Le Web 2.0 a montré l'importance des systèmes collaboratifs. Il a permis de transformer des internautes en écrivains du Web. De nombreux outils sociaux tels que les wikis et les blogs sont utilisés par des larges communautés produisant une grande quantité d'informations. Afin d'améliorer la recherche, la navigation et l'interopérabilité, les outils sociaux évoluent en intégrant les technologies du Web sémantique. Les wikis suivent cette tendance et évoluent vers des wikis sémantiques. L'introduction des technologies du Web sémantique dans les outils sociaux pose un certain nombre de problèmes tels que le passage à l'échelle et le support des procédés d'édition collaborative pour garantir la qualité des contenus. Dans ce manuscrit, nous adressons ces problèmes par une instanciation du modèle de réplication optimiste. Dans le cadre des wikis sémantiques, nous répliquons un nouveau type de données composé de pages wikis et d'annotations sémantiques. Nous nous plaçons dans un contexte où le nombre de répliques n'est pas connu et varie à l'exécution à l'instar des réseaux P2P. En tant que système collaboratif, un système de réplication optimiste est correct s'il respecte le modèle de cohérence CCI. Nous proposons Swooki et DSMW, deux instanciations du modèle de réplication optimiste pour les wikis sémantiques assurant la cohérence CCI sur le nouveau type de données répliqué. Swooki est le premier wiki sémantique P2P, il adresse particulièrement les problèmes de passage à l'échelle et de tolérance aux pannes. Tandis que DSMW permet de construire un réseau ami-à-ami sémantique et s'intéresse plus aux problèmes de représentation des procédés.

State machine replication (SMR) is a software technique for tolerating failures using commodity hardware. The critical service to be made fault-tolerant is modeled by a state machine. Several, possibly different, copies of the state machine are then deployed on different nodes. Clients of the service access the replicas through a SMR protocol which ensures that, despite concurrency and failures, replicas perform client requests in the same order. Two objectives underly the design and implementation of a SMR protocol: robustness and performance. Robustness conveys the ability to ensure availability (liveness) and one-copy semantics (safety) despite failures and asynchrony. On the other hand, performance measures the time it takes to respond to a request (latency) and the number of requests that can be processed per time unit (throughput). In this thesis, we present two contributions to state machine replication. The first contri- bution is LCR, a uniform total order broadcast (UTO-broadcast) protocol that is throughput optimal in failure-free periods. LCR can be used to totally order the requests received by a replicated state machine. LCR has been designed for small clusters of homogeneous machines interconnected by a local area network. It relies on a perfect failure detector and tolerates the crash failures of all but one replicas. It is based on a ring topology and only relies on point-to-point inter-process communication. We benchmark an implementation of LCR against two of the most widely used group communication packages and show that LCR provides higher throughput than them, over a large number of setups. The second contribution is Abstract, a new abstraction to simplify the design, proof and implementation of SMR protocols. Abstract focuses on the most robust class of SMR protocols, i.e. those tolerating arbitrary (client and replica) failures. Such protocols are called Byzantine Fault Tolerant (BFT) protocols. We treat a BFT protocol as a composition of instances of our abstraction. Each instance is developed and analyzed independently. To illustrate our approach, we first show how, with our abstraction, the benefits of a BFT protocol like Zyzzyva could have been developed using less than 24% of the actual code of Zyzzyva. We then present Aliph, a new BFT protocol that outperforms previous BFT protocols both in terms of latency (by up to 30%) and throughput (by up to 360%).

