Role of CYP2E1-mediated metabolism in the acute and vestibular toxicities of nineteen nitriles in the mouse

Allylnitrile, cis-crotononitrile, and 3,3 -iminodipropionitrile are known to cause vestibular toxicity in rodents, and evidence is available indicating that cis-2-pentenenitrile shares this effect. We evaluated nineteen nitriles for vestibular toxicity in wild type (129S1) and CYP2E1-null mice, including all the above, several neurotoxic nitriles, and structurally similar nitriles. A new acute toxicity test protocol was developed to facilitate evaluation of the vestibular toxicity by a specific behavioral test battery at doses up to sub-lethal levels while using a limited number of animals. A mean number of 8.5±0.3 animals per nitrile, strain and sex was necessary to obtain evidence of vestibular toxicity and optionally an estimation of the lethal dose. For several but not all nitriles, lethal doses significantly increased in CYP2E1-null mice. The protocol revealed the vestibular toxicity of five nitriles, including previously identified ototoxic compounds and one nitrile (trans-crotononitrile) known to have a different profile of neurotoxic effects in the rat. In all five cases, both sexes were affected and no decrease in susceptibility was apparent in CYP2E1-null mice respect to 129S1 mice. Fourteen nitriles caused no vestibular toxicity, including six nitriles tested in CYP2E1-null mice at doses significantly larger than the maximal doses that can be tested in wild type animals. We conclude that only a subset of low molecular weight nitriles is toxic to the vestibular system, that species-dependent differences exist in this vestibular toxicity, and that CYP2E1-mediated metabolism is not involved in this effect of nitriles although it has a role in the acute lethality of some of these compounds

