Obwohl das Standardmodell der Teilchenphysik eines der erfolgreichsten physikalischen Theorien der modernen Geschichte ist, wurden schon früh viele theoretische Erweiterung entwickelt, welche versuchen, die offenen Fragen des Standardmodells zu lösen. So bietet das Standardmodell keine Erklärung für die Existenz der dunklen Materie oder eine vereinheitlichte Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen an. Viele der Modelle erweitern das Standardmodell mit zusätzlichen Symmetrien wie zum Beispiel der Supersymmetrie. Die einfachste supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells ist das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM). Diese Modelle sagen die Existenz eines zweiten Higgs-Dublette Feldes voraus, welches die Präsenz zusätzliche Higgs-Bosonen zur Folge hätte. Daher ist die Suche nach zusätzlichen Higgs-Bosonen ein wichtiges Fenster zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. In dieser Arbeit wird die Suche nach zusätzlichen, schweren und neutralen A und H Higgs-Bosonen im voll-hadronischen di-Tau Zerfallskanal präsentiert. Die Suche basiert auf dem vollständigen LHC Run-2 Datensatz, aufgezeichnet vom ATLAS Detektor in der Zeit von 2015 bis 2018. Die aufgezeichneten Daten entsprechen einer intrigierten Luminosität von 139 fb^−1 . Da kein signifikanter Überschuss an Daten im Verhältnis zur Untergrundabschätzung beobachtet wurde, werden die Resultate der Suche in Form von Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt mal dem Verzweigungsverhältnis für Higgs-Bosonen mit Massen zwischen 200 GeV und 2500 GeV, welche via Gluon-Gluon-Fusion oder b-assoziierter Produktion generiert wurden, angegeben. Die Ausschlussgrenzen werden berechnet mit einem Vertrauensniveau von 95 %. Die Resultate des voll-hadronischen Zerfallskanals werden kombiniert mit denen des semi-leptonischen Zerfallskanals und anschließend in den m_A-tanβ Parameterraum des hMSSM Modells als auch weiterer mh125 Modellvarianten transformiert. Die kombinierten Ausschlussgrenzen im Parameterraum des hMSSM Modells werden mit jener vorherigen Analysen publiziert durch die ATLAS und CMS Kollaboration verglichen, welche auf einem vorläufigen Run-2 Datensatz basieren. Im Verhältnis zu den vorherigen Resultaten von ATLAS (CMS) wurde eine signifikante Verbesserung von 10 % (11 %) für m A = 500 GeV bis hin zu 63 % (67 %) für m_A = 1200 GeV beobachtet. Des Weiteren wird in dieser Arbeit ein neuartiger Algorithmus, basierend auf moderner rekurrenten neuronalen Netzen vorgestellt, welcher Spuren im inneren Detektor des ATLAS Experiments hadronisch zerfallenden Tauonen zuordnen kann. Die Zuordnung der Spuren zu Tauonenzerfällen ist ein integraler Bestandteil der Rekonstruktion hadronisch zerfallender Tau-Leptonen bei ATLAS und liefert wichtige Informationen über dessen Ladung und Zerfallsmultiplizität. Durch Verwendung neuronaler Netze kann ein erheblicher Zuwachs in der Rekonstruktionseffizienz von 10 % und 20 % für hadronische Tauonzerfälle mit einer Zerfallsmultiplizität von 1 und 3 erreicht werden. Aufgrund dieser Verbesserungen erreicht der neue Algorithmus eine Rekonstruktionseffizienz nahe der maximal möglichen Effizienz. Zusätzlich ist es möglich, durch Ausnutzen der inhärenten Flexibilität neuronaler Netze das Training so zu verändern, dass die Netze unterschiedliches verhalten auf QCD Untergrund aufweisen. Es werden zwei Trainingskonfigurationen beschrieben, welche für die offline Datenanalyse oder die Anwendung in Trigger-Entscheidungen optimiert wurden. / Although the Standard Model of particle physics is one of the most successful and well-tested theories in physics, many extensions to the Standard Model were proposed that aim to resolve its shortcomings. Many of these models extend the Standard Model by adding additional symmetries such as Supersymmetry with one of the simplest being the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Supersymmetric models also require the presence of a second Higgs-doublet field which predicts the existence of additional Higgs bosons. Hence, the search for these additional Higgs bosons provides an important window into investigating physics beyond the Standard Model. In this thesis, the search for additional heavy neutral Higgs bosons A and H decaying into a fully hadronic tau lepton pair is presented based on 139 fb^−1 of data taken by the ATLAS detector during the full LHC Run-2 data taking period from 2015 to 2018. Since no significant excess of data with respect to the background estimation was found, the results are presented in terms of 95 % CL upper exclusion limits on the cross-section times