, we generated deep coverage RNA-Seq data for all major testis cell types as well as epigenetic data (DNA and histone methylation) using the mouse as model system. The integration of these complete dataset revealed that meiotic and especially post-meiotic germ cells are the major contributors to the widespread functional and nonfunctional transcriptome complexity of the testis, and that this "promiscuous" spermatogenic transcription is resulting, at least partially, from an overall transcriptionally permissive chromatin state. We hypothesize that this particular open state of the chromatin results from the extensive chromatin remodeling that occurs during spermatogenesis which ultimately leads to the replacement of histones by protamines in the mature spermatozoa. Our results have important functional and evolutionary implications (e.g., regarding new gene birth and testicular gene expression evolution).Generally, these three large-scale projects of my thesis provide complete and massive datasets that constitute valuables resources for further functional and evolutionary analyses of mammalian genomes.

Resting-brain functional connectivity predicted by analytic measures of network communication.

The complex relationship between structural and functional connectivity, as measured by noninvasive imaging of the human brain, poses many unresolved challenges and open questions. Here, we apply analytic measures of network communication to the structural connectivity of the human brain and explore the capacity of these measures to predict resting-state functional connectivity across three independently acquired datasets. We focus on the layout of shortest paths across the network and on two communication measures-search information and path transitivity-which account for how these paths are embedded in the rest of the network. Search information is an existing measure of information needed to access or trace shortest paths; we introduce path transitivity to measure the density of local detours along the shortest path. We find that both search information and path transitivity predict the strength of functional connectivity among both connected and unconnected node pairs. They do so at levels that match or significantly exceed path length measures, Euclidean distance, as well as computational models of neural dynamics. This capacity suggests that dynamic couplings due to interactions among neural elements in brain networks are substantially influenced by the broader network context adjacent to the shortest communication pathways.

Do habitat suitability models reliably predict the recovery areas of threatened species?

1. Identifying those areas suitable for recolonization by threatened species is essential to support efficient conservation policies. Habitat suitability models (HSM) predict species' potential distributions, but the quality of their predictions should be carefully assessed when the species-environment equilibrium assumption is violated.2. We studied the Eurasian otter Lutra lutra, whose numbers are recovering in southern Italy. To produce widely applicable results, we chose standard HSM procedures and looked for the models' capacities in predicting the suitability of a recolonization area. We used two fieldwork datasets: presence-only data, used in the Ecological Niche Factor Analyses (ENFA), and presence-absence data, used in a Generalized Linear Model (GLM). In addition to cross-validation, we independently evaluated the models with data from a recolonization event, providing presences on a previously unoccupied river.3. Three of the models successfully predicted the suitability of the recolonization area, but the GLM built with data before the recolonization disagreed with these predictions, missing the recolonized river's suitability and badly describing the otter's niche. Our results highlighted three points of relevance to modelling practices: (1) absences may prevent the models from correctly identifying areas suitable for a species spread; (2) the selection of variables may lead to randomness in the predictions; and (3) the Area Under Curve (AUC), a commonly used validation index, was not well suited to the evaluation of model quality, whereas the Boyce Index (CBI), based on presence data only, better highlighted the models' fit to the recolonization observations.4. For species with unstable spatial distributions, presence-only models may work better than presence-absence methods in making reliable predictions of suitable areas for expansion. An iterative modelling process, using new occurrences from each step of the species spread, may also help in progressively reducing errors.5. Synthesis and applications. Conservation plans depend on reliable models of the species' suitable habitats. In non-equilibrium situations, such as the case for threatened or invasive species, models could be affected negatively by the inclusion of absence data when predicting the areas of potential expansion. Presence-only methods will here provide a better basis for productive conservation management practices.

Lifetime of an ocean island volcano feeder zone: constraints from U-Pb dating on coexisting zircon and baddeleyite, and 40Ar/39Ar age determinations, Fuerteventura, Canary Islands

High-precision isotope dilution - thermal ionization mass spectrometry (ID-TIMS) U-Pb zircon and baddeleyite ages from the PX1 vertically layered mafic intrusion Fuerteventura, Canary Islands, indicate initiation of magma crystallization at 22.10 +/- 0.07 Ma. The magmatic activity lasted a minimum of 0.52 Ma. Ar-40/Ar-39 amphibole dating yielded ages from 21.9 +/- 0.6 to 21.8 +/- 0.3, identical within errors to the U-Pb ages, despite the expected 1% theoretical bias between Ar-40/Ar-39 and U-Pb dates. This overlap could result from (i) rapid cooling of the intrusion (i. e., less than the 0.3 to 0.6 Ma 40Ar/39Ar age uncertainties) from closure temperatures (T-c) of zircon (699-988 degrees C) to amphibole (500-600 degrees C); (ii) lead loss affecting the youngest zircons; or (iii) excess argon shifting the plateau ages towards older values. The combination of the Ar-40/Ar-39 and U/Pb datasets implies that the maximum amount of time PX1 intrusion took to cool below amphibole T-c is 0.8 Ma, suggesting PX1 lifetime of 520 000 to 800 000 Ma. Age disparities among coexisting baddeleyite and zircon (22.10 +/- 0.07/0.08/0.15 Ma and 21.58 +/- 0.15/0.16/0.31 Ma) in a gabbro sample from the pluton margin suggest complex genetic relationships between phases. Baddeleyite is found preserved in plagioclase cores and crystallized early from low silica activity magma. Zircon crystallized later in a higher silica activity environment and is found in secondary scapolite and is found close to calcite veins, in secondary scapolite that recrystallised from plagioclase. close to calcite veins. Oxygen isotope delta O-18 values of altered plagioclase are high (+7.7), indicating interaction with fluids derived from host-rock carbonatites. The coexistence of baddeleyite and zircon is ascribed to interaction of the PX1 gabbro with CO2-rich carbonatite-derived fluids released during contact metamorphism.

