Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Dynamics of a minimal model of interlocked positive and negative feedback loops of transcriptional regulation by cAMP-response element binding proteins.

cAMP-response element binding (CREB) proteins are involved in transcriptional regulation in a number of cellular processes (e.g., neural plasticity and circadian rhythms). The CREB family contains activators and repressors that may interact through positive and negative feedback loops. These loops can be generated by auto- and cross-regulation of expression of CREB proteins, via CRE elements in or near their genes. Experiments suggest that such feedback loops may operate in several systems (e.g., Aplysia and rat). To understand the functional implications of such feedback loops, which are interlocked via cross-regulation of transcription, a minimal model with a positive and negative loop was developed and investigated using bifurcation analysis. Bifurcation analysis revealed diverse nonlinear dynamics (e.g., bistability and oscillations). The stability of steady states or oscillations could be changed by time delays in the synthesis of the activator (CREB1) or the repressor (CREB2). Investigation of stochastic fluctuations due to small numbers of molecules of CREB1 and CREB2 revealed a bimodal distribution of CREB molecules in the bistability region. The robustness of the stable HIGH and LOW states of CREB expression to stochastic noise differs, and a critical number of molecules was required to sustain the HIGH state for days or longer. Increasing positive feedback or decreasing negative feedback also increased the lifetime of the HIGH state, and persistence of this state may correlate with long-term memory formation. A critical number of molecules was also required to sustain robust oscillations of CREB expression. If a steady state was near a deterministic Hopf bifurcation point, stochastic resonance could induce oscillations. This comparative analysis of deterministic and stochastic dynamics not only provides insights into the possible dynamics of CREB regulatory motifs, but also demonstrates a framework for understanding other regulatory processes with similar network architecture.

A reduced model clarifies the role of feedback loops and time delays in the Drosophila circadian oscillator.

Although several detailed models of molecular processes essential for circadian oscillations have been developed, their complexity makes intuitive understanding of the oscillation mechanism difficult. The goal of the present study was to reduce a previously developed, detailed model to a minimal representation of the transcriptional regulation essential for circadian rhythmicity in Drosophila. The reduced model contains only two differential equations, each with time delays. A negative feedback loop is included, in which PER protein represses per transcription by binding the dCLOCK transcription factor. A positive feedback loop is also included, in which dCLOCK indirectly enhances its own formation. The model simulated circadian oscillations, light entrainment, and a phase-response curve with qualitative similarities to experiment. Time delays were found to be essential for simulation of circadian oscillations with this model. To examine the robustness of the simplified model to fluctuations in molecule numbers, a stochastic variant was constructed. Robust circadian oscillations and entrainment to light pulses were simulated with fewer than 80 molecules of each gene product present on average. Circadian oscillations persisted when the positive feedback loop was removed. Moreover, elimination of positive feedback did not decrease the robustness of oscillations to stochastic fluctuations or to variations in parameter values. Such reduced models can aid understanding of the oscillation mechanisms in Drosophila and in other organisms in which feedback regulation of transcription may play an important role.

Dynamics of a minimal model of interlocked positive and negative feedback loops of transcriptional regulation by cAMP-response element binding proteins.

cAMP-response element binding (CREB) proteins are involved in transcriptional regulation in a number of cellular processes (e.g., neural plasticity and circadian rhythms). The CREB family contains activators and repressors that may interact through positive and negative feedback loops. These loops can be generated by auto- and cross-regulation of expression of CREB proteins, via CRE elements in or near their genes. Experiments suggest that such feedback loops may operate in several systems (e.g., Aplysia and rat). To understand the functional implications of such feedback loops, which are interlocked via cross-regulation of transcription, a minimal model with a positive and negative loop was developed and investigated using bifurcation analysis. Bifurcation analysis revealed diverse nonlinear dynamics (e.g., bistability and oscillations). The stability of steady states or oscillations could be changed by time delays in the synthesis of the activator (CREB1) or the repressor (CREB2). Investigation of stochastic fluctuations due to small numbers of molecules of CREB1 and CREB2 revealed a bimodal distribution of CREB molecules in the bistability region. The robustness of the stable HIGH and LOW states of CREB expression to stochastic noise differs, and a critical number of molecules was required to sustain the HIGH state for days or longer. Increasing positive feedback or decreasing negative feedback also increased the lifetime of the HIGH state, and persistence of this state may correlate with long-term memory formation. A critical number of molecules was also required to sustain robust oscillations of CREB expression. If a steady state was near a deterministic Hopf bifurcation point, stochastic resonance could induce oscillations. This comparative analysis of deterministic and stochastic dynamics not only provides insights into the possible dynamics of CREB regulatory motifs, but also demonstrates a framework for understanding other regulatory processes with similar network architecture.