branching ratio for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion and b-associated production. Different Higgs boson mass hypotheses are taken into account ranging from 200 GeV to 2500 GeV. A combination with the semi-leptonic search channel is performed whose exclusion limits are transformed into the m_A-tanβ parameter space of the hMSSM and various mh125 benchmark model scenarios. The combined exclusion limit set in the hMSSM model is compared to the previous publications by the ATLAS and CMS collaboration based on early Run-2 data of 36.1 fb^−1 and 35.9 fb^−1 respectively. Compared to previous exclusion limits set by ATLAS (CMS) for the hMSSM scenario, significant improvements are observed ranging between 11 % (10 %) at m_A = 500 GeV up to 63 % (67 %) at m_A = 1200 GeV. In addition to the Higgs boson search, a novel algorithm is presented to identify and select charged particle tracks reconstructed in the ATLAS inner detector originating from hadronic tau lepton decays. The identification of these tracks is an important part of the tau lepton reconstruction and identification at ATLAS and provides information about the decay multiplicity and charge of the tau lepton. By deploying state-of-the-art recurrent neural networks the reconstruction efficiency for tau leptons with a true decay multiplicity of 1 and 3 charged hadrons improves by about 10 % and 20 % respectively. With this improvement, the neural networks achieve a reconstruction efficiency close to the maximum efficiency possible. By exploiting the flexibility of the neural networks, they can be optimized for both offline data analysis and fast software trigger applications.

Pour modéliser un vecteur aléatoire en présence d'une co-variable, on peut d'abord faire appel à la fonction de répartition conditionnelle. En effet, cette dernière contient toute l'information ayant trait au comportement du vecteur étant donné une valeur prise par la co-variable. Il peut aussi être commode de séparer l'étude du comportement conjoint du vecteur de celle du comportement individuel de chacune de ses composantes. Pour ce faire, on utilise la copule conditionnelle, qui caractérise complètement la dépendance conditionnelle régissant les différentes associations entre les variables. Dans chacun des cas, la mise en oeuvre d'une stratégie d'estimation et d'inférence s'avère une étape essentielle à leur utilisant en pratique. Lorsqu'aucune information n'est disponible a priori quant à un choix éventuel de modèle, il devient pertinent d'opter pour des méthodes non-paramétriques. Le premier article de cette thèse, co-écrit par Jean-François Quessy et moi-même, propose une façon de ré-échantillonner des estimateurs non-paramétriques pour des distributions conditionnelles. Cet article a été publié dans la revue Statistics and Computing. En autres choses, nous y montrons comment obtenir des intervalles de confiance pour des statistiques s'écrivant en terme de la fonction de répartition conditionnelle. Le second article de cette thèse, co-écrit par Taoufik Bouezmarni, Jean-François Quessy et moi-même, s'affaire à étudier deux estimateurs non-paramétriques de la copule conditionnelles, proposés par Gijbels et coll. en présence de données sérielles. Cet article a été soumis dans la revue Statistics and Probability Letters. Nous identifions la distribution asymptotique de chacun de ces estimateurs pour des données mélangeantes. Le troisième article de cette thèse, co-écrit par Taoufik Bouezmarni, Jean-François Quessy et moi-même, propose une nouvelle façon d'étudier les relations de causalité entre deux séries chronologiques. Cet article a été soumis dans la revue Electronic Journal of Statistics. Dans cet article, nous utilisons la copule conditionnelle pour caractériser une version locale de la causalité au sens de Granger. Puis, nous proposons des mesures de causalité basées sur la copule conditionnelle. Le quatrième article de cette thèse, co-écrit par Taoufik Bouezmarni, Anouar El Ghouch et moi-même, propose une méthode qui permette d'estimer adéquatement la copule conditionnelle en présence de données incomplètes. Cet article a été soumis dans la revue Scandinavian Journal of Statistics. Les propriétés asymptotiques de l'estimateur proposé y sont aussi étudiées. Finalement, la dernière partie de cette thèse contient un travail inédit, qui porte sur la mise en oeuvre de tests statistiques permettant de déterminer si deux copules conditionnelles sont concordantes. En plus d'y présenter des résultats originaux, cette étude illustre l'utilité des techniques de ré-échantillonnage développées dans notre premier article.