The role of Notch receptor signaling in T helper 17 cell differentiation

Antigenic recognition by naive CD4+ T cells induces their proliferation and differentiation into functionally distinct T helper (Th) cell. Each CD4+ Th cell subset expresses specific transcription factors and produces signature cytokines that coordinate immune responses against encountered pathogens. Among the factors influencing CD4+ Th cell differentiation, Notch signaling pathway has been reported to play a role in the differentiation and function of multiple CD4+Thcell subsets. Notch signaling is an evolutionarily conserved cell-to-cell signaling cascade involved in many cell fate decision processes. How Notch signaling modulates the differentiation of CD4+ Th cell subsets and whether Notch signaling alone is sufficient or not for the differentiation of CD4+ Th cells is still a matter of debate. Th17 cells are a distinct subset of CD4+ Th cells. They play a role in the control of extracellular bacterial and fungal infections and may lead to inflammatory and autoimmune diseases if not properly regulated. Th17 cells are defined by the expression of RAR-related orphan receptor (ROR)a and RORyT transcription factors and their secretion of IL-17A, IL-17F cytokines. The involvement of Notch signaling in Th17 cell differentiation has mostly been studied in vitro. However, neither the experimental conditions when Notch signaling might be involved in Th17 cell differentiation in vitro and in vivo nor the precise role of Notch in this process remain clear. To better define how Notch signaling impacts Th17 differentiation, we used mice with T cell specific ablation of Notchl and Notch2 (N1 N2ACD4Cre) or of Notch transcriptional repressor RBP- JK (RBP-J ACD4Cre). We show that impaired Notch signaling in T cells, when TCR activating signal were reduced, increased RORyT and IL-17 mRNA levels during in vitro Th17 cell differentiation. Following immunization with OVA in CFA, an adjuvant that induces mostly Th17 cell response, increased IL-17A mRNA and intracellular IL-17A levels were observed in draining lymph nodes of Notch-deficient CD4+T cells. Our data suggest that Notch limited Th17 cell differentiation. Despite high levels of IL-17 mRNA and intracellular IL-17 proteins observed in Notch-deficient T cells, their release of Th17 cytokines ex vivo was markedly decreased, indicating a role for Notch signaling. During the second part of this thesis, we observed that the impact of Notch on Th17 cell differentiation and effector functions was context-dependent using different in vivo experimental models, in which Th17 cells and IL-17A were reported to contribute in the disease development. Collectively, our data reveal that Notch signaling controls the fine-tuning of Th17 cell differentiation and effector functions by limiting their differentiation but promoting selectively cytokine release through Notch-dependent mechanisms that still need to be defined. -- Lors d'une réponse immunitaire et grâce à la reconnaissance antigénique, les lymphocytes CD4+ T naïfs prolifèrent, puis se différencient en CD4+ T auxiliaires ("T helper" ou Th) fonctionnellement distincts. Chaque sous-population de lymphocytes CD4+ T auxiliaires exprime des facteurs de transcription et des cytokines spécifiques qui coordonnent la réponse immunitaire contre les pathogènes rencontrés. Parmi les facteurs influençant la différenciation des lymphocytes CD4+ T auxiliaires, la voie de signalisation Notch a été identifiée comme ayant un rôle dans la différenciation et la fonction des différents sous-types de cellules CD4+ T auxiliaires. La voie de signalisation Notch est une voie évolutivement conservée, qui est impliquée dans la signalisation entre les cellules et dans de nombreux processus de décisions cellulaires. La manière dont la voie de signalisation Notch régule la différenciation des lymphocytes CD4+ T en sous-types de cellules CD4+ auxiliaires, mais également la question de savoir si la voie de signalisation Notch est capable ou non d'induire la différenciation des cellules CD4+T auxiliaires, restent à débattre. Les cellules T auxiliaires 17 (Th17) sont un sous-type distinct de cellules CD4+T. Elles jouent un rôle important dans la défense immunitaire contre des pathogènes tels que les bactéries extracellulaires et les champignons. Une dérégulation de la réponse des cellules Th17 peut conduire à des inflammations mais également à des maladies auto-immunes. Les cellules Th17 sont définies par l'expression de leurs facteurs de transcription RAR-related orphan receptor (ROR)a, RORyT et par la sécrétion de cytokines comme IL-17A, IL-17F. Le rôle de la voie de signalisation Notch dans la différenciation des cellules Th17 a principalement été démontré in vitro. Malgré tout, ni les conditions expérimentales dans lesquelles cette voie pourrait être impliquée dans la différenciation des cellules Th17 in vitro et in vivo, mais également ni la fonction exacte de Notch dans ces processus, ne sont des questions résolues. Afin de mieux définir comment la voie de signalisation Notch est impliquée dans la différenciation des cellules Th17, nous avons utilisé des souris avec une déficience spécifique dans les cellules T des récepteurs Notchl et Notch2 (N1N2ACD4Cre) ou du répresseur transcriptionnel de Notch RBP-JK (RBP-J ACD4Cre). Nous avons montré que lorsque la voie de signalisation Notch est déficiente, les niveaux d'ARN messager (ARNm) de RORyT et de IL-17A sont augmentés dans les cellules Th17 pendant la différenciation in vitro, en présence de niveaux réduits des signaux activant les cellules T CD4+. Une augmentation dans les niveaux d'ARNm de IL-17A et de IL-17A intracellulaire au niveau protéinique a été observée dans