Interlocked feedback loops contribute to the robustness of the Neurospora circadian clock

Interlocked feedback loops may represent a common feature among the regulatory systems controlling circadian rhythms. The Neurospora circadian feedback loops involve white collar-1 (wc-1), wc-2, and frequency (frq) genes. We show that WC-1 and WC-2 proteins activate the transcription of frq gene, whereas FRQ protein plays dual roles: repressing its own transcription, probably by interacting with the WC-1/WC-2 complex, and activating the expression of both WC proteins. Thus, they form two interlocked feedback loops: one negative and one positive. We establish the physiological significance of the interlocked positive feedback loops by showing that the levels of WC-1 and WC-2 determine the robustness and stability of the clock. Our data demonstrate that with WC-1 being the limiting factor in the WC-1/WC-2 complex, the greater the levels of WC-1 and WC-2, the higher the level of the FRQ oscillation and the more robust the overt rhythms. Our data also show that, despite considerable changes in the levels of WC-1, WC-2, and FRQ, the period of the clock has been limited to a small range, suggesting that the interlocked circadian feedback loops are also important for determining the circadian period length of the clock.

Interlinked dual-time feedback loops can enhance robustness to stochasticity and persistence of memory.

Multiple interlinked positive feedback loops shape the stimulus responses of various biochemical systems, such as the cell cycle or intracellular Ca2+ release. Recent studies with simplified models have identified two advantages of coupling fast and slow feedback loops. This dual-time structure enables a fast response while enhancing resistances of responses and bistability to stimulus noise. We now find that (1) the dual-time structure similarly confers resistance to internal noise due to molecule number fluctuations, and (2) model variants with altered coupling, which better represent some specific biochemical systems, share all the above advantages. We also develop a similar bistable model with coupling of a fast autoactivation loop to a slow loop. This model's topology was suggested by positive feedback proposed to play a role in long-term synaptic potentiation (LTP). The advantages of fast response and noise resistance are also present in this autoactivation model. Empirically, LTP develops resistance to reversal over approximately 1h . The model suggests this resistance may result from increased amounts of synaptic kinases involved in positive feedback.

Perils of managing the service profit chain:the role of time lags and feedback loops

The tendency of managers to focus on short-term results rather than on sustained company success is of particular importance to retail marketing managers, because marketing activities involve expenditures which may only pay off in the longer term. To address the issue of myopic management, our study shows how the complexity of the service profit chain (SPC) can cause managers to make suboptimal decisions. Hence, our paper departs from past research by recognizing that understanding the temporal interplay between operational investments, employee satisfaction, customer satisfaction, and operating profit is essential to achieving sustained success. In particular, we intend to improve understanding of the functioning of the SPC with respect to time lags and feedback loops. Results of our large-scale longitudinal study set in a multi-outlet retail chain reveal time-lag effects between operational investments and employee satisfaction, as well as between customer satisfaction and performance. These findings, along with evidence of a negative interaction effect of employee satisfaction on the relationship between current performance and future investments, show the substantial risk of mismanaging the SPC. We identify specific situations in which the dynamic approach leads to superior marketing investment decisions, when compared to the conventional static view of the SCP. These insights provide valuable managerial guidance for effectively managing the SPC over time. © 2012 New York University.

Improving speech transcription for Mandarin-english translation

This paper describes the development of the CU-HTK Mandarin Speech-To-Text (STT) system and assesses its performance as part of a transcription-translation pipeline which converts broadcast Mandarin audio into English text. Recent improvements to the STT system are described and these give Character Error Rate (CER) gains of 14.3% absolute for a Broadcast Conversation (BC) task and 5.1% absolute for a Broadcast News (BN) task. The output of these STT systems is then post-processed, so that it consists of sentence-like segments, and translated into English text using a Statistical Machine Translation (SMT) system. The performance of the transcription-translation pipeline is evaluated using the Translation Edit Rate (TER) and BLEU metrics. It is shown that improving both the STT system and the post-STT segmentations can lower the TER scores by up to 5.3% absolute and increase the BLEU scores by up to 2.7% absolute. © 2007 IEEE.