Une altération de l’épissage alternatif est impliquée dans certaines pathologies telles que la Dystrophie Myotonique de type 1 (DM1). La DM1 est une maladie génétique multisystémique appartenant à la famille des maladies à expansion de triplets. En effet, bien que non traduites, les expansions CUG localisées en 3’ des transcrits DMPK répriment l’exportation nucléaire de ces transcrits. Ce phénomène entraine notamment une dérégulation de l’activité de plusieurs facteurs régulateurs d’épissage parmi lesquels les familles CELF (CUGBP and ETR-3 like factor) et MBNL (MuscleBlind like). Cette dérégulation aboutit à un défaut d’épissage alternatif de nombreux transcrits, en particulier dans les muscles squelettiques, le cœur et le cerveau. On compte parmi ces transcrits dérégulés celui du gène MAPT codant pour les protéines Tau. Six isoformes de Tau, issues de l’épissage alternatif des exons 2, 3 et 10, sont principalement exprimées dans le cerveau adulte humain. Dans le cerveau DM1, ces exons sont préférentiellement exclus.La régulation et la dérégulation de l’épissage alternatif de l’exon 2 de Tau dans la DM1 peuvent être étudiées via l’utilisation de minigènes. Ces minigènes sont constitués de séquences Tau plus ou moins délétées insérées dans un vecteur plasmidique. Nous avons démontré que la nature de ce vecteur a une influence sur l’épissage. La construction de différents minigènes a donc permis de sélectionner celui le plus adapté à la recherche des séquences cis régulatrices de Tau. L’étude de ces minigènes démontre l’existence d’éléments cis répresseurs éloignés de l’exon, entre les nucléotides +500 et +2100 en aval de l’exon 2. Par contre, les éléments ciblés par les répétitions CTG dans la DM1 sont proximaux à l’exon 2, dans les 250 pb de part et d’autre de l’exon. Dans ces expansions CTG peuvent être séquestrés certains facteurs d’épissage tels que ceux de la famille MBNL. Dans notre modèle cellulaire, l’extinction de l’expression de MBNL1 ou l’utilisation de minigènes mutants MBNL démontrent que ces facteurs sont impliqués dans la régulation et la dérégulation de l’épissage de l’exon 2 de Tau. De plus, la surexpression de MBNL2 restaure un épissage normal de l’exon 2 en présence de la mutation DM1. Cette restauration est augmentée lorsque MBNL1 est également surexprimé suggérant un effet synergique de ces deux facteurs. Par la suite, nous avons étudié l’intervention d’autres familles de facteurs ubiquitaires ou impliqués dans les pathologies à expansion de triplets. Les facteurs conduisant à la dérégulation de l’exon 10 dans la DM1 n’étant que très peu connus, l’épissage du transcrit de Tau endogène a été analysé afin d’étudier à la fois les exons 2 et 10. Ainsi, de nouveaux facteurs impliqués dans la régulation de l’exon 2 (CELF2, 4 et 6, PTB1 et 2, Sam68, MBNL2) et de l’exon 10 (Sam68, MBNL2, Fox 1 et 2) ont été identifiés. Pour la première fois, l’implication des facteurs CELF5, SC35, SRp20, SRp75, 9G8 pour l’exon 2 et CELF3, hnRNPA1 et Fox1 pour l’exon 10 dans la restauration d’un épissage normal en présence de la mutation DM1 a été identifiée. En conclusion, les exons 2 et 10 de Tau, bien que tous deux dérégulés dans la DM1, sont régulés et dérégulés de façon différente. / Myotonic Dystrophy Type 1 (DM1) belongs to the group of pathologies referred as misregulated alternative splicing or spliceopathies. DM1 is a multisystemic inherited disease characterized by an unstable CTG-repeat expansion in the 3’ UTR of the DMPK gene. These CUG expansions are not translated, but they inhibit nuclear exportation of DMPK transcripts modifying in this way, the pool of available splicing regulating factors like CELF (CUGBP and ETR-3 like factor) and MBNL (Muscleblind Like) families. This deregulation leads to a default of alternative splicing of numerous transcripts, particularly in skeletal muscle, heart and brain. Beyond them, we focus on RNA from the microtubule-associated protein Tau (MAPT). In human brain, six Tau RNA variants have been described from alternative splicing of exons 2, 3 and 10. In DM1 brains, it has been reported a repression of the inclusion of these exons. The functionality of alternative splicing of Tau exon 2 in DM1 can be studied by the use of minigenes. These minigenes are constituted of Tau sequences more or less deleted, inserted in a plasmidic vector. We demonstrated that the nature of the vector has an influence on splicing. The construction of different minigenes permit to choose the one more adaptated to the