A generalised model of biological topographic map development is presented which combines both weight plasticity and the formation and elimination of synapses (synaptic rewiring) as well as both activity-dependent and -independent processes. The question of whether an activity-dependent process can refine a mapping created by an activity-independent process is investigated using a statistical approach to analysingmapping quality. The model is then implemented in custom mixed-signal VLSI. Novel aspects of this implementation include: (1) a distributed and locally reprogrammable address-event receiver, with which large axonal fan-out does not reduce channel capacity; (2) an analogue current-mode circuit for Euclidean distance calculation which is suitable for operation across multiple chips; (3) slow probabilistic synaptic rewiring driven by (pseudo-)random noise; (4) the application of a very-low-current design technique to improving the stability of weights stored on capacitors; (5) exploiting transistor non-ideality to implement partially weightdependent spike-timing-dependent plasticity; (6) the use of the non-linear capacitance of MOSCAP devices to compensate for other non-linearities. The performance of the chip is characterised and it is shown that the fabricated chips are capable of implementing the model, resulting in biologically relevant behaviours such as activity-dependent reduction of the spatial variance of receptive fields. Complementing a fast synaptic weight change mechanism with a slow synapse rewiring mechanism is suggested as a method of increasing the stability of learned patterns.

All peripheral sensory information is represented in the thalamus before being transmitted to the cortex, with the exception of olfaction. The thalamus projects to all areas of the neocortex and all neocortical areas project to the thalamus. I am interested in the development of three corticothalamic populations which are anatomically and functionally distinct; they project to different thalamic nuclei and generate different post-synaptic responses. Layer V fibres project exclusively to higher order thalamic nuclei. These projections drive thalamic neuron activity and mediate a trans-thalamic cortico-cortical relay. Layer VI and VIb fibres project to both first order and higher order thalamic nuclei. These projections modulate thalamic neuron activity and mediate feedback to the thalamus. Using three transgenic mouse lines I demonstrate that developing corticothalamic fibres target the specific groups of thalamic nuclei to which they project in adulthood. Rbp4-Cre::tdTomato labels layer V; Ntsr1-Cre::tdTomato labels layer VI; Golli-τ-eGFP labels layer VI and VIb. By P4 layer V fibres arborise densely in higher order nuclei but do not innervate the first order nuclei at any age. In contrast, at this age VI and VIb fibres densely innervate the first order ventral posterior-medial nucleus (VPM), as well as higher order nuclei. Layer VI and VIb fibres accumulate outside the dorsal Lateral Geniculate Nucleus (dLGN) from P2 before entering at P6. During this waiting period, retinal fibres transmit spontaneous waves of activity to the dLGN. To assess whether retinal input regulates corticothalamic circuit development I performed monocular enucleation. I demonstrate that after loss of retinal input, layer VI and VIb fibres enter the dLGN prematurely, by P2. Furthermore layer V fibres which target the retino-recipient superior colliculus also enter prematurely following enucleation. These results suggest there may be a retinal mechanism which regulates the timing of corticofugal ingrowth to joint retinal/cortical targets. The loss of retinal driver input to the dLGN also induces layer V driver fibres to aberrantly enter the first order dLGN. These results are the first to show cross-hierarchical rewiring after losing peripheral sensory input. The role of peripheral activity in the developing nervous system is underscored by activity dependent molecular mechanisms. I therefore performed a microarray gene expression experiment to systematically analyse molecular changes in the dLGN following enucleation. The expression of numerous genes is altered following enucleation including potassium channels Kcnk9 and Kcnn3, kinase pathway mediators, Shc3 and Dgkk, and immediate early genes BDNF, Egr1 and Egr2. The majority of genes regulated by enucleation are regulated in the opposite direction over development indicating that the loss of the retinal input delays maturation of the dLGN transcriptome. In this thesis I demonstrate that early corticothalamic development targets specific thalamic nuclei. Using the visual system as a model I demonstrate that retinal input regulates corticothalamic development and contributes to the transcriptome of thalamic nuclei.

