This thesis describes the properties of two hystricomorph rodent insulins, those of the casiragua (Proechimys guairae) and of the porcupine (Hystrix cristata). Studies of two bovine insulin analogues DAA and triphthaloyl insulins are also presented. Casiragua insulin has been extracted and purified and its primary structure determined. The association properties of casiragua insulin have been investigated by ultracentrifuge studies and these show that it sediments as a monomer even at high hormone concentration. Zinc binding studies reveal that casiragua and porcupine insulins are unable to bind zinc ions. Circular dichroism studies fully confirm the failure of casiragua and porcupine insulins to associate and also reveal changes in conformation compared with bovine insulin. The biological properties of the insulins have been examined by in vivo and in vitro bioassays and by receptor binding assays on liver plasma membranes. These studies reveal that casiragua and porcupine insulins have a low potency in all mammalian tissues. Triphthaloyl insulin is shown to be almost fully potent in hystricomorph tissues yet of low activity in other mammals. On the basis of these results it is suggested that hystricomorph insulin receptors have undergone change. It is proposed that this, together with changes in the structure of their insulins, has resulted in a dimunition of the hypoglycaemic properties of these insulins and a possible enhancement of other properties: growth promoting properties for example. The possible contribution of the B22-A21 ion pair to the stability of insulin has been investigated by studieswith DAA insulin. Evidence is presented which suggests that the ion pair is not as important in maintaining the hormone in an active conformation as was previously thought.

Our main research project is to develop an experimental system to understand the ribosomes as molecular motors. For this purpose, we designed and developed the single molecule ribosome motility assay. In this thesis, we discuss the related steps which we have taken to develop this assay: the instrumentation and four experiments. In the introduction, we illustrate the current experimental scheme and show the preliminary data of the single molecule ribosome translation. In the first two chapters, we discuss two interesting experiments dealing with stochastic problems. In the first chapter, we introduce the idea that the noise can be reduced in certain conditions. We show that the noise can be really reduced but only if added fluctuations have to drive the input into states with reduced intrinsic noise. In the second chapter, we investigate two-state processes experimentally using a simple physical system in which a microscopic bead is trapped in a double-well potential. We discuss how we can control the characteristics of the escape process by adding a periodic force and illustrate the characteristics in terms of the residence time distribution and the escape phase. As last two chapters, we discuss the elastic and structural properties of homopolymeric RNA, polyadenylic acids (poly(A)), polycytidylic acids (poly(C)), and polyuridylic acids (poly(U)). First, we investigate the elastic property of poly(U) as a random coil. We find that the force-extension data is well predicted by a classic worm-like chain model at high Na⁺ concentrations, whereas at low such concentrations the introduction of a scale-dependent persistence length is required. As single-stranded helices, poly(A) and poly(C) are studied. We stretch the molecules to induce the conformational transition from folded states to unfolded states and use the elastically coupled two-state model to acquire their structural information (about 9 bases per turn and 8 bases per turn, for poly(A) and poly(C) respectively, at neutral pH and 500 mM [Na⁺]) and the free energy differences between two states (20 pN·nm for poly(A) and 17.5 pN·nm for poly(C)).

