Les systèmes biologiques présentent de nombreux phénomènes complexes, aux interactions encore plus complexes. La modélisation a pour but de faciliter l'étude et la compréhension des systèmes biologiques, par l'observation ou la simulation des modèles créés. Les réseaux d'interactions biomoléculaires sous-tendent ces modèles. Les travaux de thèse que nous présentons portent sur la prédiction systématique de réseaux d'interactions biomoléculaires, afin de fournir les éléments d'entrée nécessaires au processus de modélisation. Les deux thèmes centraux seront la prédiction de réseaux d'interactions protéine-protéine et l'extrapolation de voies métaboliques. Nous définissons tout d'abord un cadre formel d'extraction de graphes d'interactions dictée par des politiques, qui permet de créer des résumés intelligents à partir de jeux de données hétérogènes. Une séparation claire des tâches d'extraction et de visualisation de l'information nous permet d'exprimer différents algorithmes existants, estimant par exemple la qualité des réseaux d'interactions biomoléculaires prédits. Nous avons mis en oeuvre ce cadre formel dans le logiciel ProViz [Iragne et al., 2005]. Nous présentons par la suite, des méthodes informatiques d'extrapolation de voies métaboliques, inspirées du précédent formalisme et basées sur l'utilisation de voies de référence et sur une identification robuste d'équivalents fonctionnels. Ces méthodes nous permettent de prédire un ensemble de voies métaboliques centrales, formant la base de modèles pour des organismes dont seules les données génomiques sont disponibles. Les différents résultats, disponibles en ligne [Sherman et al., 2006] ou en cours de publication, nous permettent de valider notre approche.

Dans les réacteurs à eaux pressurisée, les internes de cuve sont soumis à d’intenses irradiations induisant le mécanisme de corrosion sous contrainte assistée par l’irradiation initié par le phénomène de ségrégation induite par l’irradiation (SIR). La SIR observée dans les aciers austénitiques 316 est modélisée à l’échelle atomique en considérant un alliage ternaire modèle Fe–10Ni–20Cr. Pour atteindre cet objectif, nous avons construit un modèle d’interactions de paires pour le système Fe-Ni-Cr afin de modéliser la SIR par méthodes Monte Carlo. Le modèle d’interactions de paires fut déduit à la fois des calculs DFT (Density Functional Theory) disponibles dans les systèmes pures cubiques faces centrées, mais aussi en effectuant des calculs DFT dans l’alliage Fe–10Ni–20Cr. Les énergies de formation calculées dans cet alliage modèle dépendent fortement de l’environnement local des défauts ponctuels. Nous avons pu ainsi établir une relation liant ces énergies au nombre et à la position des atomes de Ni et de Cr se trouvant à proximité des défauts ponctuels. Dans cette étude, nous montrons qu’un modèle d’interactions de paires uniquement basé sur les interactions entre éléments positionnés sur les sites du réseau (éléments d’alliage et lacune) est incapable de prendre en compte seul à la fois les aspects thermodynamiques et cinétiques de la SIR. Une estimation plus précise des barrières de migration est requise pour les espèces migrantes que celle proposée qui ne prend pas en compte l’environnement du point col. Ce travail montre ainsi qu’il est nécessaire de réaliser des calculs DFT des énergies de migration afin d’être en mesure de calibrer un modèle utilisable dans le cadre de simulations de Monte Carlo cinétique atomique. Nous montrons également que l’ajustement de notre modèle sur les données DFT obtenues pour les interstitiels est incompatible avec la modélisation de la SIR aux électrons. / In pressurized water reactors, under irradiation internal structures are subject of irradiation assisted stress corrosion cracking which is influenced by radiation induced segregation (RIS). In this work RIS of 316 stainless steels is modelled considering a model ternary Fe–10Ni–20Cr alloy. For this purpose we have built an Fe-Ni-Cr pair interaction model to simulate RIS at the atomistic level using an atomistic kinetic Monte Carlo approach. The pair interactions have been deduced from density functional theory (DFT) data available in the pure fcc systems but also from DFT calculations we have performed in the Fe–10Ni–20Cr target alloy. Point defect formation energies were calculated and found to depend strongly on the local environment of the defect. As a consequence, a rather good estimation of these energies can be obtained from the knowledge of the number and respective positions of the Ni and Cr atoms in the vicinity of the defect. This work shows that a model based only on interaction parameters between elements positioned in perfect lattice sites (solute atoms and vacancy) cannot capture alone both the thermodynamic and the kinetic aspect of RIS. A more accurate of estimating the barriers encountered by the diffusing species is required than the one used in our model, which has to depend on the saddle point environment. This study therefore shows thus the need to estimate point defect migration energies using the DFT approach to calibrate a model that can be used in the framework of atomic kinetic Monte Carlo simulations. We also found that the reproduction by our pair interaction model of DFT data for the self-interstitial atoms was found to be incompatible with the modelling of RIS under electron irradiation.

