Das Studium von Transportmechanismen in komplexen Organismen stellt eine zentrale Herausforderung dar, nicht nur in medizinischen und biologischen Disziplinen, sondern auch zunehmend in der Physik und Netzwerktheorie. Insbesondere sind bionisch inspirierte Designprinzipien zunehmend relevant, da sie zuverlässige Lösungsansätze zu verschiedenen theoretischen und technischen Problemen bieten. Herausstechend sind dabei vaskuläre Netzwerke in Säugetieren, deren Entwicklung auffällig stark auf Selbstorganisation beruhen und die korrekte Verteilung von Sauerstoff, Wasser, Blut oder Ähnlichem erlaubt. Dies wird erreicht durch ein komplexes biochemisches Signalsystem, welches an makroskopische Stimulationen, wie z. B. Reibung und Stress, gekoppelt ist. Die Morphogenese solcher Flussnetzwerke ist allerdings noch anderen Restriktionen unterworfen, da diese räumlich eingebettete Objekte darstellen. Sie sind als solche signifikant beschränkter in ihrer Skalierbarkeitund Dynamik. Diese Dissertation addressiert daher relevante Fragestellungen zur Charakterisierung von Netzwerken und der Morphogenesesimulationen von drei-dimensional eingebetteten Netzwerken Die Schlüsselmechanismen auf die wir uns hier konzentrieren sind Flussfluktuationen, Interaktionen zwischen Paarstrukturen und die Aufnahme von Nährstoffen. Zu Beginn zeigen wir, wie sich konventionelle Ansätze zu Flussfluktuationen als allgemeine Einparametermodelle darstellen lassen. Wir demonstrieren damit den kontinuierlichen Übergang zu zunehmend vernetzten Strukturen und indizieren Topologieabhängigkeiten der Plexus in Anbetracht dieses Übergangs. Darauf aufbauend formulieren wir ein neues Adaptationsmodell für ineinander verwobene Gefäßnetzwerke wie sie auch in der Leber, Bauchspeicheldrüse oder Niere vorkommen. Wir diskutieren anhand dieser Strukturen lokale Wechselwirkungen von dreidimensionalen Netzwerken. Dadurch können wir zeigen, dass repulsiv gekoppelte Netzwerke fluktuationsinduzierte Vernetzungen auflösen und attraktive Kopplungen einen neuen Mechanismus zur Erzeugung eben jener darstellen. Als nächstes verallgemeinern wir die Murray Regel für solch komplexe Wechselwirkungen und Fluktuationen. Die daraus abgeleiteten Relationen nutzen wir zur Regression der Modellparameter und testen diese an den Gefäßnetzwerken der Leber. Weiterhin verallgemeinern wir konventionelle Transportmodelle für die Nährstoffaufnahme in beliebigem Gewebe und testen diese in Morphogenesemodellen gegen die bekannten Ansätze zur Dissipationsminimierung. Hier zeigen sich komplexe Übergänge zwischen vernetzten Strukturen und unkonventionelles Phasenverhalten. Allerdings indizieren die Ergebnisse Widersprüche zu echten Kapillargefäßen und wir vermuten Adaptationsmethoden ohne Gefäßgrößenänderung als wahrscheinlicheren Mechanismus. Im Ausblick schlagen wir auf unseren Ergebnissen aufbauende Folgemodelle vor, welche die Modellierung komplexer Transportprozesse zwischen verschränkten Gefäßnetzwerken zum Ziel haben.:Introduction 1 1.1 Complex networks in biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Flow networks in mammals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Network morphogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Modelling flow network adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Metrics for biological flow networks . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Scaling in spatial networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Redundancy of flow networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.1 Spatial embedding in metabolic costs models . . . . . . . . . . . 16 1.3.2 Characterizing three-dimensional reticulated networks . . . . . . 17 1.3.3 Optimal design for metabolite uptake . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Theory and Methods 23 2.1 Basic principles and mathematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.1 Mathematical basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Linear equation systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Dynamical systems and optimization . . . . . . . . . . . . . . 25 Graph theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.2 Basic hydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Momentum and mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Diffusion-Advection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Flow in a thin channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.3 Kirchhoff networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 Complex transport problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 Taylor dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 Flow-driven pruning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Metabolic cost functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Adaptation and topological transitions . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Results 43 3.1 On single network adaptation with fluctuating flow patterns . . . . . . 43 3.1.1 Incorporating flow fluctuations: Noisy, uncorrelated sink patterns 44 3.1.2 Fluctuation induced nullity transitions . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.3 Finite size effects and topological saturation limits . . . . . . . 52 3.2 On geometric coupling between intertwined networks . . . . . . . . . . 55 3.2.1 Power law model of interacting multilayer networks . . . . . . . 55 3.2.2 Adaptation dynamics of intertwined vessel systems . . . . . . . 57 x 3.2.3 Repulsive coupling induced nullity breakdown . . . . . . . . . . 59 3.2.4 Attractive coupling induced nullity onset . . . . . . . . . . . . 66 3.3 On generalizing and applying geometric laws to complex transport networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.1 Generalizing Murray’s law for complex flow networks . . . . . . 73 Murray’s law for fluctuating flows . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Murray’s Law for extended metabolic costs models . . . . . . . 77 3.3.2 Interpolating model parameters for intertwined networks . . . . 78 Testing ideal Kirchhoff networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.3.3 Identifying geometrical fingerprints in the liver lobule . . . . . . 85 3.4 On the optimization of metabolite uptake in complex flow networks . . 91 3.4.1 Metabolite transport in thin channel systems . . . . . . . . . . . 91 On single channel solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 On detailed absorption rate models . . . . . . . . . . . . . . . . 93 On linear network solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 On the uptake in spanning tree and reticulated networks . . . . 97 3.4.2 Optimizing metabolite uptake in shear-stress driven systems . . 100 Link-wise supply-demand model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Volume-wise supply-demand model . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4 Discussion and Outlook 119 4.1 Summary of Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.3.1 Metabolite transport in the liver lobule . . . . . . . . . . . . . . 124 Expansion of the Ostrenko model . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Complex multi transport probems in biology . . . . . . . . . . . 127 4.3.2 Absorption rate optimization and microscopic elimination models 128 Appendix A More on coupled intertwined networks 131 A.1 Coupling of Diamond lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.1.1 Repulsive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.1.2 Attractive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 A.2 Coupling of Laves Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.1 Repulsive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.2 Attractive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 B More on metabolite uptake adaptation 139 B.1 Deriving dynamical systems from demand-supply relationships . . . . . 139 B.2 Microscopic uptake models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 B.2.1 Detailed uptake estimation in single layer systems . . . . . . . . 142 B.2.2 Detailed uptake estimation in liver sinusoids . . . . . . . . . . . 143 B.3 Metabolite uptake in three-dimensional plexi . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.3.1 Link-wise demand adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.3.2 Volume-wise demand adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Bibliography 155 / Understanding the transport of fluid in complex organisms has proven to be a key challenge not only in the medical and biological sciences, but in physics and network theory as well. This is even more so as biologically-inspired design principles have been increasing in popularity, reliably generating solutions to common theoretical and technical problems. On that note, vascular networks in mammalian organs display a magnificent level of self-organization, allowing them to develop and mature, yet miraculously orchestrate the correct transport of oxygen, water, blood etc. This is achieved by a dedicated biochemical feedback system, which is coupled to macroscopic stimuli, such as mechanical stresses. Another important constraint for the morphogenesis of flow networks is their environment, as these networks are spatially embedded. They are therefore exposed to significant constraints with regards to their scalability and dynamical behavior, which are not yet well understood. This thesis addresses the current challenges of network characterization and morphogenesis modeling for three-dimensional embedded networks. In order to derive proper maturation mechanisms, we propose a set of toy models for the creation of non-planar, entangled and reticulated networks. The key mechanisms we focus on in this thesis are flow fluctuation, coupling of pairing structures and metabolite uptake. We show that in accordance with previous theoretical approaches, fluctuation induced nullity can be formulated as a single parameter problem. We demonstrate that the reticulation transition follows a logarithmic law and find plexi with certain topologies to have limited nullity transitions, rendering such plexi intrinsically wasteful in terms of fluctuation generated reticulation. Moreover, we formulate a new coupling model for entangled adapting networks as an approach for vasculature found in the liver lobules, pancreas, kidneys etc. We discuss a model based on local, distance-dependent interactions between pairs of three-dimensional network skeletons. In doing so we find unprecedented delay and breakdown of the fluctuation induced nullity transition for repulsive interactions. In addition we find a new nullity transition emerging for attractive coupling. Next, we study how flow fluctuations and complex metabolic costs can be incorporated into Murray’s Law. Utilizing this law for interpolation, we are able to derive order of magnitude estimation for the parameters in liver networks, suggesting fluctuation driven adaptation to be the dominant factor. We also conclude that attractive coupling is a reasonable mechanism to account for the maintenance of entangled structures. We test optimal metabolite uptake in Kirchhoff networks by evaluating the impact of solute uptake driven dynamics relative to wall-shear stress driven adaptation. Here, we find that a nullity transition emerges in case of a dominant metabolite uptake machinery. In addition to that, we find re-entrant behavior in case of high absorption rates and discover a complex interaction between shear-stress generation and feedback. Nevertheless, we conclude that metabolite uptake optimization is not likely to occur due to radial adaptation alone. We suggest areas for further studies, which should consider absorption rate variation in order to account for realistic uptake profiles. In our outlook, we suggest a complex morphogenesis model for intertwined networks based on the results of this thesis.:Introduction 1 1.1 Complex networks in biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Flow networks in mammals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Network morphogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Modelling flow network adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Metrics for biological flow networks . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Scaling in spatial networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Redundancy of flow networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.1 Spatial embedding in metabolic costs models . . . . . . . . . . . 16 1.3.2 Characterizing three-dimensional reticulated networks . . . . . . 17 1.3.3 Optimal design for metabolite uptake . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Theory and Methods 23 2.1 Basic principles and mathematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.1 Mathematical basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Linear equation systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Dynamical systems and optimization . . . . . . . . . . . . . . 25 Graph theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.2 Basic hydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Momentum and mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Diffusion-Advection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Flow in a thin channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.3 Kirchhoff networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 Complex transport problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 Taylor dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 Flow-driven pruning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Metabolic cost functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Adaptation and topological transitions . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Results 43 3.1 On single network adaptation with fluctuating flow patterns . . . . . . 43 3.1.1 Incorporating flow fluctuations: Noisy, uncorrelated sink patterns 44 3.1.2 Fluctuation induced nullity transitions . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.3 Finite size effects and topological saturation limits . . . . . . . 52 3.2 On geometric coupling between intertwined networks . . . . . . . . . . 55 3.2.1 Power law model of interacting multilayer networks . . . . . . . 55 3.2.2 Adaptation dynamics of intertwined vessel systems . . . . . . . 57 x 3.2.3 Repulsive coupling induced nullity breakdown . . . . . . . . . . 59 3.2.4 Attractive coupling induced nullity onset . . . . . . . . . . . . 66 3.3 On generalizing and applying geometric laws to complex transport networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.1 Generalizing Murray’s law for complex flow networks . . . . . . 73 Murray’s law for fluctuating flows . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Murray’s Law for extended metabolic costs models . . . . . . . 77 3.3.2 Interpolating model parameters for intertwined networks . . . . 78 Testing ideal Kirchhoff networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.3.3 Identifying geometrical fingerprints in the liver lobule . . . . . . 85 3.4 On the optimization of metabolite uptake in complex flow networks . . 91 3.4.1 Metabolite transport in thin channel systems . . . . . . . . . . . 91 On single channel solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 On detailed absorption rate models . . . . . . . . . . . . . . . . 93 On linear network solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 On the uptake in spanning tree and reticulated networks . . . . 97 3.4.2 Optimizing metabolite uptake in shear-stress driven systems . . 100 Link-wise supply-demand model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Volume-wise supply-demand model . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4 Discussion and Outlook 119 4.1 Summary of Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.3.1 Metabolite transport in the liver lobule . . . . . . . . . . . . . . 124 Expansion of the Ostrenko model . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Complex multi transport probems in biology . . . . . . . . . . . 127 4.3.2 Absorption rate optimization and microscopic elimination models 128 Appendix A More on coupled intertwined networks 131 A.1 Coupling of Diamond lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.1.1 Repulsive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.1.2 Attractive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 A.2 Coupling of Laves Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.1 Repulsive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.2 Attractive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 B More on metabolite uptake adaptation 139 B.1 Deriving dynamical systems from demand-supply relationships . . . . . 139 B.2 Microscopic uptake models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 B.2.1 Detailed uptake estimation in single layer systems . . . . . . . . 142 B.2.2 Detailed uptake estimation in liver sinusoids . . . . . . . . . . . 143 B.3 Metabolite uptake in three-dimensional plexi . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.3.1 Link-wise demand adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.3.2 Volume-wise demand adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Bibliography 155