La variole est l'un des pires fléaux qu'ait connu l'humanité jusqu'à son éradication en 1980. Il existe aujourd'hui une menace terroriste de réémergence du virus de la variole comme arme biologique. Le manque de moyens thérapeutiques, la faible immunité de la population mondiale depuis l'arrêt de la vaccination antivariolique et les complications post-vaccinales liées à l'utilisation du vaccin réplicatif historique ont conduit ces dernières années à une intensification des recherches pour lutter contre la variole et les autres virus du genre orthopoxvirus. En complément d'assurer la production d'un nouveau vaccin antivariolique répondant aux normes sanitaires actuelles, il est indispensable de développer des molécules antivirales efficaces aux modes d'actions différents, utilisables immédiatement en cas d'attaque terroriste et pour pallier les complications post-vaccinales. L'objectif du travail de thèse est d'explorer de nouvelles stratégies thérapeutiques en ciblant plus particulièrement la réplication du virus de la vaccine, utilisé comme modèle substitutif au virus de la variole. La première stratégie est l'utilisation d'aptamères peptidiques ciblant A20, une protéine centrale du complexe de réplication formant avec l'uracile ADN glycosylase D4 le facteur de processivité pour l'ADN polymérase virale. Ces peptides sont sélectionnés in vivo en double-hybride en levure pour interagir avec une cible protéique et potentiellement l'inhiber. Ainsi nous avons sélectionné un aptamère interagissant avec une région critique de la protéine cible A20 et capable d'inhiber significativement la réplication du virus de la vaccine en culture cellulaire. La seconde stratégie est l'utilisation d'un criblage haut débit de molécules chimiques pour leur capacité à rompre les interactions entre notre cible de choix A20 et deux de ses interacteurs connus, la protéine D4 et la primase/hélicase D5, par une approche basée sur l'utilisation de deux rapporteurs luciférase en levure. Nous avons démontré que deux molécules issues du criblage permettaient l'inhibition significative et spécifique de la réplication de plusieurs orthopoxvirus, in vitro. Ces travaux viennent compléter le faible arsenal thérapeutique disponible destiné à lutter contre les infections à orthopoxvirus.

L'hépatite C est un problème de santé publique majeur aggravé par l'efficacité limitée des thérapies actuelles et l'absence de vaccin. Il est donc important d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles et pour cela une meilleure connaissance du cycle infectieux du virus de l'hépatite C (VHC) est indispensable. Comme pour de nombreux autres virus à ARN de polarité positive, l'étape de réplication du VHC est associée à d'importants remaniements membranaires qui conduisent à la formation d'un réseau membranaire désigné membranous web et de structures membranaires plus petites associées au reticulum endoplasmique. Cependant, la formation des complexes de réplication du VHC, en association étroite avec ces membranes cellulaires modifiées reste énigmatique. Au niveau cellulaire, de petites GTPases sont connues pour réguler la dynamique des membranes. Nos travaux montrent que l'infection par le VHC est inhibée, de façon dose-dépendante, par la bréfeldine A (BFA), un inhibiteur spécifique de l'action de GTPases de la famille ARF. L'activation des petites GTPases ARF est médiée par des facteurs d'échange nucléotidiques. En utilisant des ARN interférants ciblant les trois facteurs d'échange nucléotidique sensibles à la BFA nous avons observé que seule la réduction de l'expression de l'un d'entre eux, appelé GBF1, inhibe l'infection par le VHC. Ces résultats ont été confirmés par l'utilisation d'un inhibiteur chimique spécifique. D'autre part, la surexpression d'un mutant de GBF1 résistant à la BFA permet de restaurer l'infection par le VHC en présence de BFA. Par ailleurs, des analyses en immunofluorescence et microscopie électronique réalisées dans un contexte non réplicatif montrent que la BFA n'inhibe pas les réarrangements membranaires associés à la mise en place du membranous web. Collectivement nos résultats suggèrent que GBF1 est impliqué dans l'activité des complexes de réplication du VHC et notre travail établit un lien entre la voie de sécrétion de la cellule hôte et la réplication de l'ARN du VHC.

Dans une grappe de bases de données, la réplication préventive peut fournir une cohérence forte sans les limitations d'une réplication synchrone. Dans cette thèse, nous présentons une solution complète pour la réplication préventive qui supporte les configurations multimaîtres et partielles, où les bases de données sont partiellement répliquées sur différents noeuds. Pour augmenter le débit des transactions, nous proposons une optimisation qui élimine le délai d'attente pour l'ordonnancement en contrepartie d'un petit nombre d'abandon des transactions et nous introduisons le rafraîchissement parallèle des copies. Nous décrivons des expérimentations à grande échelle de notre algorithme basées sur notre prototype (RepDB*) sur une grappe de 64 noeuds utilisant le SGBD PostgreSQL. Nos résultats utilisant le banc d'essai TPC-C montrent que notre approche dispose d'un excellent passage à l'échelle et d'une excellente amélioration du débit.