Les systèmes quantiques d'interactions répétées sont des modèles à la fois simples et flexibles qui apparaîssent de façon naturelle dans plusieurs domaines, dont notamment l'optique quantique et la théorie des bruits quantiques. Dans cette thèse, on s'est intéressé à leur étude perturbative. On a généralisé un théorème dû a Attal et Joye [Attal and Joye, Weak Coupling and Continuous Limits for Repeated Quantum Interactions, J. Stat. Phys., 126, (2007)] sur l'existence de limite de van Hove pour ces systèmes au cadre des algèbres de von Neumann quelconques. Ensuite, on a montré que si le système de référence est de dimension fini, alors l'existence d'un état asymptotique unique pour la limite de van Hove implique la convergence vers un état asymptotique périodique unique pour le système de référence, pourvu que le paramètre de perturbation soit suffisamment petit. De plus, le terme d'ordre zéro du développement en puissances du paramètre de perturbation de cet état asymptotique périodique coïncide avec l'état asymptotique de la limite de van Hove, sauf pour la différence d'échelle temporelle qui doit être prise en compte (donnant lieu à la periodicité). Ce résultat est important pour la justification physique de l'utilisation du formalisme thermodynamique dans le régime de couplage faible développé dans [Lebowitz and Spohn, Irreversible thermodynamics for quantum systems weakly coupled to thermal reservoirs, Adv. Chem. Phys. 38 (1978)].

L'étude des grands réseaux d'interactions, ou réseaux rencontrés dans des contextes pratiques, vise à expliquer les interactions entre les différents individus d'un réseau par l'étude des grandes lois le gouvernant et à comprendre les divers phénomènes pouvant se produire sur ces réseaux. Cette thèse, divisée en trois parties, est consacrée à l'étude de ces réseaux.<br />La première partie est centrée sur l'analyse des réseaux et fait un point critique sur les réseaux étudiés et les paramètres introduits pour mieux comprendre leur structure. Un certain nombre de ces paramètres sont partagés par la majorité des réseaux étudiés et justifient l'étude de ceux-ci de manière globale.<br />La seconde partie qui constitue le coeur de cette thèse s'attache à la modélisation des grands réseaux d'interactions, c'est-à-dire la construction de graphes artificiels semblables à ceux rencontrés en pratique. Ceci passe tout d'abord par la présentation des modèles existants puis par l'introduction d'un modèle basé sur certaines propriétés non triviales qui est suffisamment simple pour que l'on puisse l'étudier formellement ses propriétés et malgré tout réaliste.<br />Enfin, la troisième partie est purement méthodologique. Elle permet de présenter la mise en pratique des parties précédentes et l'apport qui en découle en se basant sur trois cas particuliers : une étude des échanges dans un réseau pair-à-pair, une étude de la robustesse des réseaux aux pannes et aux attaques et enfin un ensemble de simulations visant à estimer la qualité des cartes de l'Internet actuellement utilisées.<br />Cette thèse met en lumière la nécessité de poursuivre les travaux sur les grands réseaux d'interactions et pointe plusieurs pistes prometteuses, notamment sur l'étude plus fine des réseaux, que ce soit de manière pondérée ou dynamique. Mais aussi sur la nécessité d'étudier de nombreux problèmes liés à la métrologie des réseaux pour réussir à capturer leur structure de manière plus précise.