Information gathered socially online is a key feature of the growth and development of modern society. Presently the Internet is a platform for the distribution of data. Millions of people use Online Social Networks daily as a tool to get updated with social, political, educational or other occurrences. In many cases information derived from an Online Social Network is acted upon and often shared with other networks, without further assessments or judgments. Many people do not check to see if the information shared is credible. A user may trust the information generated by a close friend without questioning its credibility, in contrast to a message generated by an unknown user. This work considers the concept of credibility in the wider sense, by proposing whether a user can trust the service provider or even the information itself. Two key components of credibility have been explored; trustworthiness and expertise. Credibility has been researched in the past using Twitter as a validation tool. The research was focused on automatic methods of assessing the credibility of sets of tweets using analysis of microblog postings related to trending topics to determine the credibility of tweets. This research develops a framework that can assist the assessment of the credibility of messages in Online Social Networks. Four types of credibility are explored (experienced, surface, reputed and presumed credibility) resulting in a credibility hierarchy. To determine the credibility of messages generated and distributed in Online Social Networks, a virtual network is created, which attributes nodes with individual views to generate messages in the network at random, recording data from a network and analysing the data based on the behaviour exhibited by agents (an agent-based modelling approach). The factors considered for the experiment design included; peer-to-peer networking, collaboration, opinion formation and network rewiring. The behaviour of agents, frequency in which messages are shared and used, the pathway of the messages and how this affects credibility of messages is also considered. A framework is designed and the resulting data are tested using the design. The resulting data generated validated the framework in part, supporting an approach whereby the concept of tagging the message status assists the understanding and application of the credibility hierarchy. Validation was carried out with Twitter data acquired through twitter’s Application Programming Interface (API). There were similarities in the generation and frequency of the message distributions in the network; these findings were also recorded and analysed using the framework proposed. Some limitations were encountered while acquiring data from Twitter, however, there was sufficient evidence of correlation between the simulated and real social network datasets to indicate the validity of the framework.

[ES] El daño cerebral es la mayor causa de discapacidad en la etapa adulta, particularmente afectando a la población anciana. Independientemente de la causa, los diferentes tipos de daño cerebral comparten eventos fisiopatológicos similares. Hasta ahora, la mayoría de los estudios se enfocaron en estudiar las respuestas inmediatas tras la lesión, mientras que los mecanismos que subyacen bajo los procesos de plasticidad y regeneración cortical aún son desconocidos. Neuregulina 1 (Nrg1) es una proteína esencial en el desarrollo de los circuitos corticales que se ha asociado a diferentes trastornos psiquiátricos, como la esquizofrenia. En las últimas décadas, varios trabajos proponen a Nrg1 como un factor neuroprotector emergente en el ámbito de lesión. No obstante, la mayoría de las investigaciones se centran en estudiar la respuesta temprana de la forma soluble de Nrg1 tras el daño, mediada por la activación de los receptores ErbB, la cual no recapitula totalmente la compleja señalización de Nrg1. De este modo, nuestro laboratorio ha demostrado previamente que la señalización intracelular de Nrg1 se activa en situaciones de hipoxia, promoviendo la supervivencia neuronal tras ictus. El principal objetivo de esta tesis es estudiar el papel de la señalización de Nrg1 en la regeneración y plasticidad cortical tras daño cerebral. Para ello, hemos desarrollado nuevos modelos para 1) ofrecer una metodología que permita estudiar la regeneración axonal in vitro e in vivo y 2) específicamente