Towards the validation of "in silico" models and physicochemical filters to identify and characterize new chemical entities

Summary: Lipophilicity plays an important role in the determination and the comprehension of the pharmacokinetic behavior of drugs. It is usually expressed by the partition coefficient (log P) in the n-octanol/water system. The use of an additional solvent system (1,2-dichlorethane/water) is necessary to obtain complementary information, as the log Poct values alone are not sufficient to explain ail biological properties. The aim of this thesis is to develop tools allowing to predict lipophilicity of new drugs and to analyze the information yielded by those log P values. Part I presents the development of theoretical models used to predict lipophilicity. Chapter 2 shows the necessity to extend the existing solvatochromic analyses in order to predict correctly the lipophilicity of new and complex neutral compounds. In Chapter 3, solvatochromic analyses are used to develop a model for the prediction of the lipophilicity of ions. A global model was obtained allowing to estimate the lipophilicity of neutral, anionic and cationic solutes. Part II presents the detailed study of two physicochemical filters. Chapter 4 shows that the Discovery RP Amide C16 stationary phase allows to estimate lipophilicity of the neutral form of basic and acidic solutes, except of lipophilic acidic solutes. Those solutes present additional interactions with this particular stationary phase. In Chapter 5, 4 different IANI stationary phases are investigated. For neutral solutes, linear data are obtained whatever the IANI column used. For the ionized solutes, their retention is due to a balance of electrostatic and hydrophobie interactions. Thus no discrimination is observed between different series of solutes bearing the same charge, from one column to an other. Part III presents two examples illustrating the information obtained thanks to Structure-Properties Relationships (SPR). Comparing graphically lipophilicity values obtained in two different solvent systems allows to reveal the presence of intramolecular effects .such as internai H-bond (Chapter 6). SPR is used to study the partitioning of ionizable groups encountered in Medicinal Chemistry (Chapter7). Résumé La lipophilie joue un .rôle important dans la détermination et la compréhension du comportement pharmacocinétique des médicaments. Elle est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) d'un composé dans le système de solvants n-octanol/eau. L'utilisation d'un deuxième système de solvants (1,2-dichloroéthane/eau) s'est avérée nécessaire afin d'obtenir des informations complémentaires, les valeurs de log Poct seules n'étant pas suffisantes pour expliquer toutes les propriétés biologiques. Le but de cette thèse est de développer des outils permettant de prédire la lipophilie de nouveaux candidats médicaments et d'analyser l'information fournie par les valeurs de log P. La Partie I présente le développement de modèles théoriques utilisés pour prédire la lipophilie. Le chapitre 2 montre la nécessité de mettre à jour les analyses solvatochromiques existantes mais inadaptées à la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés neutres. Dans le chapitre 3, la même méthodologie des analyses solvatochromiques est utilisée pour développer un modèle permettant de prédire la lipophilie des ions. Le modèle global obtenu permet la prédiction de la lipophilie de composés neutres, anioniques et cationiques. La Partie II présente l'étude approfondie de deux filtres physicochimiques. Le Chapitre 4 montre que la phase stationnaire Discovery RP Amide C16 permet la détermination de la lipophilie de la forme neutre de composés basiques et acides, à l'exception des acides très lipophiles. Ces derniers présentent des interactions supplémentaires avec cette phase stationnaire. Dans le Chapitre 5, 4 phases stationnaires IAM sont étudiées. Pour les composés neutres étudiés, des valeurs de rétention linéaires sont obtenues, quelque que soit la colonne IAM utilisée. Pour les composés ionisables, leur rétention est due à une balance entre des interactions électrostatiques et hydrophobes. Donc aucune discrimination n'est observée entre les différentes séries de composés portant la même charge d'une colonne à l'autre. La Partie III présente deux exemples illustrant les informations obtenues par l'utilisation des relations structures-propriétés. Comparer graphiquement la lipophilie mesurée dans deux différents systèmes de solvants permet de mettre en évidence la présence d'effets intramoléculaires tels que les liaisons hydrogène intramoléculaires (Chapitre 6). Cette approche des relations structures-propriétés est aussi appliquée à l'étude du partage de fonctions ionisables rencontrées en Chimie Thérapeutique (Chapitre 7) Résumé large public Pour exercer son effet thérapeutique, un médicament doit atteindre son site d'action en quantité suffisante. La quantité effective de médicament atteignant le site d'action dépend du nombre d'interactions entre le médicament et de nombreux constituants de l'organisme comme, par exemple, les enzymes du métabolisme ou les membranes biologiques. Le passage du médicament à travers ces membranes, appelé perméation, est un paramètre important à optimiser pour développer des médicaments plus puissants. La lipophilie joue un rôle clé dans la compréhension de la perméation passive des médicaments. La lipophilie est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) dans le système de solvants (non miscibles) n-octanol/eau. Les valeurs de log Poct seules se sont avérées insuffisantes pour expliquer la perméation à travers toutes les différentes membranes biologiques du corps humain. L'utilisation d'un système de solvants additionnel (le système 1,2-dichloroéthane/eau) a permis d'obtenir les informations complémentaires indispensables à une bonne compréhension du processus de perméation. Un grand nombre d'outils expérimentaux et théoriques sont à disposition pour étudier la lipophilie. Ce travail de thèse se focalise principalement sur le développement ou l'amélioration de certains de ces outils pour permettre leur application à un champ plus large de composés. Voici une brève description de deux de ces outils: 1)La factorisation de la lipophilie en fonction de certaines propriétés structurelles (telle que le volume) propres aux composés permet de développer des modèles théoriques utilisables pour la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés ou médicaments. Cette approche est appliquée à l'analyse de la lipophilie de composés neutres ainsi qu'à la lipophilie de composés chargés. 2)La chromatographie liquide à haute pression sur phase inverse (RP-HPLC) est une méthode couramment utilisée pour la détermination expérimentale des valeurs de log Poct.