Cette thèse porte sur la réplication de données dans les systèmes pair-à-pair (P2P). Elle est motivée par l'importance croissante des applications de collaboration répartie et leurs besoins spécifiques en termes de réplication de données, cohérence de données, passage à l'échelle, et haute disponibilité. En employant comme exemple un Wiki P2P, nous montrons que les besoins de réplication pour les applications collaborative sont : haut niveau d'autonomie, réplication multi-maître, détection et résolution de conflit basé sur sémantique, cohérence éventuelle parmi des répliques, hypothèses faibles de réseau, et indépendance des types de données. Bien que la réplication optimiste adresse la plupart de ces besoins, les solutions existantes sont peu applicables aux réseaux P2P puisqu'elles sont centralisées ou ne tiennent pas compte des limitations de réseau. D'autre part, les solutions existantes de réplication P2P ne répondent pas à toutes ces exigences simultanément. En particulier, aucune d'elles ne fournit la cohérence éventuelle parmi des répliques avec des hypothèses faibles de réseau. Cette thèse vise à fournir une solution de réconciliation fortement disponible et qui passe à l'échelle pour des applications de collaboration P2P en développant un protocole de réconciliation qui assure la cohérence éventuelle parmi des répliques et tient compte des coûts d'accès aux données. Cet objectif est accompli en cinq étapes. D'abord, nous présentons des solutions existantes pour la réplication optimiste et des stratégies de réplication P2P et nous analysons leurs avantages et inconvénients. Cette analyse nous permet d'identifier les fonctionnalités et les propriétés que notre solution doit fournir. Dans une deuxième étape, nous concevons un service de réplication pour le système APPA (en anglais, Atlas Peer-to-Peer Architecture). Troisièmement, nous élaborons un algorithme pour la réconciliation sémantique répartie appelée DSR, qui peut être exécuté dans différents environnements répartis (par ex. grappe, grille, ou P2P). Dans une quatrième étape, nous faisons évoluer DSR en protocole de réconciliation pour des réseaux P2P appelé P2P-reconciler. Finalement, la cinquième étape produit une nouvelle version de P2P-reconciler, appelée P2P-reconciler-TA, qui exploite les réseaux P2P conscients de leur topologie (en anglais, topology-aware) afin d'améliorer les performances de la réconciliation. Nous avons validé nos solutions et évalué leurs performances par l'expérimentation et la simulation. Les résultats ont montré que notre solution de réplication apporte haute disponibilité, excellent passage à l'échelle, avec des performances acceptables et surcharge limitée.