estudiar el papel de la señalización intracelular de Nrg1 en el ámbito de daño cortical. Primero, desarrollamos un nuevo modelo in vitro de lesión axonal en cultivos de neuronas corticales, utilizando técnicas de electroporación para marcar un número limitado de neuronas, combinado con una posterior lesión física basada en una transección mecánica de los axones. En este modelo, también se realizaron estudios de ganancia y pérdida de función para comprender el papel de Nrg1 en el crecimiento axonal. Nuestros resultados mostraron que Nrg1, y específicamente la activación de su vía intracelular, potencia el crecimiento axonal tras daño. Posteriormente, diseñamos una metodología novedosa en ratones para estudiar la regeneración cortical, combinando técnicas de trazado de conexiones cortico-corticales con una lesión focal y mecánica en la corteza primaria motora. Se realizó una extensa caracterización funcional empleando diversas pruebas comportamentales específicas para detectar déficits motores en lesiones unilaterales como la ofrecida en este modelo. Gracias al procesamiento del tejido cerebral en series flotantes, se combinaron diferentes tinciones para realizar reconstrucciones 3D del cerebro y, así, ofrecer un estudio completo incluyendo medidas volumétricas y un análisis de diferentes poblaciones celulares y estructuras subcelulares. Como ejemplo, se investigó la correlación entre la eliminación de redes perineuronales y la activación de células microgliales en la zona adyacente a la lesión. Esta metodología de lesión cortical in vivo se utilizó en innovadores modelos genéticos de ratón en esta tesis para entender el papel de Nrg1 tras daño cortical. Así, se eliminó la expresión del gen de Nrg1 en ratonas jóvenes y maduras previamente a la lesión, observando que la ausencia de Nrg1 promueve la respuesta neuroinflamatoria y una preservación axonal limitada, conllevando una menor recuperación motora espontánea tras la lesión. Finalmente, para ofrecer una visión mecanicista del papel de la señalización intracelular de Nrg1, su dominio intracelular se expresó específicamente en neuronas corticales, observando que la activación de esta vía de señalización reduce la respuesta inflamatoria tras lesión cortical. En conclusión, estos resultados señalan que Nrg1, y específicamente la activación de su vía intracelular, podría ser una diana molecular prometedora en el contexto de neuroprotección, regeneración y recuperación cortical tras daño cerebral. / [CA] El dany cerebral és la major causa de discapacitat en l'etapa adulta, particularment en la població anciana. Independentment de la causa, els diferents tipus de dany cerebral comparteixen esdeveniments fisiopatològics similars. Fins ara, la majoria dels estudis es van enfocar a estudiar les respostes immediates després de la lesió, mentre que els mecanismes que subjauen sota els processos de plasticitat i regeneració cortical encara són desconeguts. Neuregulina 1 (Nrg1) és una proteïna essencial en el desenvolupament dels circuits corticals que s'ha associat a diferents trastorns psiquiàtrics, com l'esquizofrènia. En les últimes dècades, diversos treballs proposen a Nrg1 com un factor neuroprotector emergent en l'àmbit de lesió. No obstant això, la majoria de les investigacions se centren en estudiar la resposta primerenca de la forma soluble de Nrg1 després del mal, mediada per l'activació dels receptors ErbB, la qual no recapitula totalment la complexa senyalització de Nrg1. D'aquesta manera, el nostre laboratori ha demostrat prèviament que la senyalització intracel·lular de Nrg1 s'activa en situacions d'hipòxia, promovent la supervivència neuronal després de l'ictus. El principal objectiu d'aquesta tesi és estudiar el paper de la senyalització de Nrg1 en la regeneració i plasticitat cortical després de dany cerebral. Per a això, hem desenvolupat nous models per a 1) oferir una metodologia que permeta estudiar la regeneració axonal in vitro i in vivo i 2) específicament estudiar el paper de la senyalització intracel·lular de *Nrg1 en l'àmbit de mal cortical. Primer, desenvolupem un nou model in vitro de lesió axonal en cultius de neurones corticals, utilitzant tècniques de electroporació per a marcar un nombre limitat de neurones, combinat amb una posterior lesió física basada en una secció mecànica dels axons. En aquest model, també es van realitzar estudis de guany i pèrdua de funció per