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We examine complex fluid systems where both translational and conformational degrees of freedom are present and focus on systems in which the interplay between the two sets of degrees of freedom is manifested in the macroscopic phase behaviour. We develop an efficient random lattice algorithm describing the translational degrees of freedom and analyze a series of microscopic models defined on a two dimensional fluid surface. Different degrees of complexity in the description of the microscopic coupling between the translational and conformational degrees of freedom allow us to study a variety of models related to pure lipid membrane and lipid-sterol membrane systems. / The phase equilibrium described by the models is calculated by use of Monte Carlo simulation techniques. The different models are shown to exhibit a rich phase behaviour. Depending on the specific model parameters, the phase transition associated with the conformational degrees of freedom is found to be either coupled to, or uncoupled from, that associated with the conformational degrees of freedom. / Specifically, the order-disorder transition of an Ising model defined on a fluid surface is shown to be of first order, when the two sets of degrees of freedom are strongly coupled. In contrast, the transition falls in the universality class of the two-dimensional Ising model when the two sets of degrees of freedom are weakly coupled. / We next analyze a model for pure lipid bilayers which is shown to exhibit a phase behaviour with different types of macroscopic coupling between the two sets of degrees of freedom. Depending on the strength of the microscopic interactions the lipid chain melting transition and the lattice melting transition may be either macroscopically coupled or uncoupled. / A related model for lipid-sterol mixtures is shown to provide a consistent interpretation of the various phases of lipid-cholesterol and lipid-lanosterol binary mixtures based on the microscopic dual action of the sterol molecule on the lipid-chain degrees of freedom. We discuss the results for the systems in the context of membrane evolution and suggest that evolution has tended to optimize the lipid-sterol interaction so as to stabilize optimally the mechanical properties of the membrane. Furthermore, a specific small-scale structure is identified and characterized in the liquid-ordered phase in lipid-cholesterol mixtures. This structure is found to be absent in lipid-lanosterol mixtures. / Finally, a model for membrane lysis gives evidence for the high mechanical stabilizing effect of cholesterol on the membrane. The inclusion of cholesterol is shown to inhibit lysis whereas lanosterol only has little stabilizing effect.

Changes in cerebral venous blood volume (DCBVv) is a critical component of the BOLD fMRI signal (instead of total DCBV), but its role has remained relatively unexplored, predominantly because measuring CBVv non-invasively is challenging. Motivated by this challenge, this thesis focuses on the development and use of the venous refocusing for volume estimation (VERVE) technique to non-invasively measure DCBVv. Driven by the substantial signal-to-noise (SNR) gain at high field, VERVE was re-designed for 3 T. This technique is strongly field-dependent through its reliance on venous blood transverse relaxation (T2) variations as a function of the Carr-Purcell Meiboom-Gill (CPMG) refocusing interval and blood oxygenation. To characterize this dependence, human whole blood T2 relaxometry was performed at 3 T. The results reveal significantly enhanced blood T2 dependence relative to 1.5 T, one best modelled as a diffusion process. In addition, human grey and white matter T2 relaxometry results support venous blood T2 variation being the predominant source of VERVE contrast at 3 T. The subsequent design of VERVE was based on the blood relaxometry results. Also, to minimize signal biases due to gradient-echo BOLD effects, greatly amplified at 3 T, a turbo spin-echo approach was adopted, further boosting SNR. VERVE was then used with arterial spin labeling (ASL) to assess the steady-state venous flow-volume relationship in humans under visual and sensorimotor stimulation. The results demonstrated a spatially-invariant flow-volume relationship characterized by a power-law coefficient (a) of 0.23, significantly lower than Grubb’s value of 0.38 (derived using total DCBV). The assumption of the latter in calibrated BOLD introduced a significant underestimation in cerebral oxygen metabolism changes (DCMRO2). Finally, the interactions giving rise to the controversial BOLD post-stimulus undershoot were examined with respect to the prevalent biomechanical, metabolic and neuron / Les changements du volume sanguin cérébral veineux (DCBVv) est un élément essentiel du signal BOLD (par opposition à l’ensemble de DCBV). Pourtant, jusqu'ici le rôle du CBVv est resté relativement inexploré, et ce du aux difficultés liées aux mesures non-invasives du CBVv. Motivée par ce défi, cette thèse se rapporte sur le développement et l'utilisation de la méthode VERVE (refocalisation veineuse pour l’estimation du volume), qui permet l’estimation non-invasive de DCBVv. D’abord, l’augmentation importante