[pt] O objetivo geral da presente Tese é analisar a morfogênese do sistema de drenagem do rio Paraíba do Sul e reconhecer os processos envolvidos na sua evolução. Para tanto, foram utilizados os seguintes procedimentos metodológicos: (i) revisão bibliográfica sobre a temática; (ii) construção de um banco de dados temáticos georreferenciados; (iii) análise morfológica e morfométricas dos sistemas de drenagem e do relevo; (iv) processamento de dados em ambiente SIG e análise dos resultados. Ao analisar a morfologia dos sistemas de drenagem na bacia hidrográfica do rio Paraíba do Sul foram identificadas zonas de convergência de drenagem ao longo da calha principal do rio, estando associadas aos grábens originados pelo tectonismo cenozoico que atingiu o planalto sudeste, sendo eles: Taubaté, Resende, Volta Redonda, Três Rios e Itaocara. Além disso, percebeu-se a ocorrência de gorges (gargantas) próximos às zonas de convergência de drenagem, o que sugere a formação de paleodivisores ao longo da bacia. Foram extraídos perfis normalizados de afluentes de drenagem que indicam que rios distantes da foz do rio Paraíba do Sul apresentam índices de concavidades elevados, indicando maior ajuste ao nível de base. Os mapas Seppômen indicam a formação de depressões topográficas ao longo do Planalto Sudeste, situados nos grábens e nas zonas de convergência de drenagem. A análise de perfis topográficos ao longo do divisor da Mantiqueira indica maior dissecação na porção nordeste e menor dissecação na porção sul, esta característica é corroborada pelos valores de chi (χ) que indicam um divisor mais próximo do equilíbrio na porção norte enquanto o divisor na porção sul está submetido à processos de migração e recuo. Com a análise dos resultados, pode-se dizer que o sistema fluvial da Bacia Hidrográfica do rio Paraíba do Sul possui uma complexa história evolutiva, herdada pela interação de esforços tectônicos e processos geomorfológicos sobre o relevo. Sua paleodrenagem era formada por sistemas fluviais endorreicos que convergiam na direção das depressões do relevo formadas com a consolidação do Rift Continental do Sudeste do Brasil. Esta afirmação é comprovada por três evidências: (i) a ocorrência de drenagens inversas ao canal principal do rio Paraíba do Sul; (ii) Perfis de drenagens muito ajustados ao nível de base distantes da foz; (iii) a formação de zonas topográficas deprimidas interrompidas por elevações observados no mapa Seppômen. A evolução do sistema de drenagem da área de estudo se deu por meio de erosão remontante a partir de capturas fluviais sobre o planalto sudeste brasileiro. Estes mecanismos de erosão remontante e capturas fluviais dissecaram os paleodivisores e criaram vagas erosivas que incorporaram, uma a uma, os sistemas fluviais endorreicos do RCSB ao Oceano Atlântico. O sistema de capturas e o pulso erosivo do rio Paraíba do Sul atingiu o divisor da Serra da Mantiqueira inicialmente a norte, através do rio Pomba, e avançou sobre o planalto sudeste incorporando sistemas de drenagem endorréicos por meio de capturas de drenagem até configurar o sistema de drenagem atual. / [en] The main objective of this Thesis is to analyze the morphogenesis of the Paraíba do Sul River drainage system and to recognize the processes involved in its evolution. For that, the following methodological procedures were used: (i) bibliographic review about the theme; (ii) construction of a georeferenced thematic database; (iii) morphological and morphometric analysis of drainage and relief systems; (iv) data processing in a GIS environment and analysis of results. Analyzing the morphology of the drainage systems in the Paraíba do Sul river basin, drainage convergence zones were identified along the main river channel, being associated with the grays originated by the cenozoic tectonism that reached the southeast plateau, being: Taubaté, Resende, Volta Redonda, Três Rios and Itaocara. The occurrence of gorges (gorges) near the drainage convergence zones was noticed, which suggests the formation of paleodividers along the basin. Standardized profiles of drainage tributaries were extracted, indicating that rivers distant from the mouth of the Paraíba do Sul River have high concavity indexes, indicating greater adjustment at the base level. Seppômen maps indicate the formation of topographic depressions along the Southeast Plateau, located on the slopes and in the drainage convergence zones. These depressions occur at the Cenozoic grabens along the southeast plateau. Analysis of topographic profiles along the divider of Mantiqueira indicates greater dissection in the northeast portion and lesser dissection in the southern portion, this characteristic is corroborated by the chi (χ) values that indicate a divider closer to balance in the northern portion while the divider in the southern portion is submitted to migration and retreat processes. With the analysis of the results, it can be said that the river system of the Paraíba do Sul River Basin has a complex evolutionary history, inherited by the interaction of tectonic efforts and geomorphological processes on the relief. Its paleodrainage was formed by endorheic river systems that converged in the direction of the relief depressions formed with the consolidation of the Continental Rift of Southeast Brazil. This statement is supported by three evidences: (i) occurrence of reverse drains to the main channel of the Paraíba do Sul River; (ii) Drainage profiles very adjusted to the base level far from the mouth; (iii) formation of depressed topographic zones interrupted by elevations observed in the Seppômen map. The evolution of the drainage system in the study area was achieved through eroding erosion from river catches over the southeastern Brazilian plateau. Mechanisms of remounting erosion and river catches dissected the paleodividers and created erosive waves that incorporated, one by one, the RCSB s endorheic river systems into the Atlantic Ocean. The capture system and the erosive pulse of the Paraíba do Sul River reached the Serra da Mantiqueira divider initially to the north, through the Pomba River, and advanced over the southeast plateau incorporating endorheic drainage systems by means of drainage catches until the system was configured. current drainage.