a comprendre el paper de Nrg1 en el creixement axonal. Aquests resultats van mostrar que Nrg1, i específicament l'activació de la seua via intracel·lular, potència el creixement axonal després de mal. Posteriorment, dissenyem una metodologia nova en ratolins per a estudiar la regeneració cortical, combinant tècniques de traçat de connexions cortico-corticals amb una lesió focal i mecànica en l'escorça primària motora. Es va realitzar una extensa caracterització funcional emprant diverses proves comportamentals específiques per a detectar dèficits motors en lesions unilaterals com l'oferida en aquest model. Gràcies al processament del teixit cerebral en sèries flotants, es van combinar diferents tincions per a realitzar reconstruccions 3D del cervell i, així, oferir un estudi complet incloent mesures volumètriques i una anàlisi de diferents poblacions cel·lulars i estructures subcel·lulars. Com a exemple, es va investigar la correlació entre l'eliminació de xarxes perineuronals i l'activació de cèl·lules microglials en la zona adjacent a la lesió. Aquesta metodologia de lesió cortical in vivo es va utilitzar en innovadors models genètics de ratolí per a entendre el paper de Nrg1 després de mal cortical. Es va eliminar l'expressió del gen de Nrg1 en ratolins joves i madurs prèviament a la lesió, observant que l'absència de Nrg1 promou la resposta neuroinflamatoria i una preservació axonal limitada, el que comporta una menor recuperació motora espontània després de la lesió. Finalment, per a oferir una visió mecanicista del paper de la senyalització intracel·lular de Nrg1, el seu domini intracel·lular es va expressar específicament en neurones corticals, observant que l'activació d'aquesta via de senyalització redueix la resposta inflamatòria després de lesió cortical. En conclusió, aquests resultats assenyalen que la senyalització de Nrg1, i específicament l'activació de la seua via intracel·lular, podria ser una diana molecular prometedora en el context de neuroprotecció, regeneració i recuperació cortical després de dany cerebral. / [EN] Brain damage is the leading cause of disability in adults, particularly in the elderly population. Regardless of the cause, different types of brain injury share similar physiopathological events. Most studies to date have focused on the immediate post-injury response, whereas less is known about cortical regeneration and plasticity after brain injury. Neuregulin 1 (Nrg1) is essential for the development of cortical circuits and has been implicated in several psychiatric disorders, such as schizophrenia. In the last decades, several works proposed Nrg1 signaling as an emergent modulator of neuroprotection upon damage. However, most research has focused on the early response of Nrg1 diffusible isoforms mediated by ErbB receptor activation after injury, which does not fully recapitulate the complexity of Nrg1 signaling. In this context, we have previously shown that Nrg1 intracellular signaling is activated under hypoxic conditions and promotes neuronal survival after cortical stroke. The overall goal of this dissertation is to investigate the role of Nrg1 signaling in cortical regeneration and plasticity after cortical damage. To achieve this goal, we developed novel, refined models to 1) provide new methodological approaches to study axonal regeneration in vitro and in vivo and 2) specifically target Nrg1 signaling and particularly investigate the role of Nrg1 intracellular pathway upon cortical injury. First, we developed a novel in vitro model of axonal injury in cortical neuron cultures. Specifically, we performed sparse labeling of the cultures by electroporation techniques and induced physical injury by mechanical transection of the axons. In this model, we also performed gain- and loss-of-function approaches to investigate the role of Nrg1 in axonal outgrowth. Our results showed that Nrg1, and specifically the activation of its intracellular signaling, potentiates axonal outgrowth upon injury. Second, we developed a novel methodology in mice that combines cortico-cortical projection tracing with focal mechanically controlled cortical damage (CCD) to study cortical regeneration. We performed extensive functional characterization of the model and provided meaningful behavioral tasks to detect motor impairment in unilateral focal injuries. Since tissue processing is performed in serial floating