du rapport signal-sur-bruit (SNR) aux champs magnétiques élevés a mené à réviser VERVE pour 3 T. Le contraste VERVE est basé sur les variations du temps de relaxation transversale (T2) sanguin veineux en fonction de l’intervalle de refocalisation Carr-Purcell Meiboom-Gill (CPMG) et de l’oxygénation sanguine. Pour caractériser cette dépendance, qui dépend fortement du champ magnétique, une étude relaxométrique du sang humain a été réalisé à 3 T. Les résultats indiquent que la dépendance du T2 sanguin est amplifiée de façon importante entre 1.5 T et 3 T. Un modèle de diffusion décrit le mieux cette dépendance. D’autre part, une étude relaxométrique de la matière grise et blanche a été réalisée, confirmant la dominance de l’effet T2 sanguin dans le contraste VERVE. La composition de VERVE se rapporte aux résultats relaxométriques sanguins. En plus, afin de minimiser l’effet de l’écho de gradient, amplifié à 3 T, une approche turbo spin-écho a été adoptée. VERVE est ensuite utilisée avec le marquage des spins artériels (ASL) pour mesurer les changements du CBVv et du débit sanguin cérébral (CBF) chez les sujets sains lors de stimulations visuelles et sensorimotrices. Les résultats démontrent une relation débit-volume invariante à travers le cortex, caractérisée par a = 0.23, inférieure à la valeur de Grubb (0.38, calculée a partir du CBV total). En employant cett

In fluorescence fluctuation spectroscopy (FFS), fluctuations in the fluorescence signal emitted by molecules diffusing in a sample of interest are analyzed to extract information about the properties of the molecules themselves, such as their concentration, molecular brightness, or diffusion coefficients. Most techniques, however, either analyze correlations over time to extract information about the diffusion properties of the sample, or analyze fluctuations in the amplitude to extract information about the molecular brightness of the different species in the sample, but cannot do both. We first extend dual color photon counting histograms theory, a brightness analysis method that monitors the brightness of different species in two spectral channels, so that the observation volumes in each channel can be of different sizes, which is necessary if different excitation wavelengths are used for each channel. We then extend the theory so that the two channels can be shifted in time from one another, so that both correlation information and amplitude information can be extracted simultaneously. This new method, which we call correlated photon counting histograms (cPCH), is sensitive to both the brightness and diffusion properties of the sample of interest. We also derive expressions for the factorial cumulants of cPCH, which provide a convenient and efficient means of summarizing the information in the distributions. We show that fluorescence correlation spectroscopy (FCS) curves can be generated using the first joint moment of the cPCH distribution, while a regular photon counting histogram (PCH) can be generated at any time shift by summing over the photon counts in one channel. We show, using simulated data, that cPCH can resolve two different species with less uncertainty than either FCS or PCH if the two species differ in both their brightness and diffusion properties. If spectral information can be used as well, dual color cPCH can resolve two different species with less uncertainty than single channel cPCH. We develop a novel fitting algorithm that takes advantage of the analytical solutions to the factorial cumulant equations to sample the parameters that are consistent with the data, by resampling the measured factorial cumulants using the measured variances of each factorial cumulant. We show, using simulated data, that the parameter set that results in the minimum fit energy is often a poor estimate of the actual parameters used to create the data. We develop extensions to the theory that take into consideration triplet states, longer binning times, detector dead-times, and detector afterpulsing. Next, we extend cPCH so that it can be applied to images. Spatial cPCH allows both immobile and mobile species in a series of images to be resolved, using their brightness and diffusion properties, and can be used to generate spatiotemporal information about the different species in the sample. Finally, we develop models to take into account the effect that the photomultiplication process in analog photomultiplier tubes can have on the signal statistics, making fluorescence fluctuation spectroscopy techniques such as spatial cPCH available to a wider range of researchers. / En spectroscopie de fluctuation de fluorescence (FFS), les fluctuations du signal de fluorescence émis par des molécules diffusantes dans un échantillon d'intérêt sont analysés pour extraire des informations sur les propriétés des molécules elles-mêmes, comme leur concentration, la luminosité moléculaire, ou des coefficients de diffusion. Cependant, la plupart des techniques analyse des corrélations dans le temps pour extraire des informations sur les propriétés de diffusion de l'échantillon, ou bien analyse les fluctuations de l'amplitude pour extraire des informations sur la luminosité moléculaire des différentes espèces dans l'échantillon, mais ne peut pas