Genetic survey of "spinturnix sp" (Acari, Mesostigmata) and their bat hosts in Western Palearctic

SUMMARY : The coevolution between two intimately associated organisms, like host and parasite, is a widely investigated theme in evolutionary biology. Recently, the use of genetic data in the study of host-parasite systems evidences that the genetic information from some parasites can complement genetic data from their hosts and thus may help to better understand their host's evolutionary history. Phylogenetic and population genetic aspects of bat parasites have been poorly investigated. Spinturnicid mites are highly specialized ectoparasites, exclusively associated with bats and therefore represent an ideal model to extant our knowledge on bat and parasite biology and on their coevolutionary history. In this thesis, I developed several molecular markers (mitochondrial DNA) to compare the genetic patterns of Spinturnix mites with their bat hosts at different levels. The molecular co-phylogeny between Spinturnix sp. and their bat hosts suggests a partial cospeciation and the occurrence of failure to speciate events and multiple host switches. Thus, Spinturnix mites do not exactly mirror the phylogenetic pattern of their hosts, despite their intimate association. Similar roosting habits of the hosts seem to promote host switches between different species, as far as ecological conditions are favourable. The phylogeographic study of the Maghrebian bat M. punicus in the Mediterranean area confirms the presence of M. punicus in North Africa, Corsica and Sardinia and highlights that islands and mainland are genetically highly divergent. The comparison between the parasitic mite S. myoti and the Maghrebian bat suggests that the phylogeographic pattern of the mite is moulded by its host, with open water as main barrier for host and parasite dispersal. Moreover, the unique presence of a European S. myoti lineage on M. punicus from Corsica strongly suggests the former presence of mouse-eared bats (M. myotis and/or M. blythii) in Corsica. By highlighting the probable presence of a nowadays locally extinct host species, S. myoti may represent a good proxy for inferring complex evolutionary history of bat hosts. Finally, population genetic surveys of S. myoti and S. bechsteinii suggest that these mites benefit from close contacts between individuals during the mating season and/or hibernation to disperse among remote colonies. The contrasted genetic patterns of these two distinct bat-mite systems evidence that bat social structure is a determinant factor of the genetic structure of mite populations. Altogether, this PhD thesis demonstrates the usefulness of parasites to gather information about their bat hosts. In addition, my results illustrate how different ecological and biological characteristics of bat species allow the emergence of a surprising diversity in the genetic patterns of the parasites, which may contribute to the diversification and speciation of parasites. RESUME : La co-évolution entre deux organismes intimement liés, comme un parasite et son hôte, fait partie des questions largement étudiées en biologie évolutive. Récemment, l'utilisation de données génétique dans l'étude des interactions hôte-parasite a montré que l'information génétique de certains parasites peut compléter les données génétiques de l'hôte et ainsi peut éclairer l'histoire évolutive de leur hôte. Très peu études ont étudié les interactions entre les chauves-souris et leurs parasites d'un point de vue moléculaire. Les acariens du genre Spinturnix sont des ectoparasites très spécialisés exclusivement associés aux chauves-souris. Ils représentent donc un model idéal pour élargir nos connaissances tant sur l'écologie des parasites de chauves-souris que sur leur coévolution. Durant cette thèse, plusieurs marqueurs moléculaires (ADN mitochondrial) ont été développés pour ainsi comparer la distribution de la variation génétique des parasites du genre Spinturnix avec celle de leurs hôtes, et ceci à différents niveaux. Tout d'abord, la co-phylogénie moléculaire entre les espèces de Spinturnix et les leurs hôtes révèle une co-spéciation partielle ainsi que la présence d'événement de non spéciation et de transferts horizontaux. Ces parasites ne reflètent donc pas entièrement l'histoire évolutive de leurs hôtes, malgré leurs intimes associations. La cohabitation de plusieurs espèces de chauves-souris dans un même gîte permet aux parasites un transfert entre différentes espèces, atténuant ainsi leur degré de co-spéciation. Deuxièmement, l'étude phylogéographique du marin du Maghreb dans le bassin Méditerranéen confirme sa présence en Afrique du Nord, en Corse et en Sardaigne. La comparaison avec un de ses parasites S. myoti suggère que la répartition génétique de S. myoti est façonnée par celle de leurs hôtes, avec les étendues d'eau comme barrière principale tant à la dispersion de l'hôte que de son parasite. De plus, la présence unique d'une lignée européenne de ces parasites sur des marins du Maghreb de Corse suggère fortement la présence du grand ou petit marin en Corse dans le passé. En reflétant la présence potentielle à un endroit donné d'une espèce de chauve-souris actuellement disparue, S. myoti peut représenter une bonne alternative pour comprendre l'histoire évolutive complexe des chauves-souris. Finalement, l'étude des structures génétiques des populations des parasites S. myoti et S. bechsteinii suggère que les contacts corporels entre chauves-souris durant la saison de reproduction ou l'hibernation peuvent permettre la dispersion des parasites entre des colonies éloignées géographiquement. La différence de structure génétique entre ces deux associations particulières montre que la structure génétique des populations de parasites dépend fortement des traits d'histoire de vie de son hôte. Dans l'ensemble, cette thèse démontre l'importance des parasites pour amener des informations sur leurs hôtes, les chauves-souris. Elle illustre aussi comment les différences écologique et biologique des différentes espèces de chauves-souris peuvent amener une étonnante diversité de structure génétique au sein de populations de parasites, ce qui peut peut-être contribuer à la diversification et à la spéciation des parasites.