research of cis-elements involved in both normal and pathological splicing of Tau RNAs. So, cis elements implicated in regulation of Tau exon 2 are distant of the exon (between nucleotides +500 and +2100 upstream exon 2). On the over hand, cis elements targeted by CUG repetitions in DM1 are close to exon 2 (in 25O nucleotides around exon 2). In this CUG expansions, some splicing factors like MBNL family members can be sequestered. In our cellular model, extinction of expression of MBNL1 and the use of minigenes mutants for MBNL sites show that these factors are implicated in both regulation and deregulation of Tau exon 2 alternative splicing. Moreover, over-expression of MBNL2 can restore a normal Tau exon 2 splicing in presence of DM1 mutation. This restoration is increased when MBNL1 is also over-expressed, suggesting a synergic effect between MBNL1 and MBNL2. Secondly, we studied the involvement of other families of splicing factors such as ubiquitary factors (SR, hnRNP) or factors implicated in others pathologies with triplets expansions (p68, Sam68, Fox). Exon 10 deregulation was very studied in FTDP-17 (Frontotemporal dementia and parkinsonism linked to chromosome 17) but not in DM1. So, Tau endogene has been analysed to study both exon 2 and 10. So, new factors implicated in regulation of exon 2 (CELF2, 4, 6, PTB1 and 2, Sam68, MBNL2) and 10 (Sam68, MBNL2, Fox 1 and 2) were identified. For the first time, the implication of the factors CELF5, SC35, SRp20, SRp75, 9G8 for exon 2 and CELF3, hnRNPA1, Fox1 for exon 10 in the restoration of a normal Tau splicing in presence of DM1 mutation have been identified. In conclusion, our data show that Tau exon 2 and 10, both alterated in DM1 pathology, are regulated and deregulated by different mechanisms.

Le vieillissement de la population est à l’origine de l’augmentation du nombre de personnes souffrant de démences, dont la plus fréquente est la maladie d’Alzheimer (MA). La MA est une maladie neurodégénérative incurable caractérisée par une atteinte progressive des fonctions cognitives, en premier lieu les fonctions mnésiques. Son diagnostic formel repose sur l’examen post-mortem du cerveau des patients. Il est basé sur la présence conjointe de deux lésions caractéristiques: des dépôts extracellulaires majoritairement composés de peptide amyloïde fibrillaire, résultat d’un clivage anormal du précurseur transmembranaire APP, et d’une dégénérescence neurofibrillaire ou pathologie tau, caractérisée par l’accumulation intra-neuronale de protéines tau hyper- et anormalement phosphorylées. Parallèlement à ces deux lésions se développe une réponse neuro-inflammatoire, notamment caractérisée par une augmentation du nombre et de l’activité des cellules microgliales et astrocytaires. Bien que les relations entre la pathologie amyloïde et la mise en place des processus neuro-inflammatoires aient fait l’objet d’intenses investigations, peu d’études se sont intéressés aux liens réciproques existants entre ces processus et la pathologie tau. A travers l’utilisation d’un modèle murin transgénique mimant le versant tau de la MA, la lignée THY-Tau22, un des objectifs de ma thèse a consisté à caractériser les différents aspects de leur réponse neuro-inflammatoire. Ces souris développent une pathologie tau hippocampique progressive associée à des altérations mnésiques. Les études transcriptomiques, biochimiques et histologiques réalisées ont mis en évidence une augmentation progressive de l’expression hippocampique de marqueurs de l’immunité innée mais également adaptative chez les souris THY-Tau22. Nous observons particulièrement l’établissement progressif de réactions microgliales et astrocytaires, une augmentation des niveaux de différentes chimiokines (CCL3, CCL4 et CCL5) conjointement à une infiltration parenchymateuse de lymphocytes T, en l’absence d’altération majeure de l’intégrité de la barrière hémato-encéphalique. Ces résultats mettent en exergue une corrélation entre le développement de troubles mnésiques et de la pathologie Tau hippocampique d’une part, et la présence d’une réponse neuro-inflammatoire d’autre part. La MA est une maladie multifactorielle dont la survenue est modulée par différents facteurs génétiques et environnementaux. Parmi les facteurs environnementaux mis en évidence par les études épidémiologiques, la consommation de caféine réduit notablement le risque de développer la MA. La caféine est une substance psychoactive dont les effets sont essentiellement médiés par le blocage