Collective cell migration is a defining feature of many morphogenetic processes. Diseases such as congenital heart diseases and cancer arise due to mis-regulation of collective migratory behaviour and animal models have played a pivotal role in dissecting the molecular mechanisms which underlie this process. During embryonic heart development, cardiac precursors undergo a stage of collective migration in both vertebrates and invertebrates. We developed a paradigm to quantitatively assess collective cell migration of cardiac precursors in live embryos of Drosophila, which is the simplest genetic model organism with a heart. Therefore, we studied processes which are commonly observed in most collective cell migration models such as guidance signalling and extracellular matrix remodelling. Our results demonstrate that leading edge of migrating cardioblasts is highly active and that this behaviour is regulated by guidance cues, Slit and Netrin and their respective receptors Robo/Robo2 and Frazzled/Uncoordinated5. These molecules cooperatively promote leading edge motility and epithelial characteristics of the cardioblasts. Next, we determined that matrix restructuring around the cardioblasts requires proteases Mmp1 and Mmp2, which are members of the highly conserved Matrix Metalloproteinase family. We demonstrate that Mmp1 and Mmp2 have distinct roles during lumen formation, however, both Mmp1 and Mmp2 are required for collective motility of the cardioblast leading edge. Hence, we propose that embryonic heart development in Drosophila is an effective and amenable model of collective cell migration which can be applied to discover unique mechanisms which coordinate cell movement in groups. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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La construction du nid chez les fourmis génère des structures assumant de nombreuses fonctions, qui sont en grande partie dépendantes de l’architecture produite. L’omniprésence de ces fonctionnalités contraste avec la forte diversité intra et inter-spécifique de la morphologie du nid.<p>Ce travail a pour objectifs de déterminer d’une part la morphogenèse du nid durant son excavation par les fourmis (Chapitre 3), et d’autre part de quantifier l’impact de la taille du groupe (Chapitre 3) et de la qualité de l’environnement (qualité du matériau, gravité; Chapitres 4 & 5) sur cette séquence. Pour répondre à ces questions, nous avons utilisé un dispositif de creusement en deux dimensions (2D) afin de suivre la dynamique d’excavation et l’évolution de la morphologie du nid au cours du temps.<p>Nous avons tout d’abord mis en évidence (Chapitre 3) un changement brutal de la morphologie du nid au cours de sa croissance. Durant une première période d’excavation homogène, le nid est constitué d’une seule cavité de forme circulaire et au contour régulier. Par la suite, le pourtour de la cavité devient plus irrégulier, l’apparition de ‘‘bourgeons’’ lui donnant une apparence plus plissée. Enfin, la cavité centrale cesse de croître lorsque des ramifications se déploient depuis certains des ‘‘bourgeons’’. Nous avons qualifié de transitions morphologiques ces brusques changements de forme, dont la fréquence d’apparition augmente avec la taille de la population.<p>Notre analyse et le recours à la simulation semblent indiquer que ce phénomène soit basé non pas sur un changement de comportement des ouvrières excavatrices mais sur la densité d’activité au front de creusement. Lorsque celle-ci est importante, des phénomènes d’encombrement se manifestent et le nid est excavé de manière homogène. À l’inverse, lorsque l’encombrement diminue les ouvrières peuvent focaliser leur travail et excavent des galeries. Un modèle analytique (Chapitre 6) a permis d’étudier les conditions d’apparition de cette transition morphologique.<p>Nos autres résultats indiquent que le matériau de construction influence très fortement la morphogenèse du nid (Chapitre 4) :les nids excavés dans un milieu cohésif sont plus fréquemment ramifiés et la transition morphologique apparaît à des surfaces de nid plus petites que dans un milieu granulaire. Il semblerait qu’à nouveau, il n’y ait aucune variation comportementale impliquée, mais que l’environnement joue un rôle de ‘‘médiateur’’ des interactions entre les fourmis: le milieu change le temps d’extraction et donc la probabilité individuelle d’excavation, cette variation est exacerbée par les mécanismes d’amplification à l’œuvre, modifiant alors sensiblement la dynamique collective de creusement et la structure du nid.<p>Enfin, une série d’expériences (Chapitre 5) nous a permis de déterminer l’influence de la gravité sur la morphogenèse. Il apparait que la gravité sert de gabarit à la construction, puisque les nids excavés dans un dispositif à l’orientation verticale sont tous dirigés vers le bas. Aussi, si le nid prend directement une forme de long puit vertical sans jamais présenter de chambre, le mécanisme de transition morphologique reste visible, sous forme de bifurcation des galeries à leur extrémités. Ce phénomène de tip-splitting semble aussi apparaître sous la contrainte de la densité d’ouvrières excavant au fond des galeries.<p>Notre travail a donc mis en évidence un phénomène de transition morphologique capable de produire les modules de base de tout nid - chambres et galeries -, et qui semble découler non pas de modifications comportementales, mais de la seule interaction de l’amplification de l’activité et de l’encombrement au front d’excavation. Ce phénomène ubiquiste propose une explication à la grande variété de structures observées sur le terrain, en lien notamment avec la diversité et l’hétérogénéité des milieux, et la dynamique des colonies. Enfin, les similitudes de la transition morphologique avec les instabilités de croissance observées dans de nombreux systèmes biologiques et physico-chimique invitent à considérer ces derniers phénomènes à la lumière de nos résultats. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Bien que partageant une homologie structurelle évidente, les membres antérieurs (MA) sont toujours différents des membres postérieurs (MP). Ceci suggère l’existence d’un programme générique de formation d’un membre, un bauplan, qui doit être modulé de façon spécifique pour engendrer cette différence antéro-postérieure de l’identité. Nous avons donc voulu identifier les mécanismes déployés durant l’évolution pour permettre la mise en place de l’identité des membres. Le laboratoire avait précédemment caractérisé, chez les souris où le gène Pitx1 est inactivé, une transformation partielle des MP en MA couplée à une perte de croissance. Nous avons donc cherché à comprendre les mécanismes en aval de Pitx1 dans la détermination de l’identité postérieure. Notre démarche nous a permis d’identifier les gènes affectés par la perte de Pitx1 dans les MP, où nous avons confirmé une dérégulation de l’expression de Tbx4. Tbx4 et Tbx5 sont des candidats évidents pour déterminer l’identité, leur expression étant restreinte aux MP et MA, respectivement, mais leur implication dans ce processus était sujette à controverse. Nous avons donc évalué l’apport de Tbx4 en aval de Pitx1 dans les processus d’identité en restaurant son expression dans les MP des souris Pitx1-/-. Ce faisant, nous avons pu montrer que Tbx4 est capable de pallier la perte de Pitx1 dans le MP, en rétablissant à la fois les caractères d’identité postérieure et la croissance. En parallèle, nous avons montré que Tbx5 était capable de rétablir la croissance mais non l’identité des MP Pitx1-/-, démontrant ainsi de façon définitive une propriété propre à Tbx4 dans la détermination de l’identité des membres postérieure. La caractérisation de l’activité transcriptionnelle de Tbx4 et Tbx5 nous a permis de mettre en évidence un domaine activateur conservé mais aussi un domaine spécifique à Tbx4, répresseur de la transcription. Par ailleurs, une mutation faux-sens de TBX4 dans les patients atteints du syndrome coxo-podo-patellaire, TBX4Q531R, inactive le domaine répresseur, empêchant la compensation de l’identité mais non de la croissance des MP dépourvus de Pitx1, démontrant l’importance de cette fonction dans l’identité postérieure. La caractérisation de l’activité répressive de Tbx4, qui se manifeste seulement dans les membres postérieurs démontre l’importance de cette fonction dans l’identité postérieure. Nous avons aussi été en mesure d’identifier un corépresseur qui est suffisant pour supporter cette activité de Tbx4. Enfin, nous avons pu aussi démontrer l’activité transcriptionnelle d’un représentant du gène ancestral, présent chez Amphioxus, qui se comporte strictement comme un activateur et semble dépourvu du domaine répresseur. En somme, nous avons précisé le rôle de Tbx4 et Tbx5, ainsi que leur mécanisme, dans la détermination de l’identité des membres. Globalement, nos travaux permettent d’élaborer une théorie où une divergence d’activité transcriptionnelle de Tbx4 et Tbx5 est responsable de l’identité des membres et même entrevoir que cette divergence d’activité soit à la base de son apparition durant l’évolution. / Forelimbs and hindlimbs are a classical example of serial homology, suggesting they share an evolutionary common generic program that directs their formation. Identity is presumably derived from specific modulations of that program in different limb type. Transcription factors are prime candidates to link these structural differences to specific modulations and three factors with limb-specific expression have been identified. Pitx1 and Tbx4 expression is restricted to the hindlimbs while Tbx5 is restricted to the forelimbs and they have all been ascribed functions in both growth and identity from knockout and overexpression studies. Recent studies have produce evidence that Tbx4 and Tbx5 are interchangeable, sharing identical properties to support growth but not identity of the limbs, the latter being a direct consequence of Pitx1 expression. Indeed, Pitx1 deficient mice have been previously described as undergoing a hindlimb-to-forelimb transformation in addition of growth defects. To better assess the shared and specific properties of Tbx4 and Tbx5, we assessed their capacities to rescue identity and growth defects by expression studies in Pitx1-/- hindlimbs. Specifically, previous studies had shown that Pitx1 deficiency causes the loss of hindlimb features, the transformation of hindlimb features toward forelimb-like morphology, the gain of a forelimb feature and the asymmetric loss of growth at the level of the femur. Targeted expression in the limbs of both Tbx4 and Tbx5 rescued the growth defects similarly. Interestingly, only Tbx4 was able to restore identity features affected in absence of Pitx1. To further assess these shared and specific properties, we conducted transcriptional assays that revealed the presence of a shared and conserved transactivating domain in the C-terminal moiety of these proteins. Moreover, we could identify a repressor domain specific to Tbx4. Human small patella syndrome maps to TBX4 and a coding mutation, TBX4Q531R, that specifically inactivates the repressive properties of Tbx4 prevents it from rescuing identity to the Pitx1-/- hindlimbs but not from rescuing growth. We also conducted a yeast two-hybrid assay that allowed the identification of putative co-factors of Tbx4, of which one seems to act as a co-repressor. Together, our results support the presence of a Tbx4/Tbx5 conserved activating domain required for limb outgrowth that is an integral part of the limb bauplan. Importantly, we identified a molecular basis for the determination of limb identity through the Tbx4-specific repressor domain and reveal a novel path through which limb identity may have emerged during evolution.

