Cette thèse consiste à étudier l'organisation du système de contrôle des voies métaboliques des bactéries afin de dégager des propriétés systémiques révélant son fonctionnement. Dans un premier temps, nous montrons que le contrôle des voies métaboliques est hautement structuré et peut se décomposer en modules fortement découplés en régime stationnaire. Ces modules possèdent des propriétés mathématiques remarquables ayant des conséquences importantes en biologie. Cette décomposition, basée intrinsèquement sur la vision système de l'Automatique, offre un cadre théorique formel général d'analyse du contrôle des voies métaboliques qui s'est révélé effectif pour analyser des données expérimentales. dans un deuxième temps, nous nous intéressons aux raisons possibles de l'émergence de cette structure de contrôle similaire. Nous identifions un ensemble de contraintes structurelles agissant au niveau de la répartition d'une ressource commune, les protéines, entre les processus cellulaires. Respecter ces contraintes pour un taux de croissance donné conduit à formaliser et résoudre un problème d'optimisation convexe non différentiable, que nous appelons Resource balance Analysis. Ce problème d'optimisation se résout numériquement à l'échelle de la bactérie grâce à un problème de Programmation Linéaire équivalent. plusieurs propriétés sont déduites de l'analyse théorique du critère obtenu. Tout d'abord, le taux de croissance est structurellement limité par la répartition d'une quantité finie de protéines entre les voies métaboliques et les ribosomes. Ensuite, l'émergence des modules dans les voies métaboliques provient d'une politique générale d'économie en protéines chez la bactérie pour gagner du taux de croissance. Certaines stratégies de transport bien connues comme la répression catabolique ou la substitution de transporteurs haute/basse affinités sont prédites par notre méthode et peuvent alors être interprétées comme le moyen de maximiser la croissance tout en minimisant l'investissement en protéines. / This thesis consist in studying the organization of the control system of metabolic pathways of bacteria to identify systemic properties revealing its operation. At first, we show that control of metabolic pathways is highly structured and can be decomposed into modules strongly decoupled in steady-state. These modules are defined by their singular mathematical properties having important implications in biology. This decomposition, based inherently on the system outlook of automatic control, offers a formal theoretical analysis of general control of metabolic pathways, which has been effective in analysing experimental data. In a second step, we consider the possible reasons for the emergence of this modular control structure. We identify a set of structural constraints acting at the distribution of a common resourc, the proteins between cellular processes. Satisfying these constraints for a given growth rate leads to formalize and to solve a non-differentiable convex optimization problem, that we call Resource Balance Analysis. This optimization problem is solved numerically at the scale of the bacteria through an equivalent linear programming problem. Several properties are derived from theoretical analysis of the obtained criterion. Firts, the growth rate is structurally limited by the distribution of a finite amount of proteines between the metabolic pathways and the ribosomes. Second, the emergence of modules in metabolic pathways arises from a policy of economy in proteins in the bacterium to increase the growth rate. Some well known transport strategies such as catabolite repression of the substitution between low/highaffinity transporters are predicted by our methods and could consequently be interpretd as ways to maximize growth while minimizing investment in proteins.