Dans une base de données répartie, la réplication de données peut servir à augmenter la fiabilité et la disponibilité de données ainsi que les performances d'accès. En général, l'unité de réplication (copie ou replique) est un table relationnelle (ou un fragment), un document ou un fichier. La réplication consiste alors en placer plusieurs copies sur différents noeuds distincts. Cela fournit une grande disponibilité de données. Si un noeud devient non opérationnel à la suite d'une panne par exemple, une autre copie est toujours accessible sur un autre noeud. La réplication permet aussi aussi de améliorer les performances d'accès en augmentant la localité des références. Lorsque le coût de communication est un facteur dominant, le placement d'une copie sur le noeud où il est le plus souvent accédé favorise les accès locaux et évite l'accès au réseau. Les avantages apportés par la réplication sont à comparer avec la complexité et les coûts supplémentaires de maintenance des copies qui doivent, en théorie rester identiques à tout moment. La mise à jour d'une copie doit être répercutée automatiquement sur toutes ses repliques. Le problème est compliqué par la présence de pannes de noeud ou réseau. Le compromis recherché entre performance d'accès en consultation et en mise à jour des données rend difficile le choix du niveau de réplication. Celui-ci est très dépendant de la charge de travail demandée par les applications. Face à ces défis dans mes travaux de recherche nous avons focalisé sur la gestion de la cohérence pour réplication asynchrone pour plusieurs contextes : entrepôts de données, grappes et applications collaboratives et en pair à pair (P2P). 1. Entrepôts de Données Dans les architectures proposes pour la gestion de entrepôts de données les configurations mono- maître sont souvent utilisés. Dans la réplication mono-maître, plusieurs types configurations acycliques dirigés sont possibles: diffusion, mono-consolidation multi-consolidation, triangulaire. La gestion de la cohérence se pose surtout pour certaines configurations comme dans la multi-consolidation et triangulaire et ses généralisations en combinant les configurations de base. 2. Grappes Les applications dans lesquelles sont utilisées les grappes sont typiquement des applications de lectures intensives, ce qui rend plus facile l'exploitation du parallélisme. Cependant, les grappes peuvent également être utilisées dans un nouveau modèle économique, les Fournisseurs de Services d'Applicatons ASP - Application Service Providers. Dans un contexte ASP, les applications et les bases de données des clients sont stockées chez le fournisseur et sont disponibles, typiquement depuis Internet, aussi efficacement que si elles étaient locales pour les clients. Pour améliorer les performances, les applications et les données peuvent être répliquées sur plusieurs noeuds. Ainsi, les clients peuvent être servis par n'importe quel noeud en fonction de la charge. Cet arrangement fournit également une haute disponibilité: dans le cas de la panne d'un noeud, d'autres noeuds peuvent effectuer le même travail. Le défie est de gérer la réplication multimaître totale et partiel en assurant la cohérence forte et toute en passant à l'échelle. 3 Applications Collaboratives en P2P Les systèmes P2P adoptent une approche complètement décentralisée au partage des ressources. En distribuant données et traitements sur tous les pairs du réseau, ils peuvent passer à très grande échelle sans recourir à des serveurs très puissants. La réplication de données dans les systèmes P2P devient un enjeu majeur pour les applications collaboratives, comme les forums de discussion, les calendriers partagés, ou les catalogues e-commerce, etc. En effet, les données partagées doivent pouvoir être mises à jour en parallèle par différents pairs. Les premiers systèmes P2P existants supposent que les données sont statiques et n'intègrent aucun mécanisme de gestion des mises à jour et de réplication. Une mise à jour d'une donnée par le pair qui la possède implique une nouvelle version non propagée à ceux répliquant cette donnée. Cela résulte en diverses versions sous le même identifiant et l'utilisateur accède à celle stockée par le pair qu'il contacte. Aucune forme de cohérence entre les répliques n'est alors garantie. Le défi est gérer la cohérence éventuelle face au dynamisme des pairs tout en passant à l'échelle.

Les G-quadruplexes sont des structures à quatre brins formées spontanément par certains acides nucléiques riches en guanines dans des conditions physiologiques in vitro et qui présentent une grande variété de conformations. Ma thèse a consisté à montrer qu'ils se formaient in vivo et à étudier les conséquences pathologiques de leur persistance. Le système expérimental utilisé au cours de ma thèse repose sur la mesure de la stabilité de séquences répétées en tandem humaines de type minisatellite chez S. cerevisiae en croissance mitotique. Le motif unitaire du minisatellite CEB1 forme un G-quadruplexe, efficacement déroulé par l'hélicase Pif1 in vitro. Dans un mutant déficient pour l'hélicase Pif1, CEB1 est fréquemment réarrangé (expansion ou contraction). J'ai dans un premier temps participé à montrer que cette instabilité de CEB1 dépendait de ses motifs G-quadruplexes, par mutagénèse dirigée. J'ai confirmé ce résultat par une seconde approche, en traitant des cellules sauvages avec un ligand spécifique des G-quadruplexes. Ce ligand induit spécifiquement l'instabilité du minisatellite CEB1, mais n'a pas d'effet sur le minisatellite CEB1 muté. Ces outils expérimentaux m'ont ensuite permis, en collaboration avec J. Lopes, de montrer que l'instabilité du minisatellite survient durant la réplication, lorsque les G-quadruplexes sont formés sur la matrice du brin à synthèse continue. Cette capacité à former des G-quadruplexes, entre autres propriétés des minisatellites riches en GC, induit la formation de grands réarrangements chromosomiques. Le dernier volet de ma thèse a consisté en l'étude de la relation structure-fonction des G-quadruplexes à l'instabilité génomique

