Toxicogenomics of natural and anthropogenic effectors in eleutheroembryos

The introduction of chemicals into the environment by human activities may represent a serious risk to environmental and human health. Environmental risk assessment requires the use of efficient and sensitive tools to determine the impact of contaminants on the ecosystems. The use of zebrafish for the toxicity assessment of pharmaceuticals, drugs, and pollutants, is becoming well accepted due to zebrafish unique advantages for the screening of compounds for hazard identification. The aim of the present work is to apply toxicogenomic approaches to identify novel biomarkers and uncovered potential modes of action of classic and emergent contaminants able to disrupt endocrine systems, such as the Retinoic Acid Receptor, Retinoid X Receptor and the Aryl Hydrocarbon Receptor. This study relies on different nuclear and cytosolic protein receptors and other conditional (ligand- or stress- activated) transcriptional factors that are intimately involved in the regulation of defensome genes and in mechanisms of chemical toxicity. The transcriptomic effects of organic compounds, endogenous compounds, and nanoparticles were analysed during the early stages of zebrafish development. Studying the gene expression profiles of exposed and unexposed organisms to pollutants using microarrays allowed the identification of specific gene markers and to establish a "genetic code" for the tested compounds. Changes in gene expression were observed at toxicant concentrations that did not cause morphological effects. Even at low toxicant concentrations, the observed changes in transcript levels were robust for some target genes. Microarray responses of selected genes were further complemented by the real time quantitative polymerase chain reaction (qRT-PCR) methodology. The combination of bio-informatic, toxicological analyses of differential gene expression profiles, and biochemical and phenotypic responses across the treatments allowed the identification of uncovered potential mechanisms of action. In addition, this work provides an integrated set of tools that can be used to aid management-decision making by improving the predictive capability to measure environmental stress of contaminants in freshwater ecosystems. This study also illustrates the potential of zebrafish embryos for the systematic, large-scale analysis of chemical effects on developing vertebrates.

Caractérisation de DKK1 comme antigène tumoral et manipulation des lymphocytes T CD8 : utilisation de la voie de Wnt en immunothérapie du cancer