les cellules T CD4+ Notch déficientes, au niveau des ganglions drainants après immunisation avec l'OVA dans le CFA, un adjuvant induisant une réponse des cellules Th17. Nos résultats suggèrent que Notch pourrait réguler négativement l'expression de IL-17A au niveau transcriptionnel mais également protéinique. Malgré une augmentation de IL-17A au niveau de l'ARNm et protéinique dans les cellules CD4+ T Notch déficientes, paradoxalement la sécrétion de IL-17A mais également de cytokines associées aux fonctions effectrices des cellules Th17 sont profondément diminuées 6X vivo, suggérant un rôle de la voie de signalisation Notch dans ce processus. Dans la deuxième partie de ce travail de thèse, nous avons observé que l'impact de Notch dans la différenciation des cellules Th17 et dans leurs fonctions effectrices était dépendant du contexte dans d'autres modèles expérimentaux in vivo, où les cellules Th17 et l'IL-17A ont été identifiées comme ar-.riCociêSM dans le développement ds la pathologie. En résumé, nous avons montré que la voie de la signalisation Notch contrôle la régulation précise de la différenciation des cellules Th17 en limitant leur différenciation, mais en promouvant sélectivement leur relâchement en cytokines associés aux cellules Th17 par l'intermédiaire de mécanismes dépendant de Notch, qui restent toujours à déterminer. -- Lors d'une réponse immunitaire et grâce à la reconnaissance antigénique, les lymphocytes CD4+ T naïfs prolifèrent, puis se différencient en CD4+ T auxiliaires ("T helper" ou Th) fonctionnellement distincts. Chaque sous-population de lymphocytes T auxiliaires exprime des facteurs de transcription et des cytokines spécifiques qui coordonnent une réponse immunitaire contre différents pathogènes. Les mécanismes liés à la différenciation des lymphocytes CD4+ T auxiliaires sont complexes et régulés. Une mauvaise régulation de la différenciation des lymphocytes CD4+ T auxiliaires peut conduire à des maladies auto-immunes, mais également à des processus inflammatoires. Parmi les facteurs influençant la différenciation des lymphocytes T auxiliaires, la voie de signalisation Notch a été identifiée comme ayant un rôle dans la différenciation et la fonction des différents sous-types de cellules CD4+ T auxiliaires. La voie de signalisation Notch est une voie évolutivement conservée, qui est impliquée dans la signalisation entre les cellules, mais également dans de nombreux processus de décisions cellulaires. Quelle est l'implication de la voie de signalisation Notch dans la différenciation des lymphocytes CD4+ en sous-types de cellules CD4+T auxiliaires et comment cette voie agit dans ce processus, sont des questions débattues. Les cellules T auxiliaires 17 (Th17) sont une sous-population distincte de lymphocytes CD4+. Elles jouent un rôle important dans la défense immunitaire contre les bactéries extracellulaires et les champignons. Une dérégulation de la réponse des cellules Th17 a été associée à des maladies auto-immunes et à l'inflammation. Les cellules Th17 sont définies par l'expression du facteur de transcription RAR-related orphan receptor (ROR)yT et des cytokines comme IL-17A, IL-17F. Le rôle de la voie de signalisation Notch dans la différenciation des cellules Th17 a été principalement démontré dans des études expérimentales in vitro. Malgré tout, les conditions expérimentales exactes dans lesquelles la voie de signalisation de Notch pourrait être impliquée dans la différenciation des cellules Th17, mais également le rôle de Notch dans ce processus ne sont pas encore clairement élucidés. Afin de mieux définir comment la voie de signalisation Notch est impliquée dans la différenciation des cellules Th17, nous avons utilisé des souris avec une déficience spécifique dans les cellules T des récepteurs Notchl et Notch2 (N1 N2ACD4Cre) ou du répresseur transcriptionnel de Notch RBP-JK (RBP-JACD4CRE). Nous avons montré que lorsque la voie de signalisation Notch est déficiente, les niveaux d'ARN messager (ARNm) de RORyT et de IL-17 sont augmentés dans les cellules Th17 pendant leur différenciation in vitro. Cet effet de Notch sur la transcription apparaît être facultatif lorsque les conditions environnementales sont en excès in vitro. Après immunisation avec un adjuvant qui induit principalement une réponse des cellules Th17, nous avons observé que les niveaux de ARNm de IL-17A et aussi de IL-17A intracellulaire au niveau protéinique étaient augmentés dans les ganglions drainants dans les cellules CD4+ Notch déficientes. Ces résultats suggèrent que Notch pourrait réguler négativement l'expression de IL- 17 au niveau transcriptionnel mais également protéinique. Malgré des niveaux plus élevés de IL- 17 ARNm et aussi IL-17A intracellulaire dans les cellules T Notch déficientes, le relâchement en cytokines Th17 est profondément diminué indiquant un rôle de la voie de signalisation Notch dans ces processus de sécrétion. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons observé que le rôle de Notch dans ia différenciation dss cellules Ti,17 et dans leurs fonctions effectrices était dépendant du contexte dans d'autres modèles expérimentaux, qui ont été rapportés comme une réponse induisant des cellules Th17. En résumé, nos données montrent que la voie de la signalisation Notch contrôle la régulation précise de la différenciation des cellules Th17 en limitant leur différenciation mais en promouvant sélectivement le relâchement en cytokines associées aux cellules Th17 par des mécanismes dépendant de Notch qui restent toujours à déterminer. Par conséquent, l'inhibition de la voie de signalisation Notch pourrait être utilisée dans des situations inflammatoires ou d'auto-immunité où la réponse des cellules Th17 est exacerbée.