des récepteurs adénosinergiques A1 et A2A, ces derniers étant particulièrement décrits pour moduler les processus neuroinflammatoires. Le rôle de ces récepteurs étant mal connus dans le contexte de la MA, et inconnu concernant ses relations à la pathologie Tau, la seconde partie de ma thèse a consisté à évaluer les effets de la caféine mais également d’un blocage spécifique des récepteurs A2A, par des approches génétiques et pharmacologiques, vis-à-vis des altérations comportementales, de la pathologie tau et de la réponse neuro-inflammatoire dans le modèle THY-Tau22. Les résultats obtenus démontrent que la caféine et le blocage spécifique des récepteurs A2A exercent des effets bénéfiques dans ce modèle de Tauopathie, avec une prévention des altérations mnésiques, une réduction de l’hyperphosphorylation de Tau et des effets anti-inflammatoires. Ces modifications sont associées à des effets bénéfiques en terme neurochimique et synaptique. L’ensemble de ces résultats démontrent pour la première fois un effet bénéfique de la caféine et du blocage des récepteurs A2A dans un modèle murin de tauopathie et suggèrent qu’un ciblage thérapeutique de ces récepteurs puisse être d’intérêt dans la MA. / Population ageing is a major risk factor for dementia, the most prevalent being Alzheimer disease (AD). AD is a neurodegenerative disorder characterized by a progressive cognitive decline, notably impacting memory functions. Its formal diagnosis is based on the post-mortem examination of AD patients’ brains and defined by the combination of two lesions: extracellular deposition of fibrillar amyloid peptide, resulting from the abnormal cleavage of transmembrane APP precursor, and neurofibrillary tangles, characterized by intraneuronal accumulation of hyper- and abnormal phosphorylated tau protein (Tau pathology). Besides these two lesions hallmarks, neuro-inflammatory processes, mainly defined by an increase of the number and the activity of microglial and astroglial cells, are considered as a third pathological component. Although the relationships between amyloid pathology and neuro-inflammatory processes had been the subject of intense investigations, few studies has been achieved with regards to tau pathology. As a first aim of this work, neuro-inflammatory processes associated with Tau pathology has been evaluated using a transgenic mouse model mimicking AD-like Tau pathology, THY-Tau22 strain.. These mice overexpress a mutated human tau protein under the control of a neuronal promoter and progressively hippocampal tau pathology associated to memory decline. Transcriptomic, biochemical and histological evaluations revealed a progressive increase several markers of both innate and adaptive immunity in the hippocampus of THY-Tau22 transgenic mice. We notably observed a progressive rise of microglial and astrogliale reactions, the overproduction of many chemokines (CCL3, CCL4, CCL5) in association with a parenchymatous infiltration of T cells, without major disruption of blood brain barrier (BBB). These results highlight a correlation between the establishments of memory alterations and hippocampal tau pathology on the one hand, and the occurrence of a neuro-inflammatory response on the other hand. AD is a multifactorial disorder whose occurrence depends on different genetic and environmental factors. Among the latter, epidemiological studies have shown that caffeine consumption significantly reduces the risk to develop AD. Caffeine is a psychoactive drug, whose effects are mainly ascribed to the blockade of A1 and A2A adenosinergic receptors, the latter beeing known to modulate neuro-inflammatory processes. The role of A2A receptors in AD is far from understood, and relationship with tau pathology currently unknown. The second part of my PhD aimed at evaluating effects of caffeine but also of a specific A2AR blockade, using genetic and pharmacological means, towards behavioural alterations, tau pathology and neuro-inflammatory processes in THY-Tau22 model. Results obtained demonstrate that caffeine and specific A2AR blockade lead to beneficial effects towards memory dysfunction, tau hyperphosphorylation and hippocampal neuro-inflammation. These improvements are associated with beneficial neurochemical and electrophysiological changes. Theses results demonstrate for the first time a beneficial effect of caffeine and A2A receptor blockade in a mouse model of tauopathy and support that therapeutic targeting of A2A receptors could be of interest in AD.