An appropriate data set size for digital soil mapping in Erechim, Rio Grande do Sul, Brazil

Digital information generates the possibility of a high degree of redundancy in the data available for fitting predictive models used for Digital Soil Mapping (DSM). Among these models, the Decision Tree (DT) technique has been increasingly applied due to its capacity of dealing with large datasets. The purpose of this study was to evaluate the impact of the data volume used to generate the DT models on the quality of soil maps. An area of 889.33 km² was chosen in the Northern region of the State of Rio Grande do Sul. The soil-landscape relationship was obtained from reambulation of the studied area and the alignment of the units in the 1:50,000 scale topographic mapping. Six predictive covariates linked to the factors soil formation, relief and organisms, together with data sets of 1, 3, 5, 10, 15, 20 and 25 % of the total data volume, were used to generate the predictive DT models in the data mining program Waikato Environment for Knowledge Analysis (WEKA). In this study, sample densities below 5 % resulted in models with lower power of capturing the complexity of the spatial distribution of the soil in the study area. The relation between the data volume to be handled and the predictive capacity of the models was best for samples between 5 and 15 %. For the models based on these sample densities, the collected field data indicated an accuracy of predictive mapping close to 70 %.

Cardiovascular response to beta-adrenergic blockade or activation in 23 inbred mouse strains.

We report the characterisation of 27 cardiovascular-related traits in 23 inbred mouse strains. Mice were phenotyped either in response to chronic administration of a single dose of the beta-adrenergic receptor blocker atenolol or under a low and a high dose of the beta-agonist isoproterenol and compared to baseline condition. The robustness of our data is supported by high trait heritabilities (typically H(2)>0.7) and significant correlations of trait values measured in baseline condition with independent multistrain datasets of the Mouse Phenome Database. We then focused on the drug-, dose-, and strain-specific responses to beta-stimulation and beta-blockade of a selection of traits including heart rate, systolic blood pressure, cardiac weight indices, ECG parameters and body weight. Because of the wealth of data accumulated, we applied integrative analyses such as comprehensive bi-clustering to investigate the structure of the response across the different phenotypes, strains and experimental conditions. Information extracted from these analyses is discussed in terms of novelty and biological implications. For example, we observe that traits related to ventricular weight in most strains respond only to the high dose of isoproterenol, while heart rate and atrial weight are already affected by the low dose. Finally, we observe little concordance between strain similarity based on the phenotypes and genotypic relatedness computed from genomic SNP profiles. This indicates that cardiovascular phenotypes are unlikely to segregate according to global phylogeny, but rather be governed by smaller, local differences in the genetic architecture of the various strains.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Alkylpurine-DNA-N-glycosylase confers resistance to temozolomide in xenograft models of glioblastoma multiforme and is associated with poor survival in patients.

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and lethal of all gliomas. The current standard of care includes surgery followed by concomitant radiation and chemotherapy with the DNA alkylating agent temozolomide (TMZ). O⁶-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) repairs the most cytotoxic of lesions generated by TMZ, O⁶-methylguanine. Methylation of the MGMT promoter in GBM correlates with increased therapeutic sensitivity to alkylating agent therapy. However, several aspects of TMZ sensitivity are not explained by MGMT promoter methylation. Here, we investigated our hypothesis that the base excision repair enzyme alkylpurine-DNA-N-glycosylase (APNG), which repairs the cytotoxic lesions N³-methyladenine and N⁷-methylguanine, may contribute to TMZ resistance. Silencing of APNG in established and primary TMZ-resistant GBM cell lines endogenously expressing MGMT and APNG attenuated repair of TMZ-induced DNA damage and enhanced apoptosis. Reintroducing expression of APNG in TMZ-sensitive GBM lines conferred resistance to TMZ in vitro and in orthotopic xenograft mouse models. In addition, resistance was enhanced with coexpression of MGMT. Evaluation of APNG protein levels in several clinical datasets demonstrated that in patients, high nuclear APNG expression correlated with poorer overall survival compared with patients lacking APNG expression. Loss of APNG expression in a subset of patients was also associated with increased APNG promoter methylation. Collectively, our data demonstrate that APNG contributes to TMZ resistance in GBM and may be useful in the diagnosis and treatment of the disease.