GATA2 is required for lymphatic vessel valve development and maintenance.

Heterozygous germline mutations in the zinc finger transcription factor GATA2 have recently been shown to underlie a range of clinical phenotypes, including Emberger syndrome, a disorder characterized by lymphedema and predisposition to myelodysplastic syndrome/acute myeloid leukemia (MDS/AML). Despite well-defined roles in hematopoiesis, the functions of GATA2 in the lymphatic vasculature and the mechanisms by which GATA2 mutations result in lymphedema have not been characterized. Here, we have provided a molecular explanation for lymphedema predisposition in a subset of patients with germline GATA2 mutations. Specifically, we demonstrated that Emberger-associated GATA2 missense mutations result in complete loss of GATA2 function, with respect to the capacity to regulate the transcription of genes that are important for lymphatic vessel valve development. We identified a putative enhancer element upstream of the key lymphatic transcriptional regulator PROX1 that is bound by GATA2, and the transcription factors FOXC2 and NFATC1. Emberger GATA2 missense mutants had a profoundly reduced capacity to bind this element. Conditional Gata2 deletion in mice revealed that GATA2 is required for both development and maintenance of lymphovenous and lymphatic vessel valves. Together, our data unveil essential roles for GATA2 in the lymphatic vasculature and explain why a select catalogue of human GATA2 mutations results in lymphedema.

Impact on costs of a case management intervention for emergency department frequent users

Background: In most of the emergency departments (ED) in developed countries, a subset of patients visits the ED frequently. Despite their small numbers, these patients are the source of a disproportionally high number of all ED visits, and use a significant proportion of healthcare resources. They place a heavy economic burden on hospital and healthcare system budgets overall. In order to improve the management of these patients, the University hospital of Lausanne, Switzerland implemented a case management intervention (CM) between May 2012 and July 2013. In this randomized controlled trial, 250 frequent ED users (visits>5 during previous 12 months) were allocated to either the CM group or the standard ED care (SC) group and followed up for 12 months. The first result of the CM was to reduce significantly the ED visits. The present study examined whether the CM intervention also reduced the costs generated by the ED frequent users not only from the hospital perspective, but also from the healthcare system perspective. Methods: Cost data were obtained from the hospital's analytical accounting system and from health insurances. Multivariate linear models including a fixed effect "group" and socio-demographic characteristics and health-related variables were run.

Disentangling the formation of contrasting tree line physiognomies combining model selection and Bayesian parameterization for simulation models.

Alpine tree-line ecotones are characterized by marked changes at small spatial scales that may result in a variety of physiognomies. A set of alternative individual-based models was tested with data from four contrasting Pinus uncinata ecotones in the central Spanish Pyrenees to reveal the minimal subset of processes required for tree-line formation. A Bayesian approach combined with Markov chain Monte Carlo methods was employed to obtain the posterior distribution of model parameters, allowing the use of model selection procedures. The main features of real tree lines emerged only in models considering nonlinear responses in individual rates of growth or mortality with respect to the altitudinal gradient. Variation in tree-line physiognomy reflected mainly changes in the relative importance of these nonlinear responses, while other processes, such as dispersal limitation and facilitation, played a secondary role. Different nonlinear responses also determined the presence or absence of krummholz, in agreement with recent findings highlighting a different response of diffuse and abrupt or krummholz tree lines to climate change. The method presented here can be widely applied in individual-based simulation models and will turn model selection and evaluation in this type of models into a more transparent, effective, and efficient exercise.

Task-Driven Activity Reduces the Cortical Activity Space of the Brain: Experiment and Whole-Brain Modeling.