Small-angle X-ray scattering (SAXS) is a universal low-resolution method to study proteins in solution and to analyze structural changes in response to variations of conditions (pH, temperature, ionic strength etc). SAXS is hardly limited by the particle size, being applicable to the smallest proteins and to huge macromolecular machines like ribosomes and viruses. SAXS experiments are usually fast and require a moderate amount of purified material. Traditionally, SAXS is employed to study the size and shape of globular proteins, but recent developments have made it possible to quantitatively characterize the structure and structural transitions of metastable systems, e.g. partially or completely unfolded proteins. In the absence of complementary information, low-resolution macromolecular shapes can be reconstructed ab initio and overall characteristics of the systems can be extracted. If a high or low-resolution structure or a predicted model is available, it can be validated against the experimental SAXS data. If the measured sample is polydisperse, the oligomeric state and/or oligomeric composition in solution can be determined. One of the most important approaches for macromolecular complexes is a combined ab initio/rigid body modeling, when the structures (either complete or partial) of individual subunits are available and SAXS data is employed to build the entire complex. Moreover, this method can be effectively combined with information from other structural, computational and biochemical methods. All the above approaches are covered in a comprehensive program suite ATSAS for SAXS data analysis, which has been developed at the EMBL-Hamburg. In order to meet the growing demands of the structural biology community, methods for SAXS data analysis must be further developed. This thesis describes the development of two new modules, RANLOGS and EM2DAM, which became part of ATSAS suite. The former program can be employed for constructing libraries of linkers and loops de novo and became a part of a combined ab initio/rigid body modeling program CORAL. EM2DAM can be employed to convert electron microscopy maps to bead models, which can be used for modeling or structure validation. Moreover, the programs CRYSOL and CRYSON, for computing X-ray and neutron scattering patterns from atomic models, respectively, were refurbished to work faster and new options were added to them. Two programs, to be contributed to future releases of the ATSAS package, were also developed. The first program generates a large pool of possible models using rigid body modeling program SASREF, selects and refines models with lowest discrepancy to experimental SAXS data using a docking program HADDOCK. The second program refines binary protein-protein complexes using the SAXS data and the high-resolution models of unbound subunits. Some results and conclusions from this work are presented here. The developed approaches detailed in this thesis, together with existing ATSAS modules were additionally employed in a number of collaborative projects. New insights into the “structural memory” of natively unfolded tau protein were gained and supramodular structure of RhoA-specific guanidine nucleotide exchange factor was reconstructed. Moreover, high resolution structures of several hematopoietic cytokine-receptor complexes were validated and re-modeled using the SAXS data. Important information about the oligomeric state of yeast frataxin in solution was derived from the scattering patterns recorded under different conditions and its flexibility was quantitatively characterized using the Ensemble Optimization Method (EOM). / Röntgenkleinwinkelstreuung (small angle X-ray scattering, SAXS) ist eine fundamentale niedrigauflösende Methode zur Untersuchung von Proteinen in Lösung und Analyse von Strukturänderungen unter verschiedenen Bedingungen (pH, Temperatur, Ionenstärke, usw.). SAXS ist nicht durch die Teilchengröße begrenzt und die Anwendbarkeit reicht von kleinsten Proteinen bis hin zu großen makromolekularen Maschinen, wie Ribosomen und Viren. SAXS-Experimente sind normalerweise schnell durchzuführen und erfordern eine relativ geringe Menge gereinigten Materials. SAXS wird hauptsächlich eingesetzt, um Größe und Form der globulärer Proteine zu studieren. Die neuesten Entwicklungen ermöglichen jedoch auch die Untersuchung und quantitative Charakterisierung metastabiler Systeme, wie teilweise oder vollständig ungefaltete Proteine. Für die SAXS-Datenanalyse existiert das umfassende Programmpaket ATSAS, welches am EMBL-Hamburg entwickelt wurde. Es ermöglicht die de novo Modellierung der Proteinform mit niedriger Auflösung, wenn keine ergänzende Information über die dreidimensionale Struktur vorhanden ist. Des weiteren können diverse Gesamteigenschaften des untersuchten Systems berechnet werden. Wenn ein hoch oder niedrig aufgelöstes strukturell bestimmtes oder vorgesagtes Modell vorhanden ist, kann es gegen experimentellen SAXS Daten validiert werden. Wenn die Probe polydispers ist, kann der oligomere Zustand und/oder der oligomere Zusammensetzung in Lösung bestimmt werden. Einer der wichtigsten Ansätze für SAXS Untersuchungen an makromolekularen Komplexen ist die kombinierte ab initio/Starrkörper-Modellierung, wenn entweder komplette oder partielle Strukturen der einzelnen Untereinheiten zusammen mit SAXS Daten benutzt werden, um daraus den gesamten Komplex zu konstruieren. Außerdem kann diese Methode mit Informationen von anderen strukturellen, rechnerischen und biochemischen Methoden effektiv