No description available.

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Fertilized frog eggs (and cell-free extracts) undergo periodic oscillations in the activity of "M-phase promoting factor" (MPF), the crucial triggering enzyme for mitosis (nuclear division) and cell division. MPF activity is regulated by a complex network of biochemical reactions. Novak and Tyson, and their collaborators, have been studying the qualitative and quantitative properties of a large system of nonlinear ordinary differential equations that describe the molecular details of this system as currently known. Important clues to the behavior of the model are provided by bifurcation theory, especially characterization of the codimension-1 and -2 bifurcation sets of the differential equations. To illustrate this method, I have been studying a system of 9 ordinary differential equations that describe the frog egg cell cycle with some fidelity. I will describe the bifurcation diagram of this system in a parameter space spanned by the rate constants for cyclin synthesis and cycling degradation. My results suggest either that the cell cycle control system should show dynamical behavior considerably more complex than the limit cycles and steady states reported so far, or that the biochemical rate constants of the system are constrained to avoid regions of parameter space where complex bifurcation points unfold. / Ph. D.

In 1993, Novak and Tyson published a comprehensive mathematical model of the regulation of M-phase promoting factor (MPF) activity in Xenopus laevis eggs and egg extracts. Although this model was in agreement with existing and subsequent experimental data, fundamental predictions that the cell cycle is driven by a hysteresis loop have never been validated experimentally. The model's predictions of bifurcations that create and destroy MPF activity, indicative of hysteresis, were tested in this study. <u>Prediction 1: The threshold concentration of cyclin B required to activate MPF is measurably higher than the threshold concentration required to inactivate MPF.</u> The difference in thresholds implies that the MPF control system is hysteretic and bistable. To measure these thresholds, extracts in interphase or M-phase were supplemented with varying concentrations of non-degradable human cyclin B1 protein. MPF activity was determined by the morphology of sperm nuclei and by assays of histone H1 kinase activity. Consistent with the model, the activation threshold was determined to be 40 nM, which is two-fold higher than the inactivation threshold, 20 nM. <u>Prediction 2: For cyclin levels marginally above the activation threshold concentration of cyclin B, there is a dramatic "slowing-down" in the rate of MPF activation.</u> Supra-threshold concentrations of nondegradable cyclin B1 were added to cycloheximide-treated CSF-released extracts, and samples taken at various time-points were analyzed for MPF activity. At 40 nM cyclin B1, just above the activation threshold, the lag time for MPF activation was 45 - 60 minutes; at 50 nM cyclin B1, the lag time was between 30 - 45 minutes; and at 60 nM or higher concentrations of cyclin B1, the lag time was 20 - 30 minutes, thus confirming the prediction of the Novak-Tyson model. <u>Prediction 3: DNA replication checkpoint increases the activation threshold concentration of cyclin B by increasing the hysteresis loop.</u> Cycloheximide-treated, CSF-released extracts containing 1200 sperm nuclei/&#956;l were treated with aphidicolin, then supplemented with varying concentrations of nondegradable cyclin B1. The activation threshold was 100 nM, 2.5 fold higher than in extracts lacking aphidicolin. <u>Conclusions:</u> These studies confirm three predictions of the Novak-Tyson model and indicate that hysteresis underlies cell cycle control in Xenopus egg extracts. These experiments validate use of mathematical models to study complex biological control systems such as the eukayotic cell cycle. / Master of Science

La O-GlcNAc est une glycosylation dynamique, résidente du cytosol et du noyau, participant à la régulation de processus biologiques tels que le cycle cellulaire et l'embryogenèse. Nos travaux ont porté dans un premier temps sur le contrôle par la O-GlcNAc de la reprise méiotique de l'ovocyte deXenopus laevis, processus analogue à la transition G2/M du cycle cellulaire. Cette transition G2/M est caractérisée par l'activation simultanée du M-phase Promoting Factor, facteur universel d'entrée en phase M et de la voie MAPK-Erk2, et par une augmentation du niveau de O-GlcNAc. Nous avons démontré que cette augmentation de O-GlcNAc était primordiale pour la reprise méiotique ovocytaire puisque l'inhibition de l'OGT, l'enzyme transférant le résidu de GlcNAc, empêche la transition G2/M de l'ovocyte alors que sa surexpression accélère ce phénomène. Nous avons identifié 24 protéines dont le niveau de O-GlcNAc augmente au cours de la reprise méiotique dont