A Mammalian Circadian Clock Model Incorporating Daytime Expression Elements

Models of the mammalian clock have traditionally been based around two feedback loops-the self-repression of Per/Cry by interfering with activation by BMAL/CLOCK, and the repression of Bmal/Clock by the REV-ERB proteins. Recent experimental evidence suggests that the D-box, a transcription factor binding site associated with daytime expression, plays a larger role in clock function than has previously been understood. We present a simplified clock model that highlights the role of the D-box and illustrate an approach for finding maximum-entropy ensembles of model parameters, given experimentally imposed constraints. Parameter variability can be mitigated using prior probability distributions derived from genome-wide studies of cellular kinetics. Our model reproduces predictions concerning the dual regulation of Cry1 by the D-box and Rev-ErbA/ROR response element (RRE) promoter elements and allows for ensemble-based predictions of phase response curves (PRCs). Nonphotic signals such as Neuropeptide Y (NPY) may act by promoting Cry1 expression, whereas photic signals likely act by stimulating expression from the E/E' box. Ensemble generation with parameter probability restraints reveals more about a model's behavior than a single optimal parameter set.

Learning through feedback loop metaphors

The metaphor of a feedback loop underpinned a significant curriculum change in a first year teacher-education unit. Assessment for Learning (AfL) practices such as discussing examples of previous student work and giving peer feedback were embedded within the curriculum design. The metaphor of a feedback loop connected these AfL practices into a purposeful process that informed student learning as well as tutor learning about student understanding, that then informed the next teaching episode. Student teachers (n=350) in twelve tutorial groups taught by eight university tutors were able to develop a shared understanding of quality performances before completing each assessment task. As well as providing ongoing insights to improve teaching, data from this action research project enabled the participant tutor-researchers to interrogate the concept of feedback loops. The researchers theorised sociocultural feedback loops as emergent, entangled and dynamic moves in a dance of knowing during which participants negotiated meaning and identities of capability.

Role of feedback and dynamics in a gene regulatory network

Cells exhibit a diverse repertoire of dynamic behaviors. These dynamic functions are implemented by circuits of interacting biomolecules. Although these regulatory networks function deterministically by executing specific programs in response to extracellular signals, molecular interactions are inherently governed by stochastic fluctuations. This molecular noise can manifest as cell-to-cell phenotypic heterogeneity in a well-mixed environment. Single-cell variability may seem like a design flaw but the coexistence of diverse phenotypes in an isogenic population of cells can also serve a biological function by increasing the probability of survival of individual cells upon an abrupt change in environmental conditions. Decades of extensive molecular and biochemical characterization have revealed the connectivity and mechanisms that constitute regulatory networks. We are now confronted with the challenge of integrating this information to link the structure of these circuits to systems-level properties such as cellular decision making. To investigate cellular decision-making, we used the well studied galactose gene-regulatory network in \textit{Saccharomyces cerevisiae}. We analyzed the mechanism and dynamics of the coexistence of two stable on and off states for pathway activity. We demonstrate that this bimodality in the pathway activity originates from two positive feedback loops that trigger bistability in the network. By measuring the dynamics of single-cells in a mixed sugar environment, we observe that the bimodality in gene expression is a transient phenomenon. Our experiments indicate that early pathway activation in a cohort of cells prior to galactose metabolism can accelerate galactose consumption and provide a transient increase in growth rate. Together these results provide important insights into strategies implemented by cells that may have been evolutionary advantageous in competitive environments.

An in vitro biomolecular breadboard for prototyping synthetic biological circuits

Biomolecular circuit engineering is critical for implementing complex functions in vivo, and is a baseline method in the synthetic biology space. However, current methods for conducting biomolecular circuit engineering are time-consuming and tedious. A complete design-build-test cycle typically takes weeks' to months' time due to the lack of an intermediary between design ex vivo and testing in vivo. In this work, we explore the development and application of a "biomolecular breadboard" composed of an in-vitro transcription-translation (TX-TL) lysate to rapidly speed up the engineering design-build-test cycle. We first developed protocols for creating and using lysates for conducting biological circuit design. By doing so we simplified the existing technology to an affordable ($0.03/uL) and easy to use three-tube reagent system. We then developed tools to accelerate circuit design by allowing for linear DNA use in lieu of plasmid DNA, and by utilizing principles of modular assembly. This allowed the design-build-test cycle to be reduced to under a business day. We then characterized protein degradation dynamics in the breadboard to aid to implementing complex circuits. Finally, we demonstrated that the breadboard could be applied to engineer complex synthetic circuits in vitro and in vivo. Specifically, we utilized our understanding of linear DNA prototyping, modular assembly, and protein degradation dynamics to characterize the repressilator oscillator and to prototype novel three- and five-node negative feedback oscillators both in vitro and in vivo. We therefore believe the biomolecular breadboard has wide application for acting as an intermediary for biological circuit engineering.