Au cours de ce travail de thèse, nous avons établi un modèle global pour le réseau de kinases dépendantes des cyclines (Cdks) qui contrôle la dynamique du cycle cellulaire chez les mammifères. Le modèle contient quatre modules Cdk régulés par phosphorylation-déphosphorylation, par des inhibiteurs de Cdk, et par la synthèse ou la dégradation de protéines. Les facteurs de croissance suscitent la transition d’un état stationnaire stable, état de quiescence, à un état de prolifération caractérisé par des oscillations entretenues du réseau de cyclines/Cdk. Ces oscillations correspondent à l’activation transitoire et répétitive des complexes cycline D/Cdk4-6 en phase G1, cycline E/Cdk2 à la transition G1/S, cycline A/Cdk2 en phase S et à la transition S/G2, et cycline B/Cdk1 à la transition G2/M. Le modèle rend compte de plusieurs propriétés majeures du cycle cellulaire des mammifères :(1) oscillations entretenues du réseau de Cdk en présence d’un niveau suffisant d’un facteur de croissance ;(2) contrôle de la progression dans le cycle cellulaire par la balance entre les effets antagonistes du suppresseur de tumeur pRB et du facteur de transcription E2F ;(3) existence d’un point de restriction situé dans la phase G1, au-delà duquel la cellule n’a plus besoin de la présence d’un facteur de croissance pour compléter son cycle de division cellulaire ;(4) entraînement du cycle cellulaire par l’horloge circadienne. Le modèle rend compte également du phénomène d’endoréplication qui correspond au découplage entre réplication de l’ADN et mitose :la cellule duplique à de multiples reprises son ADN sans entrer en phase de mitose. En incorporant des points de contrôle («checkpoints») dans le modèle pour le cycle cellulaire, et en particulier le point de contrôle de réplication de l’ADN régulé par les kinases ATR et Chk1, nous montrons comment ce point de contrôle ralentit la dynamique du cycle cellulaire et mène à une meilleure séparation des phases de réplication de l’ADN et de mitose. Le modèle pour le cycle cellulaire des cellules de mammifères montre comment la structure de régulation du réseau de cyclines/Cdk suscite son auto-organisation temporelle, menant à l’activation répétitive et séquentielle des quatre modules Cdk qui assurent la progression ordonnée dans les différentes phases du cycle cellulaire./We propose an integrated computational model for the network of cyclin-dependent kinases (Cdks) that controls the dynamics of the mammalian cell cycle. The model contains four Cdk modules regulated by reversible phosphorylation, Cdk inhibitors, and protein synthesis or degradation. Growth factors trigger the transition from a quiescent, stable steady state to self-sustained oscillations in the Cdk network. These oscillations correspond to the repetitive, transient activation of cyclin D/Cdk4-6 in G1, cyclin E/Cdk2 at the G1/S transition, cyclin A/Cdk2 in S and at the S/G2 transition, and cyclin B/Cdk1 at the G2/M transition. The model accounts for the following major properties of the mammalian cell cycle: (1) repetitive cell cycling in the presence of supra-threshold amounts of growth factor ;(2) control of cell cycle progression by the balance between antagonistic effects of the tumor suppressor pRB and the transcription factor E2F ;(3) existence of a restriction point in G1, beyond which completion of the cell cycle becomes independent of growth factor ;(4) entrainment of the cell cycle by the circadian clock. The model also accounts for endoreplication and for self-sustained oscillations in the presence of only Cdk1 or in the absence of pRB. Incorporating the DNA replication checkpoint mediated by kinases ATR and Chk1 slows down the dynamics of the cell cycle without altering its oscillatory nature and leads to better separation of the S and M phases. The model for the mammalian cell cycle shows how the regulatory structure of the Cdk network results in its temporal self-organization, leading to the repetitive, sequential activation of the four Cdk modules that brings about the orderly progression along cell cycle phases. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les Streptomyces sont des bactéries filamenteuses du sol à Gram +. Elles sont connues pour leur capacité à produire des métabolites secondaires utiles en médecine et en agriculture. S. coelicolor et S. lividans sont des souches modèles phylogénétiquement proches. Elles ont cependant des capacités contrastées à accumuler des lipides de réserve de la famille des triacylglycérol (TAG) et produire des métabolites secondaires alors qu’elles possèdent des voies de biosynthèse similaires pour ces deux types de molécules. En présence de glucose, S. coelicolor produit des niveaux élevés de métabolites secondaires spécifiques et son contenu en TAG est faible alors que c'est le contraire chez S. lividans. En revanche, en présence de glycérol, les deux souches