How a stimulus or a task alters the spontaneous dynamics of the brain remains a fundamental open question in neuroscience. One of the most robust hallmarks of task/stimulus-driven brain dynamics is the decrease of variability with respect to the spontaneous level, an effect seen across multiple experimental conditions and in brain signals observed at different spatiotemporal scales. Recently, it was observed that the trial-to-trial variability and temporal variance of functional magnetic resonance imaging (fMRI) signals decrease in the task-driven activity. Here we examined the dynamics of a large-scale model of the human cortex to provide a mechanistic understanding of these observations. The model allows computing the statistics of synaptic activity in the spontaneous condition and in putative tasks determined by external inputs to a given subset of brain regions. We demonstrated that external inputs decrease the variance, increase the covariances, and decrease the autocovariance of synaptic activity as a consequence of single node and large-scale network dynamics. Altogether, these changes in network statistics imply a reduction of entropy, meaning that the spontaneous synaptic activity outlines a larger multidimensional activity space than does the task-driven activity. We tested this model's prediction on fMRI signals from healthy humans acquired during rest and task conditions and found a significant decrease of entropy in the stimulus-driven activity. Altogether, our study proposes a mechanism for increasing the information capacity of brain networks by enlarging the volume of possible activity configurations at rest and reliably settling into a confined stimulus-driven state to allow better transmission of stimulus-related information.

Short-Term Heparin Kinetics during Catheter Ablation of Atrial Fibrillation.

BACKGROUND: Percutaneous catheter ablation of atrial fibrillation (CA-AF) is a treatment option for symptomatic drug-refractory atrial fibrillation (AF). CA-AF carries a risk for thromboembolic complications that has been minimized by the use of intraprocedural intravenous unfractionated heparin (UFH). The optimal administration of UFH as well as its kinetics are not well established and need to be precisely determined. METHODS AND RESULTS: A total 102 of consecutive patients suffering from symptomatic drug-refractory AF underwent CA-AF. The mean age was 61 ± 10 years old. After transseptal puncture of the fossa ovalis, weight-adjusted UFH bolus (100 U/kg) was infused. A significant increase in activated clotting time (ACT) was observed from an average value of 100 ± 27 seconds at baseline, to 355 ± 94 seconds at 10 min (T10), to 375 ± 90 seconds at 20 min (T20). Twenty-four patients failed to reach the targeted ACT value of ≥300 seconds at T10 and more than half of these remained with subtherapeutic ACT values at T20. This subset of patients showed similar clinical characteristics and amount of UFH but were more frequently prescribed preprocedural vitamin K1 than the rest of the study population. CONCLUSIONS: In a typical intervention setting, UFH displays unexpected slow anticoagulation kinetics in a significant proportion of procedures up to 20 minutes after infusion. These findings support the infusion of UFH before transseptal puncture or any left-sided catheterization with early ACT measurements to identify patients with delayed kinetics. They are in line with recent guidelines to perform CA-AF under therapeutic anticoagulation.

Multicontrast connectometry: A new tool to assess cerebellum alterations in early relapsing-remitting multiple sclerosis.

BACKGROUND: Cerebellar pathology occurs in late multiple sclerosis (MS) but little is known about cerebellar changes during early disease stages. In this study, we propose a new multicontrast "connectometry" approach to assess the structural and functional integrity of cerebellar networks and connectivity in early MS. METHODS: We used diffusion spectrum and resting-state functional MRI (rs-fMRI) to establish the structural and functional cerebellar connectomes in 28 early relapsing-remitting MS patients and 16 healthy controls (HC). We performed multicontrast "connectometry" by quantifying multiple MRI parameters along the structural tracts (generalized fractional anisotropy-GFA, T1/T2 relaxation times and magnetization transfer ratio) and functional connectivity measures. Subsequently, we assessed multivariate differences in local connections and network properties between MS and HC subjects; finally, we correlated detected alterations with lesion load, disease duration, and clinical scores. RESULTS: In MS patients, a subset of structural connections showed quantitative MRI changes suggesting loss of axonal microstructure and integrity (increased T1 and decreased GFA, P < 0.05). These alterations highly correlated with motor, memory and attention in patients, but were independent of cerebellar lesion load and disease duration. Neither network organization nor rs-fMRI abnormalities were observed at this early stage. CONCLUSION: Multicontrast cerebellar connectometry revealed subtle cerebellar alterations in MS patients, which were independent of conventional disease markers and highly correlated with patient function. Future work should assess the prognostic value of the observed damage. Hum Brain Mapp 36:1609-1619, 2015. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

Beurling-Landau densities of weighted Fekete sets and correlation kernel estimates

Let $Q$ be a suitable real function on $C$. An $n$-Fekete set corresponding to $Q$ is a subset ${Z_{n1}},\dotsb, Z_{nn}}$ of $C$ which maximizes the expression $\Pi^n_i_{

BRAF Alterations as Therapeutic Targets in Non-Small-Cell Lung Cancer.