La résistance multi-drogue (MDR) est un facteur majeur de l'échec partiel de nombreuses chimiothérapies anticancéreuses, antiparasitaires ou antibactériennes. Dans le but d’inhiber ce phénomène, de nouvelles molécules au pouvoir reversant ont été découvertes. Ainsi une série de molécules, basée sur un squelette pyrido[3,2-g]quinoléine, portant différentes chaînes alkylamines et diversement substituées sur le motif hétérocyclique, a été synthétisée et montré in vitro une activité reversante de la résistance multiple aux médicaments. Afin de démontré le processus suivi par une molécule biologiquement active de sa synthèse à sa mise en forme galénique, le 4,6-Bis[2’(diéthylamino)éthoxy]2,8,10-triméthylpyrido[3,2-g]quinoléine (BG 637) a été choisi. Nous avons procédé dans un premier temps à la caractérisation physicochimique du BG 637 par des techniques telles que l’analyse calorimétrique différentielle (DSC), la spectroscopie UV-VIS, la spectrométrie de masse (CG/SM) couplée à la chromatographie de gaz, la spectroscopie Infra Rouge à Transformée de Fourrier (IRTF), la résonance magnétique nucléaire (RMN), la diffraction aux rayons X et la cristallographie. Des études stabilité ont également été menées sous différentes conditions de stockage. Des études d’interactions entre différents excipients et le BG 637 ont été réalisées et analysées par DSC, IRTF et UV. Les résultats ont montré que le BG 637 est un composé stable et compatible avec les excipients choisis. Enfin, la mise en forme galénique orale, le comprimé, a été réalisée. / Multi-drug resistance represent a major problem for chemotherapy unsuccessful in oncology, parasitoly and bacteriology. The new molecules which reverse this phenomenon were discovered.The pyrido[3,2-g]quinolines family which are substituted by various alkylamine side chains and various substituents on the heterocyclic moiety was prepared and the in vitro activity against the multi-drug resistance was showed.With the aim to show the processes of the new biological compound from his synthesis to the galenic form, the 4,6-Bis[2’(diéthylamino)éthoxy]2,8,10-triméthylpyrido[3,2-g]quinoline (BG 637) was chosen. To characterize BG 637, techniques such as Differentiel Scanning Calorimetry (DSC), Fourier Transform Infrared spectrometry (FT-IR), Ultra Violet spectrometry (UV), Mass spectrometry (GC/MS) coupled with Gas Chromatography, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and X-Ray Powder Diffraction (XRPD) were used. Several of them were also used to show the stability of the drug during various storage conditions.DSC supported by FT-IR and UV were used as the screening techniques for assessing the compatibility of BG 637 with several commonly used pharmaceutical excipients. These results showed that BG 637 is a very stable compound and compatible with several pharmaceutical excipients. Finally, the appropriate formulation for direct compression was determined.