L’immunothérapie tumorale à médiation cellulaire est un traitement qui utilise le système immunitaire des patients afin d’induire une réponse des lymphocytes T CD8+ (T CD8+) contre la tumeur. Cette réponse est produite suite à la reconnaissance des antigènes par les T CD8+. Ces cibles sont appelées antigènes tumoraux (TAA) et définies comme des protéines exprimées par les cellules cancéreuses mais absentes des tissus normaux. Par une approche bio-informatique, notre laboratoire a identifié Dickkopf-1 (DKK1), une protéine inhibitrice de la voie de Wnt, comme un TAA potentiel. Une immunothérapie à médiation cellulaire efficace requiert l’identification de TAA candidats pertinents. Le traitement de patients par immunothérapie pourrait également être améliorées par l’augmentation de la puissance d’action anti-tumorale ainsi que la persistante des T CD8+ spécifiques aux TAA. Ce projet de doctorat se divise en deux parties : 1- La caractérisation de l’expression de DKK1 dans les cancers communs et la détermination de son immunogénicité afin de valider sa candidature comme TAA. 2- La reprogrammation des T CD8+, de patients atteints d’un cancer commun, vers un phénotype moins différentié afin d’augmenter leur potentiel anti-tumoral et leur persistance. Dans le premier objectif, nous avons caractérisé l’expression de DKK1 dans le cancer du sein et dans d’autres cancers communs. Le profil d’expression de DKK1 a été étudié par RT-PCR et par ELISA dans plusieurs lignées cellulaires de cancer et dans les tissus normaux. L’expression de DKK1 a aussi été étudiée dans des échantillons cliniques provenant de cancers du sein, du poumon et du rein. Trente pourcents (30%) des tumeurs provenant d’un cancer du sein exprimaient DKK1. La moitié des tumeurs DKK1(+) était triple négative, donc pas de récepteurs d’œstrogène et de progestérone et était Her-2/neu(-) (ces patientes ont des possibilités de traitements très restreintes). De plus, 50% des échantillons cliniques de tumeurs du poumon et 30% des tumeurs de rein exprimaient DKK1. Les observations effectuées dans le cancer du poumon ont été, par la suite, corroborées par d'autres groupes qui ont montré une corrélation entre l'expression de DKK1 et un mauvais pronostic. Après avoir confirmée l’expression de DKK1 dans les cancers communs, justifiant ainsi sa candidature comme TAA, nous avons évalué l’immunogénicité de DKK1. Pour ce faire, nous avons effectué des stimulations in vitro de cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC) de patient(e)s atteint(e)s d’un cancer du sein ou du poumon avec des peptides dérivés de DKK1 pouvant être présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité (CMH) HLA-A*0201. Des clones de T CD8+ reconnaissant un peptide de DKK1 ont été identifiés et isolés. Par essai multiplex et cytométrie de flux intracellulaire, la polyfonctionnalité d’un ces clones T CD8+ spécifiques à DKK1 a été étudiée et a révélée un profil effecteur, renforçant ainsi la candidature de DKK1 comme TAA. Dans l’ensemble, les résultats obtenus dans cette première partie de thèse suggèrent une possible utilisation de DKK1 en immunothérapie contre les cancers communs, attribuable à son expression dans ces cancers et la possibilité de faire proliférer des T CD8+ effecteurs spécifiques à DKK1 à partir de sang de patients. Dans la seconde partie de cette thèse, je décrirai la manipulation in vitro des T CD8+ de patients atteints d’un cancer commun, afin d’augmenter la force et la durée de leurs fonctions anti-tumorales. Il a été démontré que des lymphocytes moins différentiés sont capables d’une réponse immunologique plus efficace et durable. Nous avons basé ce projet sur l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique de la GSK-3, pour activer de la voie de Wnt chez les T CD8+ et ainsi leur conférer un phénotype moins différentié, partageant des caractéristiques de la cellule naïve et de la cellule mémoire. Des cultures de T CD8+, spécifiques à des antigènes viraux, en présence de l’inhibiteur ont permis d’augmenter la sécrétion d’interféron (IFN)- et leur activité cytotoxique. Ces résultats indiquent un effet de l’activation de la voie de Wnt sur la fonction des T CD8+. Ces observations sont rapportées pour la première fois chez les T CD8+ humains et suggèrent une nouvelle stratégie, applicables à l’immunothérapie du cancer, afin de prolonger la persistance des cellules ainsi que leur activité anti-tumorale. En conclusion, ces travaux de recherche ont mené à la réalisation d’une étape très importante dans la validation de la candidature de DKK1 comme TAA pour les cancers communs, soit la démonstration de son expression dans ces cancers et son absence dans les tissus normaux dérivés d’organes importants. Ces travaux ont également mené à la démonstration de l’immunogénicité de DKK1, par l’identification d’un peptide de DKK1 reconnu par les T CD8+. De plus, l’étude de la polyfonctionnalité des T CD8+ spécifiques à DKK1 a révélée un profil effecteur favorable pour l’obtention d’une réponse anti-tumorale efficace. Ces découvertes pourraient servir à l’élaboration d’une stratégie d’immunothérapie à médiation cellulaire pour les cancers communs. Pour sa part, l’étude phénotypique et fonctionnelle de la modulation de la voie de Wnt dans les T CD8+ a donné lieu à l’observation d’un phénotype encore jamais rapporté chez l’humain, conférant aux T CD8+ un aspect moins différentié avec des caractéristiques propre à un phénotype mémoire. Ces résultats sont pertinents dans l’amélioration de l’immunothérapie du cancer, passant par l’augmentation de la persistance des lymphocytes. En résumé, les résultats présentés dans cette thèse de doctorat fournissent des évidences indéniables quant à la validation de DKK1 comme TAA pour une immunothérapie à médiation cellulaire des cancers communs. Ces résultats fournissent également des preuves quant à la pertinence de la reprogrammation des T CD8+ par l’activation de la voie de la voie de Wnt, afin de générer des lymphocytes médiateurs plus efficaces pour ce type de thérapie.