kombiniert werden. Um den Anwendungsbereich von SAXS in der Strukturbiologie zu erweitern, müssen Methoden für die SAXS-Datenanalyse weiter entwickelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Module, RANLOGS und EM2DAM, entwickelt und zur ATSAS Programmsuite hinzugefügt. Ersteres kann eingesetzt werden, um eine Bibliothek verknüpfender Polypeptidketten (linkers) und -schleifen (loops) de novo aufzubauen und ist bereits ein Teil des Programms CORAL zur kombinierten ab initio/Starrkörper-Modellierung. EM2DAM kann eingesetzt werden, um Elektronenmikroskopie-Dichtekarten in Kugelmodelle umzuwandeln, welche für die Modellierung oder Struktur-Validierung benutzt werden können. Außerdem wurden die Programme CRYSOL und CRYSON zur Berechnung von Röntgenstrahl- beziehungsweise Neutronenstreumuster aus Atommodellen erweitert, um die Berechnung zu beschleunigen und neue Optionen einzubauen. Zwei weitere Programme, die noch nicht Teil des ATSAS Pakets sind, wurden entwickelt. Das erste ist ein Programm, das mögliche Proteinmodelle von Komplexen unter Verwendung des SAXS Starrkörper-Modellierung-Programms SASREF erstellt. Dann werden Modelle zu experimentellen SAXS-Daten angepasst, ausgewählt und verfeinert unter Verwendung des Protein-Protein-Docking-Programms HADDOCK. Das zweite Programm verfeinert binäre Protein-Protein-Komplexe unter Verwendung von SAXS-Daten sowie hochaufgelöster Modelle der ungebundenen Untereinheiten. Im Folgenden werden die einige Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Die entwickelten Methoden wurden zusammen mit den vorhandenen ATSAS-Modulen im Rahmen von Kollaborationsprojekte eingesetzt. So war es möglich, neue Einblicke in das „strukturelle Gedächtnis“ des natürlicherweise ungefalteten Protein tau zu bekommen und die supramodulare Struktur eines RhoA-spezifischen Guanidinnukleotid-Austauschfaktors zu rekonstruieren. Außerdem wurden hoch aufgelöste Strukturen einiger blutbildender Cytokin-Empfänger-Komplexe unter Verwendung von SAXS Daten validiert und verfeinert. Wichtige Informationen über den oligomeren Zustand von Hefe-Frataxin in Lösung wurden aus den unter verschiedenen experimentelle Bedingungen gemessenen Streumustern abgeleitet, und seine Flexibilität wurde quantitativ unter Verwendung der Ensemble-Optimierungs-Methode (EOM) ermittelt.

The microtubule-associated protein tau normally functions to bind to and stabilize microtubules. However, evidence now indicates that tau may also play a critical role in signaling pathways linked to neuronal development and neurodegeneration. The tau association with numerous signaling proteins such as tyrosine kinases, adaptor proteins, and scaffold proteins support this hypothesis. Phospho-Y18 tau was previously found in Alzheimer’s disease (AD) brain. Interestingly, this phosphorylation appeared to be regulated during neurodegeneration possibly by a tyrosine phosphatase(s). Identifying a candidate phosphatase, our lab found the association between tau and SHP2 in a neuronal cell line and dephosphorylation of phospho-Y18 by protein tyrosine phosphatase SHP2 in vitro. Since both tau and SHP2 play a critical role in NGF-induced signaling pathway, these findings raised the possibility that the tau-SHP2 association has a role in NGF signaling. The aim of this dissertation research is to characterize the tau-SHP2 association and its role in neuronal signaling. Here, we provide evidence that tau phosphorylation is not required for SHP2 association but significantly enhances the interaction. The SHP2 binding region of tau napped to residues 256-273, which contain the microtubule binding repeat 1 of tau. Using in situ proximity ligation assay (PLA), we also showed the presence of endogenous tau-SHP2 and tau-activated SHP2 complexes in neuronal cells. The number of complexes was increased in the cells in response to NGF. Our PLA data also showed the localization of these complexes to actin ruffles. In NGF signaling, we showed that phosphorylation at T231 of tau was necessary for the increase in tau-SHP2 association. Lastly, we provide evidence that tau-SHP2 complexes are present in mouse primary neuronal cultures and mouse brain sections. Together, these findings show a role for tau phosphorylation in SHP2 binding and a potential role for tau-SHP2 interaction in neuronal signal transduction. Based on our findings, we speculate that there is a role for tau-SHP2 association during early brain development and in neurodegenerative disease.

In this dissertation results are presented from a search for the pair production of heavy colored particles (gluinos, squarks) in R-parity conserving supersymmetric models, in which the lightest supersymmetric particle is a stable and neutral object. The search was performed for events with at least two tau leptons, two highly energetic jets and large missing transverse momentum in the final state on a data sample of proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV. The data sample was collected by the Compact Muon Solenoid detector at the Large Hadron Collider in 2011, and it corresponds to an integrated luminosity of 5fb^−1. The tau isolation variable was optimized for this search. The number of events corresponding to standard model processes in the final selection was estimated to be 7.49 ± 0.74 using background estimation techniques based on data. Nine observed events are found to be in agreement with the standard model prediction, and exclusion limits on gluino mass are obtained in the context of supersymmetric models at the 95% confidence level.