Le concept de réseau d'interactions est central en Écologie et différents modèles et méthodes ont été utilisés. Ce travail de thèse met en relation deux approches développées par des courants séparés : l'étude des matrices de communauté et les analyses entrée-sortie. Il confronte leurs hypothèses aux propriétés fondamentales des écosystèmes estuariens. Il précise explicitement les liens entre les différentes matrices, ainsi que la signification des mixed trophic impacts. Les matrices de la storage et de la throughflowanalyses sont reliées à des jacobiennes de modèles à compartiments dont les flux sont contrôlés par les compartiments donneurs ou receveurs. Contrairement à ce qui est le plus souvent présenté dans la littérature, l'analyse des mixed trophic impacts est ici interprétée en terme de présence-absence du compartiment considéré. Avec les données disponibles sur les réseaux trophiques de cinq estuaires européens, des matrices qualitatives et quantitatives sont construites afin de réaliser des analyses de sensibilité. Ces premières explorations montrent des niveaux d'incertitudes très élevés, et ceci même pour le signe des prédictions. Par ailleurs, ce travail de thèse approfondit les possibilités d'étude de dynamiques transitoires à partir de la matrice de communauté. Il souligne des éléments importants qu'il est nécessaire de prendre en compte lorsque ces approches sont choisies. / Networks are a key concept in ecology and a number of models and methods have been used. This PhD dissertation links two approaches, the community matrix and input-output analyses, which have been developed by separate streams of theory. It compares their assumptions with important features of estuarine systems. It explicitly analyses the links between the matrices and the significance of the mixed trophic impacts analysis. Matrices of storage and throughflow analyses are linked to Jacobian matrices of donor or recipient controlled compartment models. Unlike most of what can be seen in the litterature, here the mixed trophic impacts are interpreted as the effects of a compartment being present or absent. Using available data in the case of five European estuaries, qualitative and quantitative matrices are built in the aim of performing sensitivity analyses. First explorations reveal high levels of uncertainties, even in the sign of the predictions. Furthermore, this work examines in more details the possibilities to explore transient dynamics from the community matrix. This PhD dissertation emphasises important features which are necessary to consider when choosing such approaches.

Nicolas Delsaux (2008). Développement dune méthode de prédiction des sites dinteraction protéines-molécules à partir de la structure primaire (thèse de doctorat). Gembloux, Belgique, Faculté Universitaires des Sciences Agronomiques, 204p., 20 tabl., 81 fig. Résumé : Ce travail a pour but daméliorer nos connaissances des interfaces et daider les scientifiques à caractériser au mieux les protéines de fonction et de structure encore inconnues. Pour cela, nous avons construit des banques de données de structures tridimensionnelles de complexes et leurs interfaces ont été analysées au niveau atomique. Lanalyse détaillée des interfaces a permis de confirmer le rôle important des acides aminés aromatiques et de larginine ainsi que de montrer quels couples de résidus sont significativement favorisés dans celles-ci. De plus, limportance du volume des résidus voisins des sites dinteraction et de la conformation des acides nucléiques a pu être montrée. Les principales variables corrélées aux interfaces sont : trois propensions à être en interaction, le type de résidu et sa position dans la séquence, les prédictions daccessibilité et de structures secondaires, la prédiction en Receptor Binding Domain, et la présence de certains motifs protéiques. Finalement, une méthode de prédiction des sites dinteraction été mise au point. Cette méthode est lune des seules à nutiliser que des informations directement accessible à partir de la séquence et donne des résultats très encourageants. La spécificité obtenue est en effet suffisante pour améliorer les résultats expérimentaux obtenus par mutagénèse dirigée. Nicolas Delsaux (2008). Development of a prediction method of protein-molecule interaction sites from primary structure (doctoral thesis, in French). Gembloux, Belgium, Agricultural University, 204p., 20 tabl., 81 fig. Summary: The objective of this work is to improve the knowledge about interfaces and to assist the characterization of proteins with unknown function and structure. To this aim, we constructed databases of three-dimensional structures of complexes and their interfaces were analyzed at the atomic scale. The in-depth analysis of interfaces confirms the preponderance of aromatic amino acids and of arginine. Residue pairs that are significantly favored at the interfaces were also identified. Moreover, the importance of interaction sites neighboring residue volumes and of the nucleic acids conformation has been highlighted. The main parameters correlated to interaction sites are: three interaction propensities, residues type and its location within the sequence, predictions of accessibility and of secondary structures, prediction to be a Receptor Binding Domain, and the presence of protein patterns. Finally, a prediction method of interaction sites has been developed. This method is one of the few which only use information directly accessible from protein sequence and gives promising results. The achieved specificity is indeed sufficient to improve experimental results of site-directed mutagenesis.