sections, we combined different immunolabeling and 3D brain reconstruction to evaluate stereological measurements and analysis of axonal projections and different cell populations. As a biological result, we showed a correlation between perineuronal nets (PNNs) disruption and microglial activation in the perilesional region. Later, we applied the CCD methodology in novel genetic mouse models to better understand the role of Nrg1 signaling in vivo after cortical injury. We induced acute Nrg1 deletion prior to injury in young and aged mice and observed that Nrg1 deletion promoted neuroinflammatory response and limited axonal preservation and spontaneous motor recovery after cortical injury. Finally, we specifically expressed Nrg1-ICD to provide a mechanistic perspective and observed that activation of this intracellular pathway decreased the neuroinflammatory response. Collectively, our results shed light on Nrg1 signaling, and specifically the activation of its intracellular pathway, as a promising molecular target in neuroprotection, cortical regeneration, and recovery after brain injury. / González Manteiga, A. (2023). Understanding the Role of Nrg1 Signaling Upon Brain Damage: Novel Models of Cortical Regeneration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/200224

Nous considérons une plate-forme pair-à-pair pour la Recherche d'Information (RI) collaborative. Chaque pair héberge une collection de documents textuels qui traitent de ses sujets d'intérêt. En l'absence d'un mécanisme d'indexation global, les pairs indexent localement leurs documents et s'associent pour fournir un service distribué de réponse à des requêtes. Notre objectif est de concevoir un protocole décentralisé qui permette aux pairs de collaborer afin de transmettre une requête depuis son émetteur jusqu'aux pairs en possession de documents pertinents. Les réseaux logiques sémantiques (Semantic Overlay Networks, SON) représentent la solution de référence de l'état de l'art. Les pairs qui possèdent des ressources sémantiques similaires sont regroupés en clusters. Les opérations de RI seront alors efficaces puisqu'une requête sera transmise aux clusters de pairs qui hébergent les ressources pertinentes. La plupart des approches actuelles consistent en une reconfiguration dynamique du réseau de pairs (peer rewiring). Pour ce faire, chaque pair exécute périodiquement un algorithme de marche aléatoire ou gloutonne sur le réseau pair-à-pair afin de renouveler les pairs de son cluster. Ainsi, un réseau à la structure initialement aléatoire évolue progressivement vers un réseau logique sémantique. Jusqu'à présent, les approches existantes n'ont pas considéré que l'évolution de la topologie du réseau puisse influer sur les performances de l'algorithme de reconfiguration dynamique du réseau. Cependant, s'il est vrai que, pour une configuration initiale aléatoire des pairs, une marche aléatoire sera efficace pour découvrir les pairs similaires, lorsque des clusters commencent à émerger une approche gloutonne devient alors mieux adaptée. Ainsi, nous proposons une stratégie qui applique un algorithme de recuit simulé (Simulated Annealing, SA) afin de faire évoluer une stratégie de marche aléatoire vers une stratégie gloutonne lors de la construction du SON. Cette thèse contient plusieurs avancées concernant l'état de l'art dans ce domaine. D'abbord, nous modélisions formellement la reconfiguration dynamique d'un réseau en un SON. Nous identifions un schéma générique pour la reconfiguration d'un réseau pair-à-pair, et après le formalisons en une procédure constituée de trois étapes. Ce framework cohérent offre à ses utilisateurs de quoi le paramétrer. Ensuite, le problème de la construction d'un SON est modélisé sous la forme d'un problème d'optimisation combinatoire pour lequel les opérations de reconfiguration du réseau correspondent à la recherche décentralisée d'une solution locale. Fondée sur ce modèle, une solution concrète à base de recuit simulé est proposée. Nous menons une étude expérimentale poussée sur la construction du SON et la RI sur SONs, et validions notre approche. / A Peer-to-Peer (P2P) platform is considered for collaborative Information Retrieval (IR). Each peer hosts a collection of text documents with subjects related to its owner's interests. Without a global indexing mechanism, peers locally index their documents, and provide the service to answer queries. A