faire les deux. Nous étendons d'abord la théorie de histogramme de comptage de photons bicolores, une méthode d'analyse de la luminosité qui surveille la luminosité de différentes espèces dans deux canaux spectraux, de sorte que les volumes d'observation dans chaque canal peut être de tailles différentes, ce qui est nécessaire si des longueurs d'onde d'excitation différentes sont utilisées pour chaque canal. Ensuite nous améliorons la théorie de telle sorte que les deux canaux peuvent être décalées dans le temps les uns des autres, de sorte que les détails de corrélation et d'amplitude peuvent être extraits simultanément. Cette nouvelle méthode, que nous appelons histogramme de comptage de photons corrélés (cPCH), est sensible à la luminosité et des propriétés de diffusion de l'échantillon d'intérêt. Nous dérivons également des expressions pour les cumulants factoriels de cPCH, qui fournissent un moyen pratique et efficace de résumer l'information contenue dans les distributions. Nous montrons que les courbes de la spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) peuvent être générées en utilisant le premier moment conjoint de la distribution cPCH, tandis qu'un histogramme de comptage de photons (PCH) régulier peut être généré à tout décalage dans le temps par sommation sur les comptages de photons dans un canal. Nous montrons, en utilisant des données simulées, que le cPCH peut résoudre deux espèces différentes avec moins d'incertitude que soit FCS ou PCH si les deux espèces sont distiguées à la fois par leur luminosité et leur propriétés de diffusion. Si l'information spectrale peut être utilisée aussi bien, cPCH bicolore peut résoudre deux espèces différentes avec moins d'incertitude que cPCH seul canal. Nous développons un nouvel algorithme de montage qui utilise des solutions analytiques aux équations cumulants factoriels pour échantillonner les paramètres qui sont compatibles avec les données, par rééchantillonnage des cumulants factoriels mesurées en utilisant les variances mesurées de chaque cumulant factoriel. Nous montrons, en utilisant des données simulées, que le jeu de paramètres qui se traduit par l'énergie d'ajustement minimale est souvent une mauvaise estimation des paramètres réels utilisés pour créer les données. Nous développons des extensions de la théorie qui considères les états triplets, les intervalles de classe plus longues, le temps morts du détecteur, et les post impulsions (afterpulsing) du détecteur. Ensuite, nous étendons cPCH afin qu'il puisse être appliqué aux images. cPCH spatiale permet de résoudre des espèces à la fois immobiles et mobiles dans une série d'images, à l'aide de leur luminosité et de leurs propriétés de diffusion, et peut être utilisé pour générer des informations spatio-temporelle sur les différentes espèces dans l'échantillon. Enfin, nous développons des modèles pour tenir compte de l'effet que le processus de photomultiplication dans les tubes photomultiplicateurs analogues peut avoir sur les statistiques du signal, ce qui rend les techniques de spectroscopie de fluctuation de fluorescence comme cPCH spatiale disponible à un éventail de chercheurs plus large.

Living cells, depending on their physiological functions, are subjected to a variety of mechanical stimulation. The magnitude and frequency of such mechanical stimulation varies dramatically in different organs. Oscillatory mechanical stimulation at relatively high frequancies, as occurs in walking, respiration and circulation, is one of the most extensively studied schemes. However, the stimulation at extremely low frequencies is rarely examined. This research investigates the effects of relatively low frequency mechanical stimulation in molecular scale, on different cell types. Throughout the work presented in this document, the emphasis was on the stem cells differentiation, and primary cells dedifferentiation. The results suggested that performing extremely slow activities, namely low frequency movements, significantly affects the differentiation pathways of stem cells. In addition, it was found that slow movement of surface culture area enhances phenotypical characteristics of primary cells. / Toutes les cellules vivantes, selon leur fonctions physiologiques, sont soumises à différentes stimulations mécaniques. L'ampleur et la fréquence de ces stimulations mécaniques varies considérablement d'un organe à un autre. Les stimulations oscillantes dues notamment à la marche, la respiration et la circulation sanguine sont largement étudiées. Par contre, les travaux concernant les stimulations a très faibles fréquences sont rare. Cette recherche examine les effets sur différents types de molécules, des stimulations mécaniques à relativement basse fréquence, à l'échelle moléculaire. Tout au long du travail présenté ici, l'accent a été mis sur la différenciation des cellules souches et la dedifférenciation des cellules primaires. Les résultats suggèrent que la pratique d'activités extrêmement lentes, à savoir les mouvements à basse fréquence, affectent, de manière significative, le mécanisme de différentiation des cellules souches. En outre, il a été constaté que les mouvements lents à la surface des cultures améliorent les caractéristiques phénotypiques des cellules primaires.