BACKGROUND: Several subsets of non-small-cell lung cancer (NSCLC) are defined by molecular alterations acting as tumor drivers, some of them being currently therapeutically actionable. The rat sarcoma (RAS)-rapidly accelerated fibrosarcoma (RAF)-mitogen-activated protein/extracellular signal-regulated kinase kinase (MEK)-extracellular signal-regulated kinase (ERK) pathway constitutes an attractive potential target, as v-Raf murine sarcoma viral oncogene homolog B (BRAF) mutations occur in 2-4% of NSCLC adenocarcinoma. METHODS: Here, we review the latest clinical data on BRAF serine/threonine kinase inhibitors in NSCLC. RESULTS: Treatment of V600E BRAF-mutated NSCLC with BRAF inhibitor monotherapy demonstrated encouraging antitumor activity. Combination of BRAF and MEK inhibitors using dabrafenib and trametinib is under evaluation. Preliminary data suggest superior efficacy compared with BRAF inhibitor monotherapy. CONCLUSION: Targeting BRAF alterations represents a promising new therapeutic approach for a restricted subset of oncogene-addicted NSCLC. Prospect ive trials refining this strategy are ongoing. A next step will probably aim at combining BRAF inhibitors and immunotherapy or alternatively improve a multilevel mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway blockade by combining with ERK inhibitors.

Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

The role of MAR elements in DNA recombination

The untargeted integration of foreign DNA into the mammalian cell genome, extensively used in gene therapy and biotechnology, remains an incompletely understood process. It is believed to be based on cellular DNA double strand break (DSB) repair machinery and to involve two major steps: i) the formation of long gene arrays (concatemers), and ii) recombination of the resulting concatemer with the genome. The main DSB repair pathways in eukaryotes include non-homologous end-joining (NHEJ), homologous recombination (HR), and microhomology-mediated end-joining (MMEJ). However, it is still not clear, which of these pathways are responsible for transgene integration. Here, we show that NHEJ is not the primary pathway used by mammalian cells in the transgene integration process, while the components of the HR pathway seem to be important for genomic integration but not concatemerization. Instead, concatemer formation appears to be mediated by a subset of the MMEJ pathway, termed synthesis-dependent MMEJ (SD-MMEJ). This mechanism also seems to be preferentially used for plasmid integration into the genome, as confirmed by the analysis of plasmid-to-genome junction sequences, which were found to display an SD-MMEJ pattern. Therefore, we propose the existence of two distinct SD-MMEJ subpathways, relying on different subsets of enzymes. One of these mechanisms appears to be responsible for concatemerization, while the other mechanism, partially dependent in HR enzymes, seems to mediate recombination with the genome. Previous studies performed by our group suggested that matrix attachment regions (MARs), which are epigenetic regulatory DNA elements that participate in the formation of chromatin boundaries and augment transcription, may mediate increased plasmid integration into the genome of CHO cells by stimulating DNA recombination. In the present work, we demonstrate that MAR-mediated plasmid integration results from the enhanced SD-MMEJ pathway. Analysis of transgene integration loci and junction DNA sequences validated the prevalent use of this pathway by the MAR elements to target plasmid DNA into gene-rich areas of the CHO genome. We propose that this finding should in the future help to engineer cells for improved recombinant protein production. In addition to investigating the process of transgene integration, we designed recombination assays to better characterize the components of the MMEJ and SD-MMEJ pathways. We also used CHO cells expressing cycle-sensitive reporter genes to demonstrate a potential role of HR proteins in the cell cycle regulation.