Long-term effects of cannabis on brain structure.

The dose-dependent toxicity of the main psychoactive component of cannabis in brain regions rich in cannabinoid CB1 receptors is well known in animal studies. However, research in humans does not show common findings across studies regarding the brain regions that are affected after long-term exposure to cannabis. In the present study, we investigate (using Voxel-based Morphometry) gray matter changes in a group of regular cannabis smokers in comparison with a group of occasional smokers matched by the years of cannabis use. We provide evidence that regular cannabis use is associated with gray matter volume reduction in the medial temporal cortex, temporal pole, parahippocampal gyrus, insula, and orbitofrontal cortex; these regions are rich in cannabinoid CB1 receptors and functionally associated with motivational, emotional, and affective processing. Furthermore, these changes correlate with the frequency of cannabis use in the 3 months before inclusion in the study. The age of onset of drug use also influences the magnitude of these changes. Significant gray matter volume reduction could result either from heavy consumption unrelated to the age of onset or instead from recreational cannabis use initiated at an adolescent age. In contrast, the larger gray matter volume detected in the cerebellum of regular smokers without any correlation with the monthly consumption of cannabis may be related to developmental (ontogenic) processes that occur in adolescence.

Subtelomeric structure of Plasmodium falciparum chromosomes

Previous studies of subtelomeric regions in Plasmodium berghei led to the identification of subtelomeric repeats (2.3kb long) present in a variable number at many chromosomal ends. Both loss and increase in 2.3kb-repeat copy number are involved in chromosome-size polymorphisms. Subtelomeric losses leading to chromosome-size polymorphisms have been described by several authors in P.falciparum where the structure of subtelomeric regions is not known in detail. We therefore undertook their characterisation, by means of chromosome walking and jumping techniques, starting from the telomere-flanking sequence present in pPftel.1, the P.falciparum telomeric clone described by Vernick and McCutchan (1988). The results indicate that at least 20 (out of 28) chromosomal ends in P.falciparum 3D7 chromosomes share a subtelomeric region, about 40kb long, covering (but not limited to) the Rep20 region. Non repetitive, AT-rich portions flanking the Rep20 region on both sides are also conserved at most chromosomal ends.

Brain structure in asymptomatic FMR1 premutation carriers at risk for fragile X-associated tremor/ataxia syndrome.