Signalisation par les récepteurs des œstrogènes : mécanismes de reconnaissance de l’ADN et nouvelles approches pharmacologiques d’inhibition

Malgré les progrès des traitements des cancers du sein, ceux-ci demeurent la seconde cause de mortalité par cancer au Canada. Parmi les gènes associés aux cancers du sein, le récepteur des œstrogènes ERα est exprimé dans plus de 70% des tumeurs mammaires, qui prolifèrent en réponse aux œstrogènes, faisant de lui une cible de choix. ERα est un facteur de transcription ligand-dépendant, liant des éléments de réponse PuGGTCAnnnTGACCPy. Afin d’examiner la capacité des récepteurs nucléaires à reconnaitre de nouveaux motifs ADN, des mutants aux capacités de liaison modifiées ont été générés. Parmi les quatre résidus interagissant avec l’ADN, R211 ne peut pas être modifiée sans perdre complètement la liaison du récepteur à l’ADN. Néanmoins, les mutations combinées de plusieurs acides aminés contactant les bases de l’ERE ont généré des récepteurs capables de reconnaitre de nouveaux motifs, tout en conservant des niveaux de transactivation efficaces. L’utilisation potentielle des récepteurs nucléaires comme outils de thérapie génique hormono-dépendant, repose sur la prédiction des motifs de liaison efficaces. Étant donné son importance dans la carcinogenèse mammaire, ERα est une cible cruciale des thérapies anti-néoplastiques. L’anti-œstrogène total, ICI, induit la dégradation de ERα et l’arrêt de la croissance des cellules tumorales mammaires ERα-positives. De plus, la nouvelle drogue anti-tumorale HDACi, SAHA, module la voie de signalisation des œstrogènes et possède des propriétés prometteuses en association avec d’autres traitements anti-tumoraux. En effet, le co-traitement ICI et SAHA a un impact synergique sur l’inhibition de la prolifération des cellules mammaires tumorales ERα-positives. Cette synergie repose sur la coopération des effets de ICI et SAHA pour réduire les niveaux protéiques de ERα et bloquer la progression du cycle cellulaire via la modulation de la transcription des gènes cibles des œstrogènes. En fait, les fortes doses de HDACis masquent rapidement et complètement la signalisation transcriptionnelle des œstrogènes. De plus, les gènes cibles primaires des œstrogènes, contenant des EREs, présentent la même régulation transcriptionnelle en réponse aux fortes doses de SAHA ou du co-traitement, avec des doses utilisables en clinique de ICI et SAHA. En fait, ICI mime l’impact des fortes doses de SAHA, en dégradant ERα, potentialisant ainsi la répression de la transcription ERE-dépendante par SAHA. Finalement, la synergie des effets de ICI et SAHA pourrait augmenter l’efficacité des traitements des tumeurs mammaires.

Comparative analysis of microRNA expression in mouse and human brown adipose tissue

BACKGROUND: In small mammals brown adipose tissue (BAT) plays a predominant role in regulating energy expenditure (EE) via adaptive thermogenesis. New-born babies require BAT to control their body temperature, however its relevance in adults has been questioned. Active BAT has recently been observed in adult humans, albeit in much lower relative quantities than small mammals. Comparing and contrasting the molecular mechanisms controlling BAT growth and development in mice and humans will increase our understanding or how human BAT is developed and may identify potential therapeutic targets to increase EE. MicroRNAs are molecular mechanisms involved in mouse BAT development however, little is known about the miRNA profile in human BAT. The aims of this study were to establish a mouse BAT-enriched miRNA profile and compare this with miRNAs measured in human BAT. To achieve this we firstly established a mouse BAT enriched-miRNA profile by comparing miRNAs expressed in mouse BAT, white adipose tissue and skeletal muscle. Following this the BAT-enriched miRNAs predicted to target genes potentially involved in growth and development were identified.

METHODS: MiRNA levels were measured using PCR-based miRNA arrays. Results were analysed using ExpressionSuite software with the global mean expression value of all expressed miRNAs in a givensample used as the normalisation factor. Bio-informatic analyses was used to predict gene targets followed by Ingenuity Pathway Analysis.