Planarians as a model to assess in vivo the role of matrix metalloproteinase genes during homeostasis and regeneration

Matrix metalloproteinases (MMPs) are major executors of extracellular matrix remodeling and, consequently, play key roles in the response of cells to their microenvironment. The experimentally accessible stem cell population and the robust regenerative capabilities of planarians offer an ideal model to study how modulation of the proteolytic system in the extracellular environment affects cell behavior in vivo. Genome-wide identification of Schmidtea mediterranea MMPs reveals that planarians possess four mmp-like genes. Two of them (mmp1 and mmp2) are strongly expressed in a subset of secretory cells and encode putative matrilysins. The other genes (mt-mmpA and mt-mmpB) are widely expressed in postmitotic cells and appear structurally related to membrane-type MMPs. These genes are conserved in the planarian Dugesia japonica. Here we explore the role of the planarian mmp genes by RNA interference (RNAi) during tissue homeostasis and regeneration. Our analyses identify essential functions for two of them. Following inhibition of mmp1 planarians display dramatic disruption of tissues architecture and significant decrease in cell death. These results suggest that mmp1 controls tissue turnover, modulating survival of postmitotic cells. Unexpectedly, the ability to regenerate is unaffected by mmp1(RNAi). Silencing of mt-mmpA alters tissue integrity and delays blastema growth, without affecting proliferation of stem cells. Our data support the possibility that the activity of this protease modulates cell migration and regulates anoikis, with a consequent pivotal role in tissue homeostasis and regeneration. Our data provide evidence of the involvement of specific MMPs in tissue homeostasis and regeneration and demonstrate that the behavior of planarian stem cells is critically dependent on the microenvironment surrounding these cells. Studying MMPs function in the planarian model provides evidence on how individual proteases work in vivo in adult tissues. These results have high potential to generate significant information for development of regenerative and anti cancer therapies.

Occurrence of the "applause sign" in patients with amyotrophic lateral sclerosis.

The applause sign was originally described as a quick bedside test to discriminate progressive supranuclear palsy (PSP) (positive applause sign, PAS) from Parkinson's disease (PD) and frontotemporal dementia (FTD) (negative applause sign). However, recent research demonstrated that the test is positive not only in a subset of patients with PD and FTD, but also in other neurodegenerative diseases. We tested 22 patients with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) together with 22 healthy sex- and age-matched controls for the occurrence of PAS. Furthermore, we performed neuropsychological testing with the EXIT-25 battery to correlate PAS with neuropsychological deficits, especially frontal lobe dysfunction. Five ALS patients (23%) and none of the controls displayed PAS (p≤0.05). The occurrence of PAS in ALS patients was not correlated with pathologic EXIT-25 scores or subtests for aberrant motor behaviour. We describe for the first time the occurrence of the applause sign in ALS and provide additional evidence that PAS is not specific for Parkinsonian disorders. Although its occurrence has been related to aberrant motor behaviour due to frontal involvement, in our study PAS did not correlate with executive dysfunction as tested by the EXIT-25 test battery, or with subtests of aberrant motor behaviour.

Assessing the use of very high resolution data to predict species distribution in a mountain environment

