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.

Parallel feedback loops control the basal activity of the HOG MAPK signaling cascade.

Tight regulation of the MAP kinase Hog1 is crucial for survival under changing osmotic conditions. Interestingly, we found that Hog1 phosphorylates multiple upstream components, implying feedback regulation within the signaling cascade. Taking advantage of an unexpected link between glucose availability and Hog1 activity, we used quantitative single cell measurements and computational modeling to unravel feedback regulation operating in addition to the well-known adaptation feedback triggered by glycerol accumulation. Indeed, we found that Hog1 phosphorylates its activating kinase Ssk2 on several sites, and cells expressing a non-phosphorylatable Ssk2 mutant are partially defective for feedback regulation and proper control of basal Hog1 activity. Together, our data suggest that Hog1 activity is controlled by intertwined regulatory mechanisms operating with varying kinetics, which together tune the Hog1 response to balance basal Hog1 activity and its steady-state level after adaptation to high osmolarity.

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.

Tunable reporter signal production in feedback-uncoupled arsenic bioreporters.

Escherichia coli-based bioreporters for arsenic detection are typically based on the natural feedback loop that controls ars operon transcription. Feedback loops are known to show a wide range linear response to the detriment of the overall amplification of the incoming signal. While being a favourable feature in controlling arsenic detoxification for the cell, a feedback loop is not necessarily the most optimal for obtaining highest sensitivity and response in a designed cellular reporter for arsenic detection. Here we systematically explore the effects of uncoupling the topology of arsenic sensing circuitry on the developed reporter signal as a function of arsenite concentration input. A model was developed to describe relative ArsR and GFP levels in feedback and uncoupled circuitry, which was used to explore new ArsR-based synthetic circuits. The expression of arsR was then placed under the control of a series of constitutive promoters, which differed in promoter strength, and which could be further modulated by TetR repression. Expression of the reporter gene was maintained under the ArsR-controlled Pars promoter. ArsR expression in the systems was measured by using ArsR-mCherry fusion proteins. We find that stronger constitutive ArsR production decreases arsenite-dependent EGFP output from Pars and vice versa. This leads to a tunable series of arsenite-dependent EGFP outputs in a variety of systematically characterized circuitries. The higher expression levels and sensitivities of the response curves in the uncoupled circuits may be useful for improving field-test assays using arsenic bioreporters.

The circadian clock coordinates ribosome biogenesis.

Biological rhythms play a fundamental role in the physiology and behavior of most living organisms. Rhythmic circadian expression of clock-controlled genes is orchestrated by a molecular clock that relies on interconnected negative feedback loops of transcription regulators. Here we show that the circadian clock exerts its function also through the regulation of mRNA translation. Namely, the circadian clock influences the temporal translation of a subset of mRNAs involved in ribosome biogenesis by controlling the transcription of translation initiation factors as well as the clock-dependent rhythmic activation of signaling pathways involved in their regulation. Moreover, the circadian oscillator directly regulates the transcription of ribosomal protein mRNAs and ribosomal RNAs. Thus the circadian clock exerts a major role in coordinating transcription and translation steps underlying ribosome biogenesis.