Darwin a révélé au monde que les espèces vivantes ne cessent jamais d'évoluer, mais les mécanismes moléculaires de cette évolution restent le sujet de recherches intenses. La biologie systémique propose que les relations entre génotype, environnement et phénotype soient sous-tendues par un ensemble de réseaux moléculaires dynamiques au sein de la cellule, mais l'organisation de ces réseaux demeure mystérieuse. En combinant des concepts établis en biologie évolutive et systémique avec la cartographie d'interactions protéiques et l'étude des méthodologies d'annotation de génomes, j'ai développé de nouvelles approches bioinformatiques qui ont en partie dévoilé la composition et l'organisation des systèmes cellulaires de trois organismes eucaryotes : la levure de boulanger, le nématode Caenorhabditis elegans et la plante Arabidopsis thaliana. L'analyse de ces systèmes m'a conduit à proposer des hypothèses sur les principes évolutifs des systèmes biologiques. En premier lieu, je propose une théorie selon laquelle la traduction fortuite de régions intergéniques produirait des peptides sur lesquels la sélection naturelle agirait pour aboutir occasionnellement à la création de protéines de novo. De plus, je montre que l'évolution de protéines apparues par duplication de gènes est corrélée avec celle de leurs profils d'interactions. Enfin, j'ai mis en évidence des signatures de la co-évolution ancestrale hôte-pathogène dans l'organisation topologique du réseau d'interactions entre protéines de l'hôte. Mes travaux confortent l'hypothèse que les systèmes moléculaires évoluent, eux aussi, de manière darwinienne.

Les interactions sont partout : il peut s'agir de contacts entre individus, d'emails, d'appels téléphoniques, etc. Toutes ces interactions sont définies par deux entités interagissant sur un intervalle de temps: par exemple, deux individus se rencontrant entre 12h et 14h. Nous modélisons ces interactions par des flots de liens qui sont des ensembles de quadruplets (b, e, u, v), où chaque quadruplet représente un lien entre les noeuds u et v existant durant l'intervalle [b,e]. Dans un graphe, une communauté est un sous-ensemble plus densément connecté qu’une référence. Dans le formalisme de flot de liens, les notions même de densité et de référence sont à définir. Nous étudions donc comment étendre la notion de communauté aux flots de liens. Pour ce faire, nous nous appuyons sur des données réel où une structure communautaire est connue. Puis, nous développons une méthode permettant de trouver automatiquement des sous-flots qui sont jugés pertinents. Ces sous-flots, c’est-à-dire des sous-ensembles de liens, sont trouvés grâce à une méthode de détection de communautés appliquée sur une projection du flot sur un graphe statique. Un sous-flot est jugé pertinent s’il est plus dense que les sous-flots qui lui sont proches temporellement et topologiquement. Ainsi nous approfondissons les notions de voisinage et référence dans les flots de liens. Nous appliquons cette méthode sur plusieurs jeux de données d’interactions réelles et obtenons des groupes pertinents qui n’auraient pas pu être détectés par les méthodes existantes. Enfin, nous abordons la génération de flots de liens avec une structure communautaire donnée et à la manière d'évaluer une telle partition. / Interactions are everywhere: in the contexts of face-to-face contacts, emails, phone calls, IP traffic, etc. In all of them, an interaction is characterized by two entities and a time interval: for instance, two individuals meet from 1pm to 3pm. We model them as link stream which is a set of quadruplets (b,e,u,v) where each quadruplet means that a link exists between u and v from time b to time e. In graphs, a community is a subset which is more densely connected than a reference. Within the link stream formalism, the notion of density and reference have to be redefined. Therefore, we study how to extend the notion of density for link streams. To this end, we use a real data set where a community structure is known. Then, we develop a method that finds automatically substream which are considered relevant. These substream, defined as subsets of links, are discovered by a classical community detection algorithm applied on the link stream the transformed into a static graph. A substream is considered relevant, if it is denser than the substreams which are close temporally and structurally. Thus, we deepen the notion of neighbourhood and reference in link streams. We apply our method on several real world interaction networks and we find relevant substream which would not have been found by existing methods. Finally, we discuss the generation of link streams having a given community structure and also a proper way to evaluate such community structure.