Fragile X-associated tremor/ataxia syndrome (FXTAS), a late-onset movement disorder affecting FMR1 premutation carriers, is associated with cerebral and cerebellar lesions. The aim of this study was to test whether computational anatomy can detect similar patterns in asymptomatic FMR1 premutation carriers (mean age 46.7 years) with qualitatively normal -appearing grey and white matter on brain MRI. We used a multimodal imaging protocol to characterize brain anatomy by automated assessment of gray matter volume and white matter properties. Structural changes in the hippocampus and in the cerebellar motor network with decreased gray matter volume in lobule VI and white matter alterations of the corresponding afferent projections through the middle cerebellar peduncles are demonstrated. Diffuse subcortical white matter changes in both hemispheres, without corresponding gray matter alterations, are only identified through age × group interactions. We interpret the hippocampal fimbria and cerebellar changes as early alterations with a possible neurodevelopmental origin. In contrast, progression of the diffuse cerebral hemispheric white matter changes suggests a neurodegenerative process, leading to late-onset lesions, which may mark the imminent onset of FXTAS.

Cysteine 230 is essential for the structure and activity of the cytotoxic ligand TRAIL.

Unlike other tumor necrosis factor family members, the cytotoxic ligand tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL)/Apo-2L contains an unpaired cysteine residue (Cys(230)) in its receptor-binding domain. Here we show that the biological activity of both soluble recombinant TRAIL and cell-associated, full-length TRAIL is critically dependent on the presence of Cys(230). Mutation of Cys(230) to alanine or serine strongly affected its ability to kill target cells. Binding to its receptors was decreased by at least 200-fold, and the stability of its trimeric structure was reduced. In recombinant TRAIL, Cys(230) was found engaged either in interchain disulfide bridge formation, resulting in poorly active TRAIL, or in the chelation of one zinc atom per TRAIL trimer in the active, pro-apoptotic form of TRAIL.

INTERCELLULAR AND SYSTEM-LEVEL ASPECTS OF THE METABOLIC INTERACTIONS BETWEEN NEURONS AND GLIA

Quand on parle de l'acide lactique (aussi connu sous le nom de lactate) une des premières choses qui vient à l'esprit, c'est son implication en cas d'intense activité musculaire. Sa production pendant une activité physique prolongée est associée avec la sensation de fatigue. Il n'est donc pas étonnant que cette molécule ait été longtemps considérée comme un résidu du métabolisme, possiblement toxique et donc à éliminer. En fait, il a été découvert que le lactate joue un rôle prépondérant dans le métabolisme grâce à son fort potentiel énergétique. Le cerveau, en particulier les neurones qui le composent, est un organe très gourmand en énergie. Récemment, il a été démontré que les astrocytes, cellules du cerveau faisant partie de la famille des cellules gliales, utilisent le glucose pour produire du lactate comme source d'énergie et le distribue aux neurones de manière adaptée à leur activité. Cette découverte a renouvelé l'intérêt scientifique pour le lactate. Aujourd'hui, plusieurs études ont démontré l'implication du lactate dans d'autres fonctions de la physiologie cérébrale. Dans le cadre de notre étude, nous nous sommes intéressés au rapport entre neurones et astrocytes avec une attention particulière pour le rôle du lactate. Nous avons découvert que le lactate possède la capacité de modifier la communication entre les neurones. Nous avons aussi décrypté le mécanisme grâce auquel le lactate agit, qui est basé sur un récepteur présent à la surface des neurones. Cette étude montre une fonction jusque-là insoupçonnée du lactate qui a un fort impact sur la compréhension de la relation entre neurones et astrocytes. - Relatively to its volume, the brain uses a large amount of glucose as energy source. Furthermore, a tight link exists between the level of synaptic activity and the consumption of energy equivalents. Astrocytes have been shown to play a central role in the regulation of this so-called neurometabolic coupling. They are thought to deliver the metabolic substrate lactate to neurons in register to glutamatergic activity. The astrocytic uptake of glutamate, released in the synaptic cleft, is the trigger signal that activates an intracellular cascade of events that leads to the production and release of lactate from astrocytes. The main goal of this thesis work was to obtain detailed information on the metabolic and functional interplay between neurons and astrocytes, in particular on the influence of lactate besides its metabolic effects. To gain access to both spatial and temporal aspects of these dynamic interactions, we used optical microscopy associated with specific fluorescent indicators, as well as electrophysiology. In the first part of this thesis, we show that lactate decreases spontaneous neuronal, activity in a concentration-dependent manner and independently of its metabolism. We further identified a receptor-mediated pathway underlying this modulatory action of lactate. This finding constituted a novel mechanism for the modulation of neuronal transmission by lactate. In the second part, we have undergone a characterization of a new pharmacological tool, a high affinity glutamate transporter inhibitor. The finality of this study was to investigate the detailed pharmacological properties of the compound to optimize its use as a suppressor of glutamate signal from neuron to astrocytes. In conclusion, both studies have implications not only for the understanding of the metabolic cooperation between neurons and astrocytes, but also in the context of the glial modulation of neuronal activity. - Par rapport à son volume, le cerveau utilise une quantité massive de glucose comme source d'énergie. De plus, la consommation d'équivalents énergétiques est étroitement liée au niveau d'activité synaptique. Il a été montré que dans ce couplage neurométabolique, un rôle central est joué par les astrocytes. Ces cellules fournissent le lactate, un substrat métabolique, aux neurones de manière adaptée à leur activité glutamatergique. Plus précisément, le glutamate libéré dans la fente synaptique par les neurones, est récupéré par les astrocytes et déclenche ainsi une cascade d'événements intracellulaires qui conduit à la production et libération de lactate. Les travaux de cette thèse ont visé à étudier la relation métabolique et fonctionnelle entre neurones et astrocytes, avec une attention particulière pour des rôles que pourrait avoir le lactate au-delà de sa fonction métabolique. Pour étudier les aspects spatio-temporels de ces interactions dynamiques, nous avons utilisé à la fois la microscopie optique associée à des indicateurs fluorescents spécifiques, ainsi que l'électrophysiologie. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que le lactate diminue l'activité neuronale spontanée de façon concentration-dépendante et indépendamment de son métabolisme. Nous avons identifié l'implication d'un récepteur neuronal au lactate qui sous-tend ce mécanisme de régulation. La découverte de cette signalisation via le lactate constitue un mode d'interaction supplémentaire et nouveau entre neurones et astrocytes. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé un outil pharmacologique, un inhibiteur des transporteurs du glutamate à haute affinité. Le but de cette étude était d'obtenir un agent pharmacologique capable d'interrompre spécifiquement le signal médié par le glutamate entre neurones et astrocytes pouvant permettre de mieux comprendre leur relation. En conclusion, ces études ont une implication non seulement pour la compréhension de la coopération entre neurones et astrocytes mais aussi dans le contexte de la modulation de l'activité neuronale par les cellules gliales.