Au vu de l’impact croissant du changement climatique global et en particulier de la sécheresse sur les forêts, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de réponse des arbres face à des variations de disponibilité en eau. Ces dernières années, des études ont montré un contrôle épigénétique et notamment par la méthylation de l’ADN de la plasticité phénotypique des plantes en réponse aux variations environnementales. Dans ce contexte, cette thèse visait à évaluer le rôle de la méthylation de l’ADN des cellules du méristème apical caulinaire dans la plasticité développementale de la tige feuillée en réponse à des variations de disponibilité en eau chez le peuplier, un arbre modèle. A cette fin, le méthylome de la chromatine non condensée dans le méristème apical caulinaire de Populus trichocarpa a été caractérisé. Ensuite, l’impact de variations de disponibilité en eau sur la méthylation de l’ADN a été étudié dans l’apex caulinaire de différents hybrides (P. × euramericana). Les loci et les réseaux de gènes affectés pour leur expression et leur méthylation ont ainsi été identifiés. Ces travaux ont montré que dans le méristème apical caulinaire, la majorité des gènes étaient dans un état non condensé de la chromatine et méthylés dans leur corps. Ils ont également mis en évidence une forte variation de la méthylation globale de l’ADN selon les génotypes et en réponse à des variations de disponibilité en eau. De plus, des corrélations ont été établies entre les niveaux de croissance des arbres et de méthylation globale de l’ADN dans l’apex caulinaire. Enfin, les variations de la méthylation de l’ADN en réponse aux variations de la disponibilité en eau s’accompagnent de variations d’expression et ont ciblé particulièrement des gènes impliqués dans la signalisation par les phytohormones ou la morphogenèse. Ainsi, les travaux effectués lors de cette thèse suggèrent un rôle de la méthylation de l’ADN dans la plasticité phénotypique en réponse à des variations de disponibilité en eau chez le peuplier via le contrôle de l’expression de réseaux de gènes dans le méristème apical caulinaire. / Predicted climate changes and particularly drought represent a major threat to forest health. Therefore, understanding mechanisms that control trees response to variations in water availability is of great interest. These last years, epigenetic marks such as DNA methylation have been involved in plant phenotypic plasticity in response to environmental stresses. In this context, this work aimed at assessing the role of shoot apical meristem cells DNA methylation in the shoot developmental plasticity towards variations in water availability in poplar, a model tree. For this purpose, the methylome of non condensed chromatin in Populus trichocarpa shoot apical meristem was characterized. Then, the impact of variations in water availability on shoot apex DNA methylation in different hybrids (P. × euramericana) was studied. Loci and gene networks affected by DNA methylation and expression changes were thus identified. This work showed that in shoot apical meristem, most of the genes was in non condensed chromatin state with DNA methylation in their body. A strong variation in DNA methylation depending on genotypes and water availability was highlighted. Moreover, correlations between trees growth and shoot apex DNA methylation levels were established. Lastly, DNA methylation changes in response to variations in water availability correlated to expression variations were identified for genomic loci and gene networks. Thus, the work performed during this thesis suggests a role for DNA methylation in poplar phenotypic plasticity in response to variations in water availability through the control of gene networks transcription in the shoot apical meristem.