RESULTS: We identified 35 mouse BAT-enriched miRNAs that were predicted to target genes potentially involved in growth and development. We also identified 145 miRNAs expressed in both mouse and human BAT, of which 25 were enriched in mouse BAT. Of these 25 miRNAs, miR-20a was predicted to target MYF5 and PPARγ, two important genes involved in brown adipogenesis, as well as BMP2 and BMPR2, genes involved in white adipogenesis. For the first time, 69 miRNAs were identified in human BAT but absent in mouse BAT, and 181 miRNAs were expressed in mouse but not in human BAT.

CONCLUSION: The present study has identified a small sub-set of miRNAs common to both mouse and human BAT. From this sub-set bioinformatics analysis suggested a potential role of miR-20a in the control of cell fate and this warrants further investigation. The large number of miRNAs found only in mouse BAT or only in human BAT highlights the differing molecular profile between species that is likely to influence the functional role of BAT across species. Nevertheless the BAT-enriched miRNA profiles established in the present study suggest targets to investigate in the control BAT development and EE.

Multi-dimensional liquid chromatography and metabolomics, are two dimensions better than one?

 While data processing methods in metabolomic studies often work with 'n' number of dimensions, analytical techniques, with the notable exception of NMR, have mostly stuck only to one. Peak overlap continues to be a problem and there is an ever-present demand to maximize the number of metabolites that can be separated and identified in a single run. One method that might help to overcome these issues is multidimensional liquid chromatography, which uses two columns of different phases. A sequential collection of aliquots is made from the first column and reinjected onto a second, and the resulting data are then plotted in 2D or 3D space. The total peak capacity of such a system is the combined peak capacities of each column. The 'offline' version of this technique, using a fraction collector, was introduced over 30 years ago but with recent advances in instrumentation and software, particularly the 'online' approach using automated switching valves, has led to increasing interest in the technique. Both offline and online methods can be carried out as a comprehensive procedure, or via 'heart-cutting', in which only specific peaks are analysed in the second dimension. Past applications include proteomics, natural product chemistry, forensic science and pharmaceutical analysis. These successes are likely to be built on in the future as new column chemistries and bio-informatic approaches are developed. In this review an overview of the theory of twodimensional liquid chromatography is presented, its potential in the field of metabolomics is assessed and predictions for future research directions are made.

Étude de la médiane de permutations sous la distance de Kendall-Tau

La distance de Kendall-τ compte le nombre de paires en désaccord entre deux permuta- tions. La distance d’une permutation à un ensemble est simplement la somme des dis- tances entre cette permutation et les permutations de l’ensemble. À partir d’un ensemble donné de permutations, notre but est de trouver la permutation, appelée médiane, qui minimise cette distance à l’ensemble. Le problème de la médiane de permutations sous la distance de Kendall-τ, trouve son application en bio-informatique, en science politique, en télécommunication et en optimisation. Ce problème d’apparence simple est prouvé difficile à résoudre. Dans ce mémoire, nous présentons plusieurs approches pour résoudre le problème, pour trouver une bonne solution approximative, pour le séparer en classes caractéristiques, pour mieux com- prendre sa compléxité, pour réduire l’espace de recheche et pour accélérer les calculs. Nous présentons aussi, vers la fin du mémoire, une généralisation de ce problème et nous l’étudions avec ces mêmes approches. La majorité du travail de ce mémoire se situe dans les trois articles qui le composent et est complémenté par deux chapitres servant à les lier.

Étude de la médiane de permutations sous la distance de Kendall-Tau

La distance de Kendall-τ compte le nombre de paires en désaccord entre deux permuta- tions. La distance d’une permutation à un ensemble est simplement la somme des dis- tances entre cette permutation et les permutations de l’ensemble. À partir d’un ensemble donné de permutations, notre but est de trouver la permutation, appelée médiane, qui minimise cette distance à l’ensemble. Le problème de la médiane de permutations sous la distance de Kendall-τ, trouve son application en bio-informatique, en science politique, en télécommunication et en optimisation. Ce problème d’apparence simple est prouvé difficile à résoudre. Dans ce mémoire, nous présentons plusieurs approches pour résoudre le problème, pour trouver une bonne solution approximative, pour le séparer en classes caractéristiques, pour mieux com- prendre sa compléxité, pour réduire l’espace de recheche et pour accélérer les calculs. Nous présentons aussi, vers la fin du mémoire, une généralisation de ce problème et nous l’étudions avec ces mêmes approches. La majorité du travail de ce mémoire se situe dans les trois articles qui le composent et est complémenté par deux chapitres servant à les lier.