Modelling the distribution of bats in relation to landscape structure in a temperate mountain environment

1. Landscape modification is often considered the principal cause of population decline in many bat species. Thus, schemes for bat conservation rely heavily on knowledge about species-landscape relationships. So far, however, few studies have quantified the possible influence of landscape structure on large-scale spatial patterns in bat communities. 2. This study presents quantitative models that use landscape structure to predict (i) spatial patterns in overall community composition and (ii) individual species' distributions through canonical correspondence analysis and generalized linear models, respectively. A geographical information system (GIS) was then used to draw up maps of (i) overall community patterns and (ii) distribution of potential species' habitats. These models relied on field data from the Swiss Jura mountains. 3. Fight descriptors of landscape structure accounted for 30% of the variation in bat community composition. For some species, more than 60% of the variance in distribution could be explained by landscape structure. Elevation, forest or woodland cover, lakes and suburbs, were the most frequent predictors. 4. This study shows that community composition in bats is related to landscape structure through species-specific relationships to resources. Due to their nocturnal activities and the difficulties of remote identification, a comprehensive bat census is rarely possible, and we suggest that predictive modelling of the type described here provides an indispensable conservation tool.

Technology, business models and network structure in the airline industry

Network airlines have been increasingly focusing their operations on hub airports through the exploitation of connecting traffic, allowing them to take advantage of economies of traffic density, which are unequivocal in the airline industry. Less attention has been devoted to airlines? decisions on point-to-point thin routes, which could be served using different aircraft technologies and different business models. This paper examines, both theoretically and empirically, the impact on airlines ?networks of the two major innovations in the airline industry in the last two decades: the regional jet technology and the low-cost business model. We show that, under certain circumstances, direct services on point-to-point thin routes can be viable and thus airlines may be interested in deviating passengers out of the hub.

A model structure for coloured operads in symmetric spectra

We describe a model structure for coloured operads with values in the category of symmetric spectra (with the positive model structure), in which fibrations and weak equivalences are defined at the level of the underlying collections. This allows us to treat R-module spectra (where R is a cofibrant ring spectrum) as algebras over a cofibrant spectrum-valued operad with R as its first term. Using this model structure, we give sufficient conditions for homotopical localizations in the category of symmetric spectra to preserve module structures.