La bactérie Streptococcus pneumoniae peut provoquer de sérieuses pathologies chez l'homme telles que des pneumonies, méningites ou septicémies. L'étude de cette bactérie constitue donc un enjeu de santé publique international. Ces dernières années, il a été mis en évidence que les bactéries exprimaient des Sérine/Thréonine Protéine‐Kinases de type eucaryote (STPKs) et que ces dernières intervenaient dans la régulation de nombreux processus cellulaires. Une approche prometteuse serait donc de cibler les mécanismes de régulation contrôlés par les STPKs pour lutter contre les infections à pneumocoque. L'analyse du génome de S. pneumoniae a montré que cette bactérie possède un seul gène codant pour une STPK, la protéine StkP. Mes travaux de thèse ont montré que StkP est un acteur majeur de la division cellulaire et de la morphogenèse du pneumocoque. J'ai montré que son activité kinase est dépendante de la protéine GpsB et qu'elle phosphoryle spécifiquement plusieurs protéines dont la protéine de division DivIVA. L'ensemble de mes travaux permet de proposer un modèle dans lequel la triade StkP/GpsB/DivIVA régulerait finement la division et l'élongation cellulaire du pneumocoque. À plus long terme, ces travaux pourront servir de base à des études plus structurales pour développer des molécules bloquant les processus dépendants de la phosphorylation assurée par StkP, et générer ainsi de nouvelles molécules affectant le pouvoir pathogène du pneumocoque / The bacterium Streptococcus pneumoniae is the causative agent of several diseases such as pneumonia, meningitis or septicemia. The study of this bacterium represents thus an international health challenge. Over the last decade, bacteria have been shown to produce eukaryotic‐like Serine/Threonine Protein‐Kinases (STPKs) that are involved in the regulation of several cellular processes. A promising approach would be to target the regulatory mechanisms controlled by STPKs to combat pneumococcal infections. The pneumococcus possesses a single gene encoding for a STPK, the protein StkP. The aim of my work was to characterize the biological function of StkP. My work shows that StkP plays crucial roles in the cell division and morphogenesis of S. pneumoniae. I show that the cell division protein GpsB is required for the kinase activity of StkP that, in turn, specifically phosphorylates the cell division protein DivIVA. Altogether, I propose a model in which the StkP/GpsB/DivIVA triad finely tunes S. pneumonia cell division and elongation. These data could provide the basis for future structural studies to develop specific inhibitors of StkP‐mediated phosphorylation and affecting pneumococcal virulence

Die Forschung an der Hefe Saccharomyces cerevisiae – auch als Bäckerhefe bekannt – hat sich für die biologische Grundlagenforschung als unentbehrlich erwiesen und führte zu wichtigen Erkenntnissen in der Erforschung von Krankheiten wie Krebs. Am Beispiel der Paarung von Hefezellen werden in dieser Arbeit wesentliche Aspekte der eukaryotischen Zellbiologie untersucht. In der Haplophase des Lebenszyklus der Hefe, treten haploide Zellen als Paarungstyp MATa oder MATα auf. Diese Paarungstypen kommunizieren über Pheromone, die in ein extrazelluläres Medium abgesondert werden und von Zelloberflächenrezeptoren des komplementären Paarungstyps erkannt werden. Hefezellen wachsen in die Richtung eines möglichen Paarungspartners, da sie sich nicht aktiv bewegen können. Die Auswertung von empirischen Daten aus der Fluoreszenzmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit mathematischen Modellen ermöglichte die Rekonstruktion wesentlicher Prozesse der Hefepaarung: (i) Interzelluläre Kommunikation über die Sezernierung und Rezeption von Pheromonen, (ii) Aufbau der Zellpolarität als Reaktion auf die Pheromonantwort, (iii) Induktion und Mechanik der Zellformänderung. Folgende Modelle wurden dazu entwickelt: (i) Die interzelluläre Kommunikation wurde unter Verwendung von zellulären Automaten mit Hilfe von Reaktions-Diffusions (RD) Gleichungen modelliert. Das Modell zeigte, dass die gegenseitige Stimulierung und erhöhte Pheromonabsonderung zu einer verbesserten Abstimmung in der Paarung in der Zellpopulation führt. (ii) Ein Turing- und ein Phasenseparations- Mechanismus wurden als Modelle zum Aufbau der Zellpolarität verwendet. Volumen-Oberflächen gekoppelte RD Gleichungen wurden analytisch und numerisch mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. (iii) Die Zellwandveränderung wurde mit klassischer Kontinuumsmechanik und der FEM Methode modelliert. Dies ermöglichte eine Beschreibung der reversiblen elastischen und der irreversiblen plastischen Verformungen der Zellwand. / Research on the yeast Saccharomyces cerevisiae – also known as baker’s yeast – has been essential not only for fostering basic biological knowledge but even more so for contributing towards understanding diseases such as cancer. In this thesis, general biological phenomena occurring in eukaryotic cells are investigated, exemplified by the mating process of yeast. In the haploid phase of their life cycle, yeast cells occur as mating type MATa or MATα, both of which communicate via pheromones that are secreted in an extracellular medium and can be sensed by cell-surface receptors of the complementary mating type. In order to mate, yeast cells grow towards a potential mating partner, since they are not able to actively move. Mathematical models on the basis of fluorescence and atomic force microscopy (AFM) data were developed. The key aspects of the yeast mating process that I examined were (i) intercellular communication of cells via pheromones, (ii) the initial symmetry break and implementation of cell polarity, and (iii) subsequent morphogenetic changes. The methods used and findings were as follows: (i) Pheromone secretion and sensing motifs were modelled using cellular automata models based on reaction-diffusion (RD) equations. My models show that mutual stimulation and increased pheromone secretion between cells improves mating efficiency in cell populations. (ii) To explain yeast mating decisions, two possible model types for cell polarity were tested: a Turing-type and a phase-separation mechanism. Bulk-surface RD equations were investigated analytically and numerically using the finite element method (FEM). Typical cell shapes were reconstructed in 2D and 3D. (iii) The cell wall was modelled using classical continuum mechanics that allows for reversible elastic and irreversible plastic cell wall deformation. Mathematical modelling demonstrated that all three processes investigated are precisely orchestrated and interlocked during yeast mating.