Muscles are the motors of human movement. The most commonly accepted theory of muscle contraction, the "crossbridge theory", was postulated by A.F Huxley in 1957, and since then it has been widely accepted to model and explain how a muscle contracts. However, some phenomena are still not fully understood in the framework of the crossbridge theory, including the effects of muscle stretching and shortening on force production. More specifically, there is still controversy in the literature about the mechanisms responsible for the increase in force observed during and after stretch, and the decrease in force observed during and after shortening. The goal of the studies presented in this thesis was to investigate the mechanisms responsible for changes in force during and after length changes to test the following hypotheses: (i) force development during stretch is caused by crossbridges in a pre-powerstroke state, (ii) force development during shortening is affected by biasing crossbridges into pre-powerstroke, (iii) force enhancement after stretch is due to an increase in the number of attached crossbridges, (iv) force enhancement after stretch is caused by half-sarcomere non-uniformities, (v) force enhancement after stretch is caused by stiffening of non-contractile proteins induced by Ca2+, and (vi) force depression after shortening is caused by a decrease in the number of attached crossbridges. In order to achieve this goal, we developed four studies. First we investigated the mechanisms of force development (i) during stretch, and (ii) during shortening separately. We then investigated the link between the changes in force during length changes with the changes observed after length changes (iii). These three studies were performed with skinned muscle fibres from the rabbit psoas muscle. Finally, we investigated in details a potential mechanism for the residual force enhancement observed after stretch using a new preparation that we developed in our laboratory – isolated half-sarcomeres (iv). Our results suggest that (i) the force increase during stretch is largely caused by crossbridges in a pre-powerstroke state, (ii) the force decrease during shortening is related to the engagement of pre-powerstrokes only at the initial, rapid phase of force change, (iii) force enhancement after stretch is caused by an increase in the number of crossbridges attached to actin, half-sarcomere non-uniformities, and titin stiffening upon Ca2+ activation, and (iv) force depression after shortening is caused by myosin crossbridge deactivation. / Les muscles sont les moteurs du mouvement humain. La théorie la plus communément reconnue de la contraction musculaire, "théorie des pontages croisés", mis en avant par AF Huxley en 1957, est depuis largement utilisée comme model d'explication afin de démontrer comment un muscle se contracte. Toutefois, certains phénomènes ne sont pas encore entièrement compris dans la structure de cette théorie, notamment les effets d'étirement et de raccourcissement du muscle sur la production de la force. D'ailleurs, il existe toujours une controverse dans la littérature sur les mécanismes responsables de l'augmentation de la force observée pendant et après l'étirement, et la diminution de la force observée pendant et après le raccourcissement. L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est d'étudier les mécanismes responsables des changements au niveau de la force pendant et après une modification de la longueur du muscle afin de tester les hypothèses suivantes: (i) le développement de la force au cours de l'étirement est causé par les pontages croisés en pré-course de puissance, (ii) le développement de la force au cours du raccourcissement est affecté par la polarisation des pontages croisés en pré-course de puissance, (iii) l'augmentation de la force après étirement est due à une augmentation du nombre de pontages croisés attachés, (iv) l'augmentation de la force après étirement est causée par les non-uniformités du demi-sarcomère, (v) l'augmentation de la force après étirement est causée par le raidissement des protéines non contractiles induites par le Ca2+, et (vi) la diminution de la force après raccourcissement est provoquée par une diminution du nombre de pontages croisés attachés. Dans le but d'atteindre cet objectif, nous avons élaboré quatre études. D'abord, nous avons étudié séparément les mécanismes de développement de la force (i) au cours de l'étirement, et (ii) au cours du raccourcissement. Ensuite, nous avons étudié le lien entre les changements de la force observés pendant et après une modification de la longueur du muscle. (iii). Ces trois études ont été réalisées à l'aide de fibres musculaires provenant du psoas du lapin. Enfin, nous avons étudié en détail un mécanisme potentiel pour l'augmentation de la force résiduelle observée après étirement en utilisant une nouvelle préparation développée en laboratoire - demi-sarcomères isolés (iv). Nos résultats nous amènent à penser que (i) l'augmentation de la force durant l'étirement est en grande partie causée par les pontages croisés dans un état de pré-course de puissance, (ii) la diminution de la force au cours du raccourcissement du muscle est lié à l'engagement de la pré-course de puissance, seulement au moment de la phase initiale rapide du changement de la force, (iii) l'augmentation de la force après étirement est provoquée par une augmentation du nombre de ponts fixés à l'actine, des non-uniformités du demi-sarcomère et du durcissement de la titine sur l'activation du Ca2+, et (iv) la diminution de force après raccourcissement est causée par la désactivation du pontage croisé de myosine.