accumulent une quantité de TAG similaire mais S. coelicolor produit aussi des métabolites secondaires. Le but de la présente thèse était de déterminer les caractéristiques métaboliques différentielles qui sous-tendent les différentes capacités biosynthétiques de ces deux souches modèles. Pour ce faire, une analyse protéomique comparative sans marquage des souches cultivées en milieu R2YE liquide ou solide en présence de glucose ou de glycérol comme principales sources de carbone a été réalisée en utilisant la technique de chromatographie liquide couplée à de la Spectrométrie de Masse en tandem (LC-MS / MS). Au total, 2024 et 4372 protéines ont été identifiées à partir des cultures liquides et solides, représentant 24% et 50% du protéome théorique. Les études en liquide ont révélé que le métabolisme de S. lividans était principalement glycolytique alors que le métabolisme de S. coelicolor était principalement oxydatif. Elles ont également indiqué que ces caractéristiques pourraient être liées au catabolisme préférentiel des acides aminés par rapport au glucose chez S. coelicolor par rapport à S. lividans. De plus, cette thèse constitue la première analyse protéomique du métabolisme de ces deux souches modèles en présence de glycérol. / Streptomyces are filamentous Gram+ soil bacteria well known for their ability to produce secondary metabolites useful in medicine and agriculture. S. coelicolor and S. lividans are phylogenetically closely-related model strains but they have contrasted abilities to accumulate storage lipids of the TriAcylGlycerol (TAG) family and to produce secondary metabolites whereas they possess similar pathways for the biosynthesis of these molecules. In the presence of glucose, S. coelicolor produces high levels of specific secondary metabolites and its TAG content is low whereas it is the opposite for S. lividans. In contrast, in the presence of glycerol, the two strains accumulated similar amount of TAG but S. coelicolor still produces secondary metabolites. The aim of the present thesis was to determine the differential metabolic features supporting such different biosynthetic abilities. To do so, a comparative label-free shotgun proteomic analysis of the strains grown in liquid or solid R2YE media with glucose or glycerol as main carbon sources was carried out using Liquid chromatography−tandem mass spectrometry (LC−MS/MS). A total of 2024 and 4372 proteins were identified in liquid and solid cultures, representing 24% and 50% of the theoretical proteome, respectively. These studies revealed that S. lividans metabolism was mainly glycolytic whereas S. coelicolor metabolism was mainly oxidative. They also suggested that these features might be related to the preferential catabolism of amino acids over glucose of S. coelicolor compared to S. lividans. Furthermore, this thesis constituted the first proteomic analysis of the metabolism of these two model strains in the presence of glycerol. / Streptomyces es un género de bacterias filamentosas Gram+ provenientes del suelo que son conocidas por su capacidad para producir metabolitos secundarios útiles en la medicina y agricultura. S. coelicolor y S. lividans son cepas modelo filogenéticamente próximas que presentan capacidades opuestas para acumular lípidos de reserva de la familia de los triglicéridos (TAG) y para producir metabolitos secundarios en tanto que ambas cepas poseen rutas metabólicas idénticas para la biosíntesis de éstas moléculas. En presencia de glucosa, S. coelicolor produce altos niveles de metabolitos secundarios específicos y su contenido de TAG es bajo mientras que en S. lividans el comportamiento es opuesto. Sin embargo, en presencia de glicerol, ambas cepas acumulan cantidades similares de TAG y S. coelicolor produce metabolitos secundarios. El objetivo de ésta tesis fue de determinar las características metabólicas que distinguen las diferentes capacidades biosintéticas mencionadas previamente. Por esto, un análisis protéomico comparativo sin marcaje de tipo “shotgun” fue realizado con las dos cepas cultivadas en medio R2YE líquido y sólido usando glucosa o glicerol como fuentes principales de carbono mediante Cromatografía Líquida en “tándem” acoplada a Espectrometría de Masas (LC-MS/MS). Un total de 2024 y 4372 proteínas fueron identificadas en cultivos en medio líquido y sólido, representando 24% y 50% del proteoma teórico, respectivamente. El presente estudio demostró que el metabolismo de S. lividans fue principalmente glicolítico mientras que el metabolismo de S. coelicolor fue principalmente oxidativo. También se sugiere que éstas características pueden estar relacionadas con la preferencia catabólica de aminoácidos sobre el catabolismo de glucosa de S. coelicolor comparada con S. lividans. Además, la presente tesis constituye el primer análisis proteómico del metabolismo de éstas dos cepas modelo en presencia de glicerol.