Les protéines sont les macromolécules les plus polyvalentes de la cellule. Elles jouent un rôle fondamental dans la majorité des processus biologiques à travers la formation de complexes multi-protéiques. Durant la transcription, une multitude de facteurs sont impliquées dans le contrôle de l’activité des complexes ARN polymérases. Notre laboratoire s’est intéressé au réseau d’interaction de la machinerie de transcription des ARN polymérases nucléaires, dans le but de mieux comprendre leurs mécanismes de régulation. Pour ce faire, une procédure protéomique comprenant la purification de complexes protéiques par affinité couplée à la spectrométrie de masse et à l’analyse bioinformatique a été développée. La méthode de purification TAP (Tandem Affinity Purification) a été adaptée pour permettre la purification de complexes protéiques solubles assemblés in vivo à partir de cellules humaines. L’objectif de mon projet de maîtrise était de purifier le complexe de l’ARN Pol I ainsi que de poursuivre l’expansion du réseau d’interactions protéine-protéine de la machinerie de transcription de l’ARN Pol II humaine. À l’aide des protéines POLR1E, TWISTNB, POLR2E, PFDN4, MBD2, XPA, CAND1 et PDCD5 étiquetées (TAP-tag) exprimées dans des lignées cellulaires ECR-293, plusieurs complexes protéiques solubles ont été purifiés et analysés par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques ont été triées et validées bioinformatiquement pour donner en final une liste d’interactions ayant un haut degré de confiance à partir de laquelle des réseaux d’interactions protéine-protéine ont été créés. Le réseau créé au cours de ce projet connecte plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle tels que les ARN Pol I, II et III, les complexes RPAP3/R2TP/prefoldin-like, TRiC/CCT, Mi-2/NuRD et des facteurs de transcription et de réparation de l’ADN. Ce type d’analyse nous a permis d’identifier et de caractériser de nouveaux régulateurs de la machinerie de transcription de l’ARN Pol I et II et de mieux comprendre son fonctionnement. / Proteins are the most versatile macromolecules of the cell. They play a fundamental role in the majority of biological processes through the formation of multiprotein complexes. During transcription, a multitude of factors are involved in the control of activity of RNA polymerases. Our laboratory was interested in defining the nuclear RNA polymerases transcription machinery interaction network to better understand their regulatory mechanisms. To do so, a proteomic procedure that allows affinity purification of protein complexes coupled to mass spectrometry and computational data analysis was developed. The tandem affinity purification procedure has been adapted for the purification of soluble protein complexes as they likely exist in live mammalian cells. The aim of my master project was to purify the RNA Pol I complex as well as to further pursue the expansion of the protein-protein interaction network of the human RNA Pol II transcription machinery. By using POLR1E, TWISTNB, POLR2E, PFDN4, MBD2, XPA, CAND1 and PDCD5 TAP – tagged proteins expressed in EcR-293 cell lines, multiple soluble protein complexes were purified and analyzed by mass spectrometry. Protein interactions have been sorted and validated computationally. High-confidence dataset of interactions were used to build the protein-protein interaction networks. The network created for this project connects several components of the transcriptional machinery such as RNA Pol I, II and III, RPAP3/R2TP/prefoldin-like, TRiC/CTC, Mi-2/NuRD complexes and DNA repair and transcription factors. This type of analysis allowed us to identify and characterize new regulators of RNA Pol I and II transcription machinery and to better understand its functioning.