Circadian clock orchestration of signaling pathways influences mouse metabolism

Circadian clocks, present in organisms leaving in a rhythmic environment, constitute the mechanisms allowing anticipation and adaptation of behavior and physiology in response to these environmental variations. As a consequence, most aspects of metabolism and behavior are under the control of this circadian clock. At a molecular level, in all the studied species, the rhythmic expression of the genes involved are generated by interconnected transcriptional and translational feedback loops. In mammals, the heterodimer composed of BMAL1 and its partners CLOCK or NPAS2 constitutes a transcriptional activator regulating transcription of Per and Cry genes. These genes encode for repressors of the activity of BMAL1:CLOCK or BMAL1: NPAS2 heterodimers, thus closing a negative feedback loop that generates rhythms of approximately 24 hours. The aim of my doctoral work consisted in the investigation of the role of circadian clock in the regulation of different aspects of mouse metabolism through the rhythmic activation of signaling pathways. First, we showed that one way how the circadian clock exerts its function as an oscillator is through the regulation of mRNA translation. Indeed, we present evidence showing that circadian clock influences the temporal translation of a subset of mRNAs involved in ribosome biogenesis by controlling the transcription of translation initiation factors as well as the clock-dependent rhythmic activation of signaling pathways involved in their regulation. Moreover, the circadian oscillator regulates the transcription of ribosomal protein mRNAs and ribosomal RNAs. Thus the circadian clock exerts a major role in coordinating transcription and translation steps underlying ribosome biogenesis. In the second part, we showed the involvement of the circadian clock in lipid metabolism. Indeed, the three PAR bZip transcription factors DBP, TEF and HLF, are regulated by the molecular clock and play key roles in the control of lipid metabolism. Here we present evidence concerning the circadian expression and activity of PPARα via the circadian transcription of genes involved in the release of fatty acids, natural ligands of PPARα. It leads to the rhythmic activation of PPARα itself which could then play its role in the transcription of genes encoding proteins involved in lipid, cholesterol and glucose metabolism. In addition, we considered the possible role of lipid transporters, here SCP2, in the modulation of circadian activation of signaling pathways such as TORC1, PPARα and SREBP, linked to metabolism, and its feedback on the circadian clock. In the last part of this work, we studied the effects of these circadian clock-orchestrated pathways in physiology, as clock disruptions have been shown to be linked to metabolic disorders. We performed in vivo experiments on genetically and high-fat induced obese mice devoid of functional circadian clock. The results obtained showed that clock disruption leads to impaired triglycerides and glucose homeostasis in addition to insulin secretion and sensitivity. -- Les rythmes circadiens, présents chez tout organisme vivant dans un environnement rythmique, constituent l'ensemble de mécanismes permettant des réponses comportementales et physiologiques anticipées et adaptées aux variations environnementales. De ce fait, la plupart des aspects liés au métabolisme et au comportement de ces organismes apparaissent être sous le contrôle de l'horloge circadienne contrôlant ces rythmes. Au niveau moléculaire, dans toutes les espèces étudiées, l'expression rythmique de gènes impliqués sont générés par l'interconnexion de boucles de contrôle transcriptionnelles et traductionnelles. Chez les mammifères, l'hétérodimère composé de BMAL1 et de ses partenaires CLOCK ou NPAS2 constitue un activateur transcriptionnel régulant la transcription des gènes Per et Cry. Ces gènes codent pour des répresseurs de l'activité des hétérodimères BMAL1:CLOCK ou BMAL1:NPAS2. Cela a pour effet de fermer la boucle négative, générant ainsi des rythmes d'environ 24 heures. Le but de mon travail de thèse a consisté en l'investigation du rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de certains aspects du métabolisme chez la souris via la régulation de l'activation rythmique des voies de signalisation. Nous avons tout d'abord montré que l'horloge circadienne exerce sa fonction d'oscillateur notamment au niveau de la régulation de la traduction des ARNm. En effet, nous présentons des preuves montrant que l'horloge circadienne influence la traduction temporelle d'un groupe d'ARNm impliqués dans la biogénèse des ribosomes en contrôlant la transcription de facteurs d'initiation de la traduction ainsi que l'activation rythmique des voies de signalisation qui sont impliquées dans leur régulation. De plus, l'oscillateur circadien régule la transcription d'ARNm codant pour les protéines ribosomales et d'ARN ribosomaux. De cette façon, l'horloge circadienne exerce un rôle majeur dans la coordination des étapes de transcription et traduction permettant la biogénèse des ribosomes. Dans la deuxième partie, nous montrons les implications de l'horloge circadienne dans le métabolisme des lipides. En effet, DBP, TEF et HLF, trois facteurs de transcription de la famille des PAR bZip qui sont régulés par l'horloge circadienne, jouent un rôle clé dans le contrôle du métabolisme des lipides par l'horloge circadienne. Nous apportons ici des preuves concernant l'expression et l'activité rythmiques de PPARα via la transcription circadienne de gènes impliqués dans le relargage d'acides gras, ligands naturels de PPARα, conduisant à l'activation circadienne de PPARα lui-même, pouvant ainsi jouer son rôle de facteur de transcription de gènes codant pour des protéines impliquées dans le métabolisme des lipides, du cholestérol et du glucose. De plus, nous nous sommes penchés sur le rôle possible de transporteurs de lipides, ici SCP2, dans la modulation de l'activation circadienne de voies de signalisation, telles que TORC1, PPARα et SREBP, qui sont liées au métabolisme, ainsi que son impact sur l'horloge elle-même. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons étudié les effets de l'activation de ces voies de signalisation régulées par l'horloge circadienne dans le contexte physiologique puisqu'il a été montré que la perturbation de l'horloge pouvait être associée à des désordres métaboliques. Pour ce faire, nous avons fait des expériences in vivo sur des souris déficientes pour l'horloge moléculaire pour lesquelles l'obésité est induite génétiquement ou induite par la nourriture riche en lipides. Les résultats que nous obtenons montrent des dérèglements au niveau de l'homéostasie des triglycérides et du glucose ainsi que sur l'expression et la réponse à l'insuline.