Parmi les différents acteurs impliqués dans le dogme de la biologie moléculaire, les protéines sont des unités biologiques fonctionnelles contribuant à de nombreux processus biologiques. Dans la compréhension de la relation génotype-phénotype, il est important d’étudier l'influence de gènes, ou de variants génétiques, sur des mécanismes moléculaires spécifiques, permettant d’expliquer la variance phénotypique de traits dits complexes. Dans cette thèse nous allons démontrer l’intérêt de proposer différentes stratégies bio-informatiques protéome-centrées pour l’étude de phénotypes complexes. Dans une première étude, nous mettons en avant comment l'utilisation de la génomique comparative, couplée à l'analyse de la propension d'agrégation des protéines, permet d'identifier certains groupes de protéines avec des différences significatives entre espèces dans leurs propriétés intrinsèques contribuant à la protéostase cellulaire. Ce mécanisme est proposé dans cette thèse comme hypothèse de travail pour étudier les différences d'espérance de vie chez les rongeurs: ce travail est réalisée sur deux espèces phylogénétiquement proches, le rat taupe-nu et la souris, mais possédant des différences phénotypiques dans le contexte du vieillissement. Dans une seconde étude, nous proposons une nouvelle méthodologie s'appuyant sur l'étude quantitative des réseaux d'interaction protéine-protéine afin d'identifier les déterminants génétiques qui seraient responsables de la variation de ces interactions, suite à une stimulation médicamenteuse dans une population de levures génétiquement diversifiées. Ces travaux de recherche étudient le protéome et ses interactions et permettent de proposer une abstraction originale des phénotypes complexes. / Among the different actors involved in the dogma of molecular biology, proteins are functional biological units contributing to many biological processes. In the understanding of the genotype-phenotype relationship, it is important to study the influence of genes, or genetic variants, on specific molecular mechanisms, allowing to explain the phenotypic variance of so-called complex traits. In this thesis we will demonstrate the interest of proposing different proteome-centric bioinformatics strategies for the study of complex phenotypes. In a first study, we highlight how the use of comparative genomics, coupled with the analysis of the aggregation propensity of proteins, allows to identify some groups of proteins with significant differences between species in their intrinsic properties contributing to cellular proteostasis. This mechanism is proposed in this thesis as a working hypothesis to study differences in life expectancy in rodents: this work is performed on two phylogenetically related species, the mole rat and the mouse, but with phenotypic differences in the context of aging. In a second study, we propose a new methodology based on the quantitative study of protein-protein interaction networks in order to identify the genetic determinants that would be responsible for the variation of these interactions, following a drug stimulation in a genetically diversified yeast population. This research studies the proteome and its interactions and proposes an original abstraction of complex phenotypes.

Les progrès récents des techniques expérimentales biologiques ont conduit à la production d'une énorme quantité de données sur le comportement dynamique des réseaux de régulation génique (RRG). Nous présentons une approche pour l'identification des modèles affines-par-morceaux (APM) de RRGs à partir de données expérimentales. Ces modèles reposent sur l'hypothèse que la régulation survient au niveau de la synthèse et de la dégradation des produits de l'expression des gènes : les paramètres cinétiques sont supposés être constants jusqu'à ce que la concentration d'une protéine régulatrice franchisse un seuil de transition.<br /><br />La méthode que nous présentons se concentrent sur le problème de la détection des transitions entre les différents modes dynamiques à partir des données d'expression génique et sur la reconstruction des seuils de transition associés avec les interactions régulatrices. En particulier, notre méthode prend en considération les contraintes géométriques spécifiques aux modèles APM de RRGs. Une telle méthode d'identification est conçue pour des systèmes à erreur sur la sortie où les observations sont des séries temporelles de mesures bruitées de niveaux de concentration à l'intérieur d'une cellule.<br /><br />Les données sont d'abord classées en modes dans lesquels le comportement dynamique est considéré comme étant complètement décrit par une équation différentielle linéaire. À partir de la classification résultante, une technique de reconnaissance de forme est utilisée pour reconstruire toutes les combinaisons de seuils de transition qui sont cohérentes avec les données mesurées. Pour chaque combinaison de seuils, il est alors possible de fournir un réseau de régulation et les paramètres dynamiques de chaque mode.<br /><br />Les performances de notre approche ont été analysées en utilisant des données artificielles simulées pour un modèle simplifié de la réponse à un manque de carbone pour le bactérie Escherichia coli. En particulier, nous avons évalué l'influence du niveau du bruit et du pas d'échantillonnage sur les systèmes identifiés. Nos résultats montrent que la méthode, en association avec des séries temporelles de mesures suffisamment précises, lesquelles peuvent être obtenues avec des systèmes à gène rapporteur, permettent une identification quantitative de modèles APM de RRGs.