des protéines du cytosquelette, la kinase erk2, la phosphatase PP2A, des enzymes de la glycolyse et des protéines ribosomales. Nous avons également entrepris l'étude des variations de O-GlcNAc, d'OGT et d'UDP-GlcNAc au cours de l'ovogenèse et de l'embryogenèse précoce chez Xenopus laevis et avons montré que la dynamique de la O-GlcNAc était complexe tout au long de ces deux processus. Notamment, nous avons observé une diminution drastique et transitoire de la O-GlcNAc au début de la gastrulation suggérant une implication de la glycosylation dans les phénomènes de migration cellulaire caractéristiques de cette étape du développement mettant en place les trois feuillets embryonnaires à l'origine de tous les tissus de l'adulte. / O-GlcNAc is a dynamic and reversible post-translational modification found within the cytosol and the nucleus that take part in the regulation of many cellular processes among which cell cycle and embryogenesis. First, our works have focused on the study of O-GlcNAc implication in the control of Xenopus laevis oocyte meiotic resumption, a process analogous to the G2/M transition of the cell cycle. This G2/M transition is characterized by the simultaneous activation of the M-phase Promoting Factor, the universal regulator of the M-Phase entry and of the MAPK-Erk2 pathway but also by a sudden increase in the oocyte O-GlcNAc content. We have demonstrated that this O-GlcNAc increase was essential for meiotic resumption since the inhibition of OGT, the enzyme transferring the O-GlcNAc, prevents the oocyte G2/M transition whereas OGT overexpression accelerates this process. We identified 24 proteins that O-GlcNAc modification increases during meiotic resumption among which cytoskeletal proteins, the kinase erk2, the phosphatase PP2A, several glycolysis enzymes and sorne ribosomal proteins. Second, we have undertaken the study of O-GlcNAc, OGT and UDP-GlcNAc variations during the oogenesis and the early development of Xenopus laevis and we showed that the O-GlcNAc dynamism is intricate from the Xenopus oogenesis to embryogenesis. ln particular, we observed a drastic and transitory O-GlcNAc decrease at the onset of gastrulation, suggesting a role for O-GlcNAc in the regulation of cell migration characteristic of this stage of development since it permits the generation of the three germ layers, precursors ofthe whole adult tissues.

Primordial follicles are the first small follicles to appear in the mammalian ovary. Women are born with a fixed number of primordial follicles in the ovaries. Once formed, the pool of primordial follicles serves as a source of developing follicles and oocytes. The first aim of this thesis was to investigate the functional role of the intra-oocyte signaling pathways, especially the phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K) and mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) pathways in the regulation of primordial follicle activation and survival. We found that a primordial follicle remains dormant when the PI3K and mTORC1 signaling in its oocyte is activated to an appropriate level, which is just sufficient to maintain its survival, but not sufficient for its growth initiation. Hyperactivation of either of these signaling pathways causes global activation of the entire pool of primordial follicles leading to the exhaustion of all the follicles in young adulthood in mice. Mammalian oocytes, while growing within the follicles, remain arrested at prophase I of meiosis. Oocytes within the fully-grown antral follicles resume meiosis upon a preovulatory surge of leutinizing hormone (LH), which indicates that LH mediates the resumption of meiosis. The prophase I arrest in the follicle-enclosed oocyte is the result of low maturation promoting factor (MPF) activity, and resumption of meiosis upon the arrival of hormonal signals is mediated by activation of MPF. MPF is a complex of cyclin dependent kinase 1 (Cdk1) and cyclin B1, which is essential and sufficient for entry into mitosis. Although much of the mitotic cell cycle machinery is shared during meiosis, lack of Cdk2  in mice leads to a postnatal loss of all oocytes, indicating that Cdk2 is important for oocyte survival, and probably oocyte meiosis also. There have been conflicting results earlier about the role of Cdk2 in metaphase II arrest of Xenopus  oocytes. Thus the second aim of the thesis was to identify the specific Cdk that is essential for mouse oocyte meiotic maturation. We generated mouse models with oocytespecific deletion of Cdk1  or Cdk2  and studied the specific requirements of Cdk1 and Cdk2 during resumption of oocyte meiosis. We found that only Cdk1 is essential and sufficient for the oocyte meiotic maturation. Cdk1 does not only phosphorylate the meiotic phosphoproteins during meiosis resumption but also phosphorylates and suppresses the downstream protein phosphatase 1, which is essential for protecting the Cdk1 substrates from dephosphorylation.