A protein interaction atlas for the nuclear receptors: properties and quality of a hub-based dimerisation network.

BACKGROUND: The nuclear receptors are a large family of eukaryotic transcription factors that constitute major pharmacological targets. They exert their combinatorial control through homotypic heterodimerisation. Elucidation of this dimerisation network is vital in order to understand the complex dynamics and potential cross-talk involved. RESULTS: Phylogeny, protein-protein interactions, protein-DNA interactions and gene expression data have been integrated to provide a comprehensive and up-to-date description of the topology and properties of the nuclear receptor interaction network in humans. We discriminate between DNA-binding and non-DNA-binding dimers, and provide a comprehensive interaction map, that identifies potential cross-talk between the various pathways of nuclear receptors. CONCLUSION: We infer that the topology of this network is hub-based, and much more connected than previously thought. The hub-based topology of the network and the wide tissue expression pattern of NRs create a highly competitive environment for the common heterodimerising partners. Furthermore, a significant number of negative feedback loops is present, with the hub protein SHP [NR0B2] playing a major role. We also compare the evolution, topology and properties of the nuclear receptor network with the hub-based dimerisation network of the bHLH transcription factors in order to identify both unique themes and ubiquitous properties in gene regulation. In terms of methodology, we conclude that such a comprehensive picture can only be assembled by semi-automated text-mining, manual curation and integration of data from various sources.

Riboswitches : le cas des atténuateurs de la transcription du type terminateur/antiterminateur chez les bactéries

Il est essentiel pour chaque organisme d’avoir la possibilité de réguler ses fonctions afin de permettre sa survie et d’améliorer sa capacité de se reproduire en divers habitats. Avec l’information disponible, il semble que les organismes consacrent une partie assez importante de leur matériel génétique à des fonctions de régulation. On peut envisager que certains mécanismes de régulation ont persisté dans le temps parce qu’ils remplissent bien leurs rôles. Les premières études sur les procaryotes ont indiqué qu’il y avait peu de mécanismes de régulation exerçant le contrôle des gènes, mais il a été démontré par la suite qu’une variété de ces mécanismes est utilisée pour la régulation de gènes et d’opérons. En particulier, les opérons bactériens impliqués dans la biosynthèse des acides aminés, l’ARNt synthétase, la dégradation des acides aminés, les protéines ribosomales et l’ARN ribosomal font l’objet d’un contrôle par l’atténuation de la transcription. Ce mécanisme d’atténuation de la transcription diffère d’autres mécanismes pour la génération de deux structures différentes de l’ARNm, où l’une de ces structures réprime le gène en aval, et l’autre permet de continuer la transcription/traduction. Dans le cadre de cette recherche, nous nous sommes intéressé au mécanisme d’atténuation de la transcription chez les procaryotes où aucune molécule ne semble intervenir comme facteur de régulation, en me concentrant sur la régulation des opérons bactériens. Le but principal de ce travail est de présenter une nouvelle méthode de recherche des riborégulateurs qui combine la recherche traditionnelle des riborégulateurs avec la recherche structurale. En incorporant l’étude du repliement de l’ARNm, nous pouvons mieux identifier les atténuateurs répondant à ce type de mécanisme d’atténuation. Ce mémoire est divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre présente une revue de la littérature sur l’ARN et un survol sur les mécanismes de régulation de l’expression génétique chez les procaryotes. Les chapitres 2 et 3 sont consacrés à la méthodologie utilisée dans cette recherche et à l’implémentation du logiciel TA-Search. Enfin, le chapitre 4 expose les conclusions et les applications potentielles de la méthode.