A protocol of establishing radiochromic film based reference dosimetry for high dose rate Ir-192 brachytherapy source was assessed and described. A comparison between calibration curves created in water and Solid Water are provided. Solid Water was shown to be a viable alternative to water in establishing calibration curve for Ir-192 radiation beam. A Monte Carlo correction factor was calculated to convert the dose to water into dose to Solid Water and the experimental methods that we performed agreed with the Monte Carlo results where the ratio (DSW/DW)Ir-192 was found to be 0.9808 ± 0.14% (1σ). EBT-2 GAFCHROMIC film model was also investigated for absorption properties and found to be a less sensitive than its predecessor (EBT-1) in terms of net change of absorbance, but that did not affect the dosimetric value that this film possesses. A dose error assessment method has been described for EBT-2 film model (and is applicable to other types as well) that can establish the time error constraints on the post-irradiation scanning time that will still provide an acceptable dose error for clinical applications if the protocol employing the shorter post-irradiation scanning time is implemented in the clinic. We show that for two post-irradiation scanning times of 30 minutes and 24 hours the 1% dose error can be granted if the scanning time window is less than ± 5 minutes and ± 2 hours, respectively. Performance of EBT-2 model was also evaluated in water and it was concluded that a suggested correction protocol is necessary for immersion times that exceed 2 hours. This correction was tested with the calibration curve created from water setup and found to be effective when compared to the dose-corrected calibration curve in Solid Water. / Un protocole d'établir film radiochromique dosimétrie de référence en fonction de débit de dose élevé source Ir-192 curiethérapie été évalués et décrits. Une comparaison entre les courbes d'étalonnage créé dans l'eau et Solid WaterTM sont fournis. Solid WaterTM s'est révélée être une alternative viable à l'eau dans l'établissement de la courbe d'étalonnage pour les Ir-192 faisceau de rayonnement. Un facteur de correction de Monte Carlo a été calculé pour convertir la dose à l'eau en dose à Solid WaterTM et les méthodes expérimentales que nous avons réalisé d'accord avec les résultats de Monte Carlo où le ratio (DSW/DW)Ir-192 a été trouvé à 0.9808 ± 0.14% (1σ). EBT-2 modèle GAFCHROMICTM film a également été étudiée pour les propriétés d'absorption et jugé être un moins sensible que son prédécesseur (EBT-1) en termes de variation nette de l'absorbance, mais cela n'a pas d'incidence sur la valeur dosimétrique que ce film possède. Une méthode d'évaluation des doses d'erreur a été décrit pour le modèle EBT-2 film (et est applicable à d'autres types ainsi) qui permet d'établir les contraintes de temps d'erreur sur le post-irradiation temps de balayage, qui va encore donner une erreur de dose acceptable pour des applications cliniques, si le protocole emploie le plus court post-irradiation de numérisation temps est mis en œuvre dans la clinique. Nous montrons que pour deux post-irradiation de numérisation fois de 30 minutes et 24 heures, la dose d'erreur de 1% peut être accordée si la fenêtre de temps de balayage est inférieure à ± 5 minutes et de ± 2 heures, respectivement. Performance de la EBT-2 modèle a également été évaluée dans l'eau et il a été conclu un protocole de correction proposé est nécessaire pour que les temps d'immersion supérieure à 2 heures. Cette correction a été testé avec la courbe de calibration créée à partir d'installation de l'eau et ont été jugés effic