L'objectif de cette thèse visait à améliorer la compréhension des mécanismes présidant à<br />l'activation du moteur moléculaire assurant l'entrée en division des cellules eucaryotes : le<br />MPF (M-Phase promoting Factor). Pour cela, le modèle d'étude sélectionné a été les divisions<br />méiotiques de l'ovocyte de Xénope. Les ovocytes de Xénope sont naturellement bloqués en<br />prophase de méiose I. En réponse à la progestérone, ils reprennent la méiose et se bloquent à<br />nouveau en métaphase II en attente de la fécondation. Ce processus, appelé maturation<br />méiotique, est sous le contrôle du complexe Cdc2-Cycline B, facteur universel de division des<br />cellules eucaryotes. Nous nous sommes intéressés à l'étude des mécanismes régulant l'activité<br />de la kinase Cdc2 au cours de la maturation méiotique. Dans un premier temps, nous avons<br />étudié la régulation de Myt1, une kinase de la famille Wee1. Ces kinases catalysent une<br />phosphorylation inhibitrice sur la protéine Cdc2 et sont donc responsables du maintien du<br />MPF sous une forme inactive pendant la phase G2 du cycle cellulaire. L'activation du MPF<br />repose sur la conversion du stock de pré-MPF inactif en stock de MPF actif, suite à la<br />déphosphorylation activatrice de Cdc2 par la phosphatase Cdc25, et à l'inhibition de Myt1.<br />Nous avons montré que l'activité de Cdc2 était nécessaire à l'inhibition de Myt1 et que deux<br />kinases, p90Rsk et Plx1, sont recrutées l'une ou l'autre pour contribuer à cette inhibition.<br />Dans un deuxième temps, nous sommes intéressés à l'implication de la protéine H-Ras lors de<br />la reprise de la méiose. Nous avons montré que dans l'ovocyte de Xénope, l'injection de HRas<br />induit la reprise de la méiose par le recrutement d'une PI3 kinase particulière. Cette voie,<br />bien que présente et activable dans l'ovocyte, n'est pas recrutée in vivo par la progestérone en<br />conditions normales. L'ovocyte est donc équipé de plusieurs voies de signalisation<br />fonctionnellement redondantes, susceptibles de conduire à l'activation du MPF, qui peuvent<br />être recrutées dans des conditions pathologiques pour assurer la reprise de la méiose quand les<br />effecteurs normaux ne sont pas disponibles.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

Oryx Simulations produce simulators for mining and forestry machinery used for educational and promotional purposes. The simulators use motion platforms to reflect how the vehicle moves within the simulator. This platform tilts and accelerates the driver in order to enhance the experience. Previously a classical washout filter algorithm has been used to control the platform which leaves something to be desired regarding how well it reflects the vehicles movement, how easy it is to tune and how it handles the limits of the platform. This thesis aims to produce a model that accurately reflects angles, velocities and accelerations while in the mean time respecting the limits of the platform. In addition to this the developed model should be easy to modify and tune. This is achieved using so-called Model Predictive Control which achieves the wanted behaviour by predicting how the platform will move based on its current state while implementing the constraints of the platform directly into the model. Since all of the parameters in the model are actual physical quantities, this makes the model easier to tune. A key component in this solution is the so-called tilt coordination which consists of substituting a lateral/longitudinal acceleration with the acceleration of gravity by tilting the driver. Constructing and implementing this model in Matlab we verify it by using data extracted from the simulator environment. We see that the parameters consisting of angles, rotational velocities and linear accelerations are tracked very well while respecting the constraints for the platform, constraints that can be easily changed to fit the current simulator.We also see that the model successfully implements tilt coordination into the behaviour of the platform. This model performs extraordinarily well in theory, what remains is to implement this to the motion platform and fine-tune it. / Oryx Simulations tillverkar simulatorer i huvudsak för gruv- och skogsindustrinvilket används i utbildnings- och marknadsföringssyfte. Simulatorerna använder en röorelseplattform för att spegla hur fordonet i simulatormiljön rör sig. Denna plattform lutar och accelererar föraren för att förstarka upplevelsen. Tidigare har ett så kallat klassiskt washout-filter använts för att kontrollera plattformen som lämnar en del i övrigt att onska vad gäller hur väl fordonets rörelser speglas, hur lätt det ar att justera samt hur det hanterar plattformens begränsningar. Detta projekt ämnar producera en modell som väl speglar vinklar,hastigheter och accelerationer samtidigt som den respekterar plattformens gränser. I tillägg till detta bör modellen vara enkel att