decentralized protocol is designed, enabling the peers to collaboratively forward queries from the initiator to the peers with relevant documents. Semantic Overlay Network (SONs) is one the state of the art solutions, where peers with semantically similar resources are clustered. IR is efficiently performed by forwarding queries to the relevant peer clusters in an informed way. SONs are built and maintained mainly via peer rewiring. Specifically, each peer periodically sends walkers to its neighborhood. The walkers walk along peer connections, aiming at discovering more similar peers to replace less similar neighbors of its initiator. The P2P network then gradually evolves from a random overlay network to a SON. Random and greedy walk can be applied individually or integrated in peer rewiring as a constant strategy during the progress of network evolution. However, the evolution of the network topology may affect their performance. For example, when peers are randomly connected with each other, random walk performs better than greedy walk for exploring similar peers. But as peer clusters gradually emerge in the network, a walker can explore more similar peers by following a greedy strategy. This thesis proposes an evolving walking strategy based on Simulated Annealing (SA), which evolves from a random walk to a greedy walk along the progress of network evolution. According to the simulation results, SA-based strategy outperforms current approaches, both in the efficiency to build a SON and the effectiveness of the subsequent IR. This thesis contains several advancements with respect to the state of the art in this field. First of all, we identify a generic peer rewiring pattern and formalize it as a three-step procedure. Our technique provides a consistent framework for peer rewiring, while allowing enough flexibility for the users/designers to specify its properties. Secondly, we formalize SON construction as a combinatorial optimization problem, with peer rewiring as its decentralized local search solution. Based on this model, we propose a novel SA-based approach to peer rewiring. Our approach is validated via an extensive experimental study on the effect of network wiring on (1) SON building and (2) IR in SONs.

The rationale behind targeted molecular therapy in cancer, oncogene addiction, is that tumors rely on driver oncogenes to control their proliferation and survival. Therefore, an efficacious targeted therapy should induce a dual, detrimental response to the tumor. While there have been clinical success stories using targeted therapies, even tumors that are initially sensitive invariably develop resistance. In the case of triple negative breast cancer (TNBC), despite extensive evidence pointing to its driver oncogene status, inhibitors of the Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) are considered clinically inefficacious. Resistance to EGFR inhibition has been predominantly described as due to genetic alterations. Yet it remains unclear why patients exhibiting the same dysregulated status of a driver oncogene react to targeted therapy, as in the case of EGFR-mutant non-small cell lung cancer, while others do not at all (i.e., TNBC). Furthermore, not all of resistance can be described by genetic alterations to EGFR, to its pathway effectors, or to compensatory pathways. Emerging data reveals that drugs can induce resistance by rewiring epigenomic, transcriptional, and translational regulatory mechanisms. Unfortunately, a major limitation in designing efficacious treatments is our inability to predict whether cell types can rewire in response to drug exposure. Therefore, it is necessary to elucidate mechanisms of growth and survival in cells that have undergone rewiring. This study characterized intrinsic resistance to EGFR inhibition in TNBC. We found that EGFR inhibition induces rewiring, which results in a resistant growth state that bypasses the EGFR-MAPK pathway as a whole. Additionally, we found that a tRNA-modifying complex masks the oncogene addiction status of EGFR in TNBC by stabilizing the protein abundance of a pro-survival protein. Importantly, this happens solely in the context of EGFR inhibition. Taken together, this study highlights potential therapeutic strategies for TNBC and strategies that can be used to improve our understanding of targeted therapy resistance, especially intrinsic resistance.