Rôle de l’enzyme PAS kinase dans la régulation du facteur de transcription PDX-1 dans la cellule bêta pancréatique.

Le diabète de type 2 (DT2) se caractérise par une production insuffisante d'insuline par le pancréas ainsi qu'une résistance des tissus périphériques à l'action de l'insuline. Dans les cellules bêta pancréatiques, le glucose stimule la production de l'insuline en induisant la transcription de son gène et la traduction ainsi que la sécrétion de sa protéine. Paradoxalement, une exposition prolongée et simultanée de ces cellules à de hautes concentrations de glucose en présence d'acides gras conduit à la détérioration de la fonction bêta pancréatique et au développement du DT2. Toutefois, les mécanismes moléculaires responsables de ces effets du glucose ne sont que partiellement connus. L'objectif du travail décrit dans cette thèse est d'identifier les mécanismes responsables de la régulation de la transcription du gène de l'insuline. PDX-1 (de l’anglais pour pancreatic and duodenal homeobox 1) est un facteur de transcription majeur et essentiel tant pour le développement du pancréas que pour le maintien de sa fonction à l'état adulte. En réponse au glucose, PDX-1 se lie au promoteur du gène de l'insuline et induit sa transcription. Ceci est inhibé par l'acide gras palmitate. Dans la première partie des travaux effectués dans le cadre de cette thèse, nous avons identifié deux mécanismes de régulation de la transcription du gène de l'insuline: le premier via ERK1/2 (de l'anglais pour extracellular-signal-regulated protein kinases 1 and 2) et le second par l’enzyme PASK (pour per-arnt-sim kinase). Nous avons également mis en évidence l'existence d'un troisième mécanisme impliquant l'inhibition de l'expression du facteur de transcription MafA par le palmitate. Nos travaux indiquent que la contribution de la signalisation via PASK est majeure. L'expression de PASK est augmentée par le glucose et inhibée par le palmitate. Sa surexpression dans les cellules MIN6 et les îlots isolés de rats, mime les effets du glucose sur l'expression du gène de l'insuline ainsi que sur l'expression de PDX-1 et prévient les effets délétères du palmitate. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons identifié un nouveau mécanisme par lequel PASK augmente la stabilité protéique de PDX-1, soit via la phosphorylation et l'inactivation de la protéine kinase GSK3 bêta (de l'anglais pour glycogen synthase kinase 3 beta). Le glucose induit la translocation de PDX-1 du cytoplasme vers le noyau, ce qui est essentiel à sa liaison au promoteur de ses gènes cibles. L'exclusion nucléaire de PDX-1 a été observée dans plusieurs modèles ex vivo et in vivo de dysfonction de la cellule bêta pancréatique. Dans le dernier volet de cette thèse, nous avons démontré l'importance de l'utilisation de cellules primaires (îlots isolés et dispersés) pour étudier la translocation nucléaire de PDX-1 endogène étant donné que ce mode de régulation est absent dans les lignées insulino-sécrétrices MIN6 et HIT-T15. Ces études nous ont permis d'identifier et de mieux comprendre les mécanismes régulant la transcription du gène de l'insuline via le facteur de transcription PDX-1. Les cibles moléculaires ainsi identifiées pourraient contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques pour le traitement du diabète de type 2. Mots-clés : Diabète, îlots de Langerhans, cellule bêta pancréatique, gène de l'insuline, PDX-1, PASK, GSK3 bêta, ERK1/2, PKB, glucose, palmitate.