The implementation of a novel, bio-inspired, robotic security system

The implementation of a robotic security solution generally requires one algorithm to route the robot around the environment and another algorithm to perform anomaly detection. Solutions to the routing problem require the robot to have a good estimate of its own pose. We present a novel security system that uses metrics generated by the localisation algorithm to perform adaptive anomaly detection. The localisation algorithm is a vision-based SLAM solution called RatSLAM, based on mechanisms within the hippocampus. The anomaly detection algorithm is based on the mechanisms used by the immune system to identify threats to the body. The system is explored using data gathered within an unmodified office environment. It is shown that the algorithm successfully reacts to the presence of people and objects in areas where they are not usually present and is tolerised against the presence of people in environments that are usually dynamic.

Spatial mapping and map exploitation : a bio-inspired engineering perspective

Probabilistic robot mapping techniques can produce high resolution, accurate maps of large indoor and outdoor environments. However, much less progress has been made towards robots using these maps to perform useful functions such as efficient navigation. This paper describes a pragmatic approach to mapping system development that considers not only the map but also the navigation functionality that the map must provide. We pursue this approach within a bio-inspired mapping context, and use esults from robot experiments in indoor and outdoor environments to demonstrate its validity. The research attempts to stimulate new research directions in the field of robot mapping with a proposal for a new approach that has the potential to lead to more complete mapping and navigation systems.

Novel synthetic bio-mimic polymers for potential cell delivery therapy

Cell-based therapy is one of the major potential therapeutic strategies for cardiovascular, neuronal and degenerative diseases in recent years. Synthetic biodegradable polymers have been utilized increasingly in pharmaceutical, medical and biomedical engineering. Control of the interaction of living cells and biomaterials surfaces is one of the major goals in the design and development of new polymeric biomaterials in tissue engineering. The aims of this study is to develop a novel bio-mimic polymeric materials which will facilitate the delivery cells, control cell bioactivities and enhance the focal integration of graft cells with host tissues.

Computing with motile bio-agents

We describe a model of computation of the parallel type, which we call 'computing with bio-agents', based on the concept that motions of biological objects such as bacteria or protein molecular motors in confined spaces can be regarded as computations. We begin with the observation that the geometric nature of the physical structures in which model biological objects move modulates the motions of the latter. Consequently, by changing the geometry, one can control the characteristic trajectories of the objects; on the basis of this, we argue that such systems are computing devices. We investigate the computing power of mobile bio-agent systems and show that they are computationally universal in the sense that they are capable of computing any Boolean function in parallel. We argue also that using appropriate conditions, bio-agent systems can solve NP-complete problems in probabilistic polynomial time.

Bio-diverse-city: Elastic Urbanism

Bio-diverse-city was a group exhibition curated by Barry Fitzpatrick, showcasing different approaches to designing for resilient and sustainable futures. Elastic urbanism was exhibited within the framework of artworks exploring the different solutions to designing for the future. A design proposition for new models of sustainable and ecological urban growth structured around natural water and infrastructure. The project integrates four different modelling techniques and is developing an alternative system for predicting the impact of urban growth in the future. The design proposition and exhibition is part of an ongoing research project.

Utilization of bio-oil for cooking and lighting

Among the available alternative sources of energy in Bangladesh bio-oil is recognized to be a promising alternative energy source. Bio-oil can be extracted by pyrolysis as well as expelling or solvent extractionmethod. In these days bio-oil is merely used in vehicles and power plants after some up gradation .However, it is not used for domestic purposes like cooking and lighting due to its high density and viscosity. This paper outlines the design of a gravity stove to use high dense and viscous bio-oil for cooking purpose. For this, Pongamia pinnata (karanj) oil extracted by solvent extraction method is used as fuel fed under gravity force. Efficiency of gravity stove with high dense and viscous bio-oil (karanj) is 11.81% which of kerosene stove is 17.80% also the discharge of karanj oil through gravity stove is sufficient for continuous burning. Thus, bio-oil can be effective replacement of kerosene for domestic purposes.