This research investigated the concept of a sparsity method inspired by the principles of structural plasticity in the brain in order to create a sparse model of the Bayesian Confidence Propagation Neural Networks (BCPNN) during the training phase. This was done by extending the structural plasticity in the implementation of the BCPNN. While the initial algorithm presented two synaptic states (Active and Silent), this research extended it to three synaptic states (Active, Silent and Absent) with the aim to enhance sparsity configurability and emulate a more brain-like algorithm, drawing parallels with synaptic states observed in the brain. Benchmarking was conducted using the MNIST and Fashion-MNIST dataset, where the proposed threestate model was compared against the previous two-state model in terms of representational learning. The findings suggest that the three-state model not only provides added configurability but also, in certain low-sparsity settings, showcases similar representational learning abilities as the two-state model. Moreover, in high-sparsity settings, the three-state model demonstrates a commendable balance between accuracy and sparsity trade-off. / Denna forskning undersökte en konceptuell metod för gleshet inspirerad av principerna för strukturell plasticitet i hjärnan för att skapa glesa BCPNN. Forskningen utvidgade strukturell plasticitet i en implementering av BCPNN. Medan den ursprungliga algoritmen presenterade två synaptiska tillstånd (Aktiv och Tyst), utvidgade denna forskning den till tre synaptiska tillstånd (Aktiv, Tyst och Frånvarande) med målet att öka konfigurerbarheten av sparsitet och efterlikna en mer hjärnliknande algoritm, med paralleller till synaptiska tillstånd observerade i hjärnan. Jämförelse gjordes med hjälp av MNIST och Fashion-MNIST datasetet, där det föreslagna tre-tillståndsmodellen jämfördes med den tidigare tvåtillståndsmodellen med avseende på representationslärande. Resultaten tyder på att tre-tillståndsmodellen inte bara ger ökad konfigurerbarhet utan också, i vissa lågt glesa inställningar, visar samma inlärningsförmåga som två-tillståndsmodellen. Dessutom visar den tre-tillståndsmodellen i högsparsamma inställningar en anmärkningsvärd balans mellan noggrannhet och avvägningen mellan sparsitet.

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices. / Proteins are the end-products of gene interpretative machinery. Proteins serve essential roles in defining the structure, integrity and dynamics of the cell and mediate most chemical transformations needed for everything from metabolic catalysis to signal transduction. We know that the central dogma of molecular biology, one gene = one mRNA = one protein is a gross simplification and that a protein may do different things depending on the form in which its mRNA was spliced, how and where it is post-translationally modified, what conformational state it may be in or finally, which other proteins it may interact with. Formation of protein complexes may, themselves, be governed by the states in which proteins are expressed in specific cells, cellular compartments or under specific conditions or dynamic phases such has growth or division. Protein complexes involved in mitotic cell cycle regulation are particularly challenging to dissect since they could only form during specific phases of the cell cycle, are highly regulated by post-translational modifications and can be found in any subcellular compartments. To date, no general methods have been developed to allow fine dissection of these protein complexes. The goal of this thesis was to establish and demonstrate a novel strategy for dissecting protein complexes regulating the budding yeast Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) mitotic cell cycle. In this thesis, I describe my development and optimization of a simple survival-selection Protein-fragment Complementation Assay using the prodrug-converting enzyme, yeast cytosine deaminase as reporter (OyCD PCA). I further describe, in a series of proof of principle studies, applications of the OyCD PCA to dissect the mechanism of transcriptional activation by key mitotic transcription factors and to dissect protein-protein interactions (PPIs) among regulators of the mitotic cell cycle. A key feature of the OyCD PCA is that it can be used to detect both formation and disruption of PPIs by virtue of having positive readouts for both assays. I applied the OyCD PCA in a strategy to dissect interactions between the key transcription factors of the G1/S phase: SBF and MBF. These two heterodimeric transcription factors are composed of, respectively, two distinct DNA-binding subunits named Swi4 and Mbp1 and a common transcription activation subunit called Swi6. I took advantage of the dual selection by OyCD PCA to engineer a specific mutant of Swi6 in order to demonstrate the rewiring of a transcriptional network. We isolated Swi6 with mutations found in its C-terminal domain previously identified for binding Swi4 and Mbp1 and important for SBF and MBF activities. Our results support a model where Swi6 undergoes a conformational change upon binding to Swi4 or Mbp1. In addition, this Swi6 mutant was used to dissect the regulatory mechanism that governs the entry of S. cerevisiae to a new round of cell division also known as START. We found that the SBF and MBF repressor Whi5 directly binds to the C-terminal domain of Swi6. Finally, I applied the OyCD PCA to dissect the yeast cyclin dependent kinase Cdk1-protein complexes. Cdk1 is the essential kinase that regulates cell cycle progression and can phosphorylate a large number of different substrates by teaming up with one of nine cyclin regulatory proteins (Cln1-3, Clb1-6). I describe a strategy to identify interaction partners of Cdk1 that can easily be scaled up for a genome-wide screen and associate the complexes with the appropriate cyclin(s) required for mediating the interaction using the OyCD PCA and deletion of the cyclin genes. My results allow us to postulate which phase(s) of the mitotic cell cycle Cdk1 may phosphorylate proteins and what function potential or known substrates of Cdk1 may take on during that phase(s). For example, we identified the interaction between Cdk1 and the γ-tubulin (Tub4) to be dependent upon Clb3, consistent with its role in mediating nucleation and growth of mitotic microtubule bundles on the spindle pole body. This strategy can also be applied to study other PPIs that are contingent upon accessory subunits.