L'organisation de la chromatine a une importance fonctionnelle pour contrôler le programme d'expression des gènes. Par contre, les liens qui l'unissent au déroulement de la réplication de l'ADN sont beaucoup moins connus. Grâce à des approches basées sur la capture d'interactions chromosomiques et sur l'imagerie cellulaire, nous avons étudié les liens entre le repliement à grande échelle de la chromatine et le timing de réplication. Cette analyse, effectuée dans des cellules humaines lymphoblastoïdes, des cellules mononucléées du sang (PBMC) et des cellules issues d'une leucémie myéloïde à caractère érythrocytaire, a permis l'identification de domaines structuraux du noyau. Ces domaines sont relativement isolés les uns des autres et leurs frontières coïncident avec les zones d'initiation précoce. De plus, notre étude montre que ces zones d'initiation précoce interagissent préférentiellement, aussi bien entre voisins immédiats (séparation génomique de l'ordre de la mégabase) que le long du chromosome entier. Les loci répliqués tardivement interagissent eux-aussi avec leurs homologues, conduisant, dans l'espace nucléaire, à une ségrégation des loci en fonction de leur timing de réplication. Ces résultats sont soutenus par des mesures de distances sur des hybridations in-situ qui montrent que les loci répliqués en début de phase S sont plus proches qu'attendus. Nos travaux révèlent enfin que l'organisation de la chromatine est similaire dans des cellules en phase G0 (PBMC dormantes), démontrant qu'elle n'est pas spécifique des cellules en phase S. Pris ensemble, ces résultats apportent des preuves directes d'une organisation robuste de la chromatine, partagée par les cellules en cycle et dormantes, et corrélée au timing de réplication à différentes échelles.

Au cours de ma thèse au sein du laboratoire du Professeur Michelle Debatisse, je me suis intéressé aux mécanismes maintenant la stabilité du génome et contrôlant la dynamique de réplication dans les cellules de mammifères. J'ai étudié le rôle des kinases ATR (" Ataxia Telangectasia and Rad3 related ") et Chk1 (" Checkpoint Kinase 1 "), du point de contrôle intra-S (" checkpoint "), dans le contrôle de la dynamique de réplication. Cette première étude m'a amené à étudier la relation entre les dommages à l'ADN et la dynamique de réplication, dans des modèles cellulaires déficients pour des facteurs de la réponse aux dommages à l'ADN (DDR), appartenant soit au " checkpoint ", soit à la voie de réparation par recombinaison homologue (HR), tels que Rad51 et BRCA2. Je montre ici, que le ralentissement des fourches de réplication et l'augmentation de la densité d'événements d'initiation, observés dans des cellules déficientes pour Chk1 ou Rad51, sont la conséquence indirecte des lésions apparaissant spontanément dans de telles cellules. Le ralentissement des fourches dans ces cellules dépend d'une perturbation de la disponibilité en précurseurs de nucléotides qui dépend de la sur-expression et/ou de la re-localisation de la sous-unité p53R2 de la ribonucléotide réductase (RNR). De plus, contrairement à ce qui était proposé, je montre que Chk1 n'a pas de rôle actif dans la répression des origines latentes, mais que c'est la vitesse des fourches qui détermine l'espacement entre les origines actives, par un mécanisme de compensation découvert auparavant au laboratoire (Anglana, 2003 ; Courbet, 2008). L'ensemble de mes résultats permet de proposer un mécanisme général de communication entre la réplication et la réparation. Ce mécanisme confère un avantage aux cellules, puisque le ralentissement des fourches stabilise la machinerie de réplication qui voyage sur une matrice endommagée, et l'activation d'origines latentes procure une source de sauvetage pour les fourches bloquées.