modifiera och justera. Detta uppnås genom så kallad Model Predictive Control som förutsager hur plattformen kommer röra sig utifrån dess aktuella tillstånd samtidigt som den respekterar de tvång som finns på plattformen direkt i modellen. Då alla parametrar i modellen är faktiska fysiska kvantiteter blir modellen märkbart lättare att justera. En viktig komponent i denna lösning är så kallad tilt coordination vilket består i att substituera lateral/longtudinell acceleration med en komposant av tyngdaccelerationen genom att luta föraren. Denna modell konstrueras och implementeras i Matlab och verifieras genom att använda extraherat data från den simulerade miljön. Vi kan se att parametrarna som består av vinklar, rotationella hastigheter och linjära accelerationer speglas väldigt väl, samtidigt som tvången på plattformen respekteras. Dessa tvång kan enkelt modieras for att passa den aktuella simulatorn. Vi ser även att modellen framgångsrikt implementerar tilt coordination i plattformens beteende. I teorin har denna modell väldigt bra prestanda; vad som kvarstår är att implementera den på en rörelseplattform och finjustera modellen.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'algue unicellulaire Gonyaulax polyedra est notre modèle pour l'étude des mécanismes reliant l'horloge interne aux rythmes circadiens observés. La bioluminescence, présente lors de la phase de nuit, ainsi que la division cellulaire observée au début de la phase de jour sont les deux rythmes sur lesquels porte la présente étude. Chez Gonyaulax, la présence des protéines LBP et luciférase, limitée à la phase obscure, permet la production de lumière. Une régulation au niveau de la traduction par une protéine inhibitrice CCTR se fixant en région 3 de l'ARNm LBP permet l'expression cyclique de la protéine LBP in vivo chez Gonyaulax polyedra . La construction d'une banque d'ADNc dans un vecteur d'expression constitutive (le p425 GPD) représente l'outil nécessaire pour l'isolation d'un ADNc codant pour la protéine CCTR. Cette isolation repose sur un mécanisme moléculaire d'interaction in vivo de la protéine CCTR avec la région régulatrice de l'ARNm lbp annexée à un gène létal inductible (le gène GSP1) dans la construction du plasmide pCS7. La transformation de levure possédant le pCS7 avec la banque d'ADNc permettrait la production de CCTR actif dans la levure et ainsi l'inhibition de la traduction de l'ARNm GSP1 par fixation du CCTR à la région régulatrice de lbp. Le criblage d'une banque d'ADNc comportant 2,8 x 105clones a été effectué. La croissance de 127 colonies a été observée lors du premier criblage de la banque. Chaque colonie a été soumise à une extraction d'ADN plasmidique et les plasmides obtenus ont été utilisés pour une seconde transformation dans les levures porteuses du pCS7. Le second criblage nous a permis de constater qu'aucun de ces positifs ne peut produire une protéine CCTR fonctionnelle. Une contamination par des levures d'une autre souche ou par une source de carbone permettant la croissance (telle que le glucose), une présence de "révertants" ou le clonage d'un ADNc codant pour le facteur de sélection du pCS7 peuvent être à l'origine de ces "faux positifs" obtenus. La production de clones supplémentaires afin d'augmenter statistiquement les chances de représentation d'un gène impliqué dans la génération d'un rythme circadien, ainsi que la transformation répétée de la banque dans les mêmes cellules pour permettre de réunir les différentes composantes qui pourraient être nécessaires à la formation d'un CCTR actif, pourraient permettre d'isoler un ADNc codant pour une protéine CCTR active. Chez la majorité des dinoflagellés on observe la présence d'une phase S dans le cycle cellulaire. De plus, chez Gonyaulax, la division cellulaire est limitée à l'aurore. Il est donc probable que la protéine kinase p34œk2qui régule la formation de l'hétérodimère MPF (impliqué dans l'initiation de la division cellulaire) soit également sujette à une régulation par l'horloge circadienne. L'isolation d'un homologue de la protéine kinase p34ede2repose sur une technique de clonage par compensation d'une mutation. Les levures de la souche cdc28 ne peuvent se diviser normalement à température restrictive de 34°C à cause d'une mutation thermosensible de la protéine kinase p34edc2. La transformation de la banque d'ADNc construite dans des levures de cette souche, puis l'incubation à température restrictive, permet le criblage pour un homologue de la p34cdc2. Le premier criblage de la banque a permis la croissance de sept colonies qui ont toutes été soumises à une extraction d'ADN plasmidique puis à une retransformation dans les cellules de la souche cdc28. Aucun des positifs n'a franchi le seuil de ce second test. Le criblage de clones supplémentaires ou encore le criblage pour un homologue de la cycline (la seconde composante du MPF) pourrait permettre d'isoler directement ou indirectement l'homologue de la p34cdc2.