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices. / Proteins are the end-products of gene interpretative machinery. Proteins serve essential roles in defining the structure, integrity and dynamics of the cell and mediate most chemical transformations needed for everything from metabolic catalysis to signal transduction. We know that the central dogma of molecular biology, one gene = one mRNA = one protein is a gross simplification and that a protein may do different things depending on the form in which its mRNA was spliced, how and where it is post-translationally modified, what conformational state it may be in or finally, which other proteins it may interact with. Formation of protein complexes may, themselves, be governed by the states in which proteins are expressed in specific cells, cellular compartments or under specific conditions or dynamic phases such has growth or division. Protein complexes involved in mitotic cell cycle regulation are particularly challenging to dissect since they could only form during specific phases of the cell cycle, are highly regulated by post-translational modifications and can be found in any subcellular compartments. To date, no general methods have been developed to allow fine dissection of these protein complexes. The goal of this thesis was to establish and demonstrate a novel strategy for dissecting protein complexes regulating the budding yeast Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) mitotic cell cycle. In this thesis, I describe my development and optimization of a simple survival-selection Protein-fragment Complementation Assay using the prodrug-converting enzyme, yeast cytosine deaminase as reporter (OyCD PCA). I further describe, in a series of proof of principle studies, applications of the OyCD PCA to dissect the mechanism of transcriptional activation by key mitotic transcription factors and to dissect protein-protein interactions (PPIs) among regulators of the mitotic cell cycle. A key feature of the OyCD PCA is that it can be used to detect both formation and disruption of PPIs by virtue of having positive readouts for both assays. I applied the OyCD PCA in a strategy to dissect interactions between the key transcription factors of the G1/S phase: SBF and MBF. These two heterodimeric transcription factors are composed of, respectively, two distinct DNA-binding subunits named Swi4 and Mbp1 and a common transcription activation subunit called Swi6. I took advantage of the dual selection by OyCD PCA to engineer a specific mutant of Swi6 in order to demonstrate the rewiring of a transcriptional network. We isolated Swi6 with mutations found in its C-terminal domain previously identified for binding Swi4 and Mbp1 and important for SBF and MBF activities. Our results support a model where Swi6 undergoes a conformational change upon binding to Swi4 or Mbp1. In addition, this Swi6 mutant was used to dissect the regulatory mechanism that governs the entry of S. cerevisiae to a new round of cell division also known as START. We found that the SBF and MBF repressor Whi5 directly binds to the C-terminal domain of Swi6. Finally, I applied the OyCD PCA to dissect the yeast cyclin dependent kinase Cdk1-protein complexes. Cdk1 is the essential kinase that regulates cell cycle progression and can phosphorylate a large number of different substrates by teaming up with one of nine cyclin regulatory proteins (Cln1-3, Clb1-6). I describe a strategy to identify interaction partners of Cdk1 that can easily be scaled up for a genome-wide screen and associate the complexes with the appropriate cyclin(s) required for mediating the interaction using the OyCD PCA and deletion of the cyclin genes. My results allow us to postulate which phase(s) of the mitotic cell cycle Cdk1 may phosphorylate proteins and what function potential or known substrates of Cdk1 may take on during that phase(s). For example, we identified the interaction between Cdk1 and the γ-tubulin (Tub4) to be dependent upon Clb3, consistent with its role in mediating nucleation and growth of mitotic microtubule bundles on the spindle pole body. This strategy can also be applied to study other PPIs that are contingent upon accessory subunits.