Nowadays, Species Distribution Models (SDMs) are a widely used tool. Using different statistical approaches these models reconstruct the realized niche of a species using presence data and a set of variables, often topoclimatic. There utilization range is quite large from understanding single species requirements, to the creation of nature reserve based on species hotspots, or modeling of climate change impact, etc... Most of the time these models are using variables at a resolution of 50km x 50km or 1 km x 1 km. However in some cases these models are used with resolutions below the kilometer scale and thus called high resolution models (100 m x 100 m or 25 m x 25 m). Quite recently a new kind of data has emerged enabling precision up to lm x lm and thus allowing very high resolution modeling. However these new variables are very costly and need an important amount of time to be processed. This is especially the case when these variables are used in complex calculation like models projections over large areas. Moreover the importance of very high resolution data in SDMs has not been assessed yet and is not well understood. Some basic knowledge on what drive species presence-absences is still missing. Indeed, it is not clear whether in mountain areas like the Alps coarse topoclimatic gradients are driving species distributions or if fine scale temperature or topography are more important or if their importance can be neglected when balance to competition or stochasticity. In this thesis I investigated the importance of very high resolution data (2-5m) in species distribution models using either very high resolution topographic, climatic or edaphic variables over a 2000m elevation gradient in the Western Swiss Alps. I also investigated more local responses of these variables for a subset of species living in this area at two precise elvation belts. During this thesis I showed that high resolution data necessitates very good datasets (species and variables for the models) to produce satisfactory results. Indeed, in mountain areas, temperature is the most important factor driving species distribution and needs to be modeled at very fine resolution instead of being interpolated over large surface to produce satisfactory results. Despite the instinctive idea that topographic should be very important at high resolution, results are mitigated. However looking at the importance of variables over a large gradient buffers the importance of the variables. Indeed topographic factors have been shown to be highly important at the subalpine level but their importance decrease at lower elevations. Wether at the mountane level edaphic and land use factors are more important high resolution topographic data is more imporatant at the subalpine level. Finally the biggest improvement in the models happens when edaphic variables are added. Indeed, adding soil variables is of high importance and variables like pH are overpassing the usual topographic variables in SDMs in term of importance in the models. To conclude high resolution is very important in modeling but necessitate very good datasets. Only increasing the resolution of the usual topoclimatic predictors is not sufficient and the use of edaphic predictors has been highlighted as fundamental to produce significantly better models. This is of primary importance, especially if these models are used to reconstruct communities or as basis for biodiversity assessments. -- Ces dernières années, l'utilisation des modèles de distribution d'espèces (SDMs) a continuellement augmenté. Ces modèles utilisent différents outils statistiques afin de reconstruire la niche réalisée d'une espèce à l'aide de variables, notamment climatiques ou topographiques, et de données de présence récoltées sur le terrain. Leur utilisation couvre de nombreux domaines allant de l'étude de l'écologie d'une espèce à la reconstruction de communautés ou à l'impact du réchauffement climatique. La plupart du temps, ces modèles utilisent des occur-rences issues des bases de données mondiales à une résolution plutôt large (1 km ou même 50 km). Certaines bases de données permettent cependant de travailler à haute résolution, par conséquent de descendre en dessous de l'échelle du kilomètre et de travailler avec des résolutions de 100 m x 100 m ou de 25 m x 25 m. Récemment, une nouvelle génération de données à très haute résolution est apparue et permet de travailler à l'échelle du mètre. Les variables qui peuvent être générées sur la base de ces nouvelles données sont cependant très coûteuses et nécessitent un temps conséquent quant à leur traitement. En effet, tout calcul statistique complexe, comme des projections de distribution d'espèces sur de larges surfaces, demande des calculateurs puissants et beaucoup de temps. De plus, les facteurs régissant la distribution des espèces à fine échelle sont encore mal connus et l'importance de variables à haute résolution comme la microtopographie ou la température dans les modèles n'est pas certaine. D'autres facteurs comme la compétition ou la stochasticité naturelle pourraient avoir une influence toute aussi forte. C'est dans ce contexte que se situe mon travail de thèse. J'ai cherché à comprendre l'importance de la haute résolution dans les modèles de distribution d'espèces, que ce soit pour la température, la microtopographie ou les variables édaphiques le long d'un important gradient d'altitude dans les Préalpes vaudoises. J'ai également cherché à comprendre l'impact local de certaines variables potentiellement négligées en raison d'effets confondants le long du gradient altitudinal. Durant cette thèse, j'ai pu monter que les variables à haute résolution, qu'elles soient liées à la température ou à la microtopographie, ne permettent qu'une amélioration substantielle des modèles. Afin de distinguer une amélioration conséquente, il est nécessaire de travailler avec des jeux de données plus importants, tant au niveau des espèces que des variables utilisées. Par exemple, les couches climatiques habituellement interpolées doivent être remplacées par des couches de température modélisées à haute résolution sur la base de données de terrain. Le fait de travailler le long d'un gradient de température de 2000m rend naturellement la température très importante au niveau des modèles. L'importance de la microtopographie est négligeable par rapport à la topographie à une résolution de 25m. Cependant, lorsque l'on regarde à une échelle plus locale, la haute résolution est une variable extrêmement importante dans le milieu subalpin. À l'étage montagnard par contre, les variables liées aux sols et à l'utilisation du sol sont très importantes. Finalement, les modèles de distribution d'espèces ont été particulièrement améliorés par l'addition de variables édaphiques, principalement le pH, dont l'importance supplante ou égale les variables topographique lors de leur ajout aux modèles de distribution d'espèces habituels.