Several lines of evidence suggest that the expression of the cellular prion protein (PrPC) is altered with age and in sporadic Alzheimer’s disease, however, published results have been contradictory. Furthermore, a relationship between the expression of PrPC and Tau has started to emerge. We have revealed a specific relationship between the expression of PrPC and Tau in neuroblastoma cell lines and transgenic mouse models. In addition, we identified that the expression levels of PrPC are reduced in multiple brain regions following the progression of sporadic Alzheimer’s disease. Furthermore, the reduction in PrPC expression significantly correlated with the reduction in Tau expression and coincided with an increase in Tau pathology. In addition, data from neuroblastoma cell lines implicated the glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchor and in part the localisation of PrPC to lipid rafts in mediating these alterations to Tau. We hypothesise that the reduction in PrPC expression reflects a primary mechanism in Alzheimer’s disease pathogenesis and indirectly triggers the reduction in Tau expression which subsequently contributes to neuronal destabilisation and disruption to neuronal function. Soluble oligomeric forms of amyloid-beta are the primary pathogenic species in Alzheimer’s disease and strongly correlate with the presence and severity of cognitive decline. PrPC acts as a high affinity neuronal receptor for amyloid-beta oligomers and triggers pathogenic signaling cascades which induce synaptic impairment and further exacerbate neuronal destabilisation. We demonstrated that Flotillin-1 and the lipid raft localisation of PrPC are essential for the binding of amyloid-beta oligomers to PrPC. Furthermore, the metabotropic glutamate receptor, mGluR5 plays a pivotal role in the aberrant signaling of PrPC, and this PrPC/mGluR5 complex provides a mechanistic link between extracellular amyloid-beta oligomers and intracellular Tau phosphorylation, by Fyn kinase, Pyk2 and possibly by inactivation of the protein phosphatase, PP2A. Considering there is now strong evidence that Tau is the mediator of amyloid-beta induced toxicity, the reduction in Tau levels mediated by PrPC may be a protective mechanism. amyloid-beta oligomers interact with a multitude of neuronal receptors in addition to PrPC. It is likely that activation of multiple receptor complexes and signalling cascades are responsible for synaptic impairment and Tau phosphorylation induced by amyloid-beta, however, these complexes remain to be fully determined. Investigating amyloid-beta oligomer induced Tau phosphorylation in vitro has proven challenging, however, we suggest that a functional, mature, neuronal model is necessary to induce the complex mechanisms linking extracellular amyloid-beta oligomers and the phosphorylation of intracellular Tau. A greater understanding of the complex relationship between amyloid-beta, PrPC and Tau will aid in our understanding of the molecular mechanisms underlying Alzheimer’s disease and in the discovery of novel therapeutic targets for this progressive neurodegenerative disease.

The analysis of the Higgs boson decay into the pairs of tau leptons H → ττ is presented. In the scope of this thesis, only the tau leptons decaying purely lep- tonically are considered. This analysis is performed using data recorded from the proton-proton collisions at a center-of-mass energy √ s = 13 TeV by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider and correspond to the integrated lumi- nosity of 36.1 fb−1 . The Boosted Decision Trees (BDT) multivariate technique was used in order to provide a classification of events. Datasets considered in this analysis consisted of the triggered, reconstructed and calibrated events. In addition, events had to pass the pre-selection criteria and were separated into four categories. Our main contribution to this analysis is based on developing and incorporating techniques used in the process of BDT training and evaluation. The performed analysis presented in this thesis is blinded. Therefore, the Monte Carlo simulation was used instead of real data in the Maximum Likelihood Fit in order to determine the expected significance. For the H → ττ leptonic channel, the expected signal significance was measured to be 1.16 σ. 1

Woodpeckers can withstand 1200-1400 g of force during repetitive pecking. The forces a woodpecker’s skull and brain are subjected to warrants an in-depth investigation for the possible existence of neuro-trauma. Dr. Philip May and colleagues in 1976 published a paper titled “Woodpeckers and Head Injury” detailing two woodpeckers and one toucan control. The group utilized ferrocyanide staining, a general stain used for detecting iron deposits, on the sections. The results of these stains were not reported in Dr. May’s paper, yet he and his colleagues conclude that “clearly the woodpecker’s brain is protected somehow from impact and vibration injury.” Close to 115 journal articles have cited this one paper as the standard for woodpeckers not incurring brain injury during pecking. Due to limited studies on the woodpecker brain and the fact the woodpecker is a model for advancing helmet technology, we set out to study the woodpecker’s brain for signs of injury. Taking 10 different ethanol preserved woodpeckers from all parts of the world in different climates, and five non-woodpecker, ethanol preserved red-winged black bird experimental controls, paraffin embedded sections were cut and stained. A piece of human Alzheimer’s disease cortex was also used as a positive control. We utilized Gallyas silver stain for the study of neurofibrillary tangles and tauopathies as well as anti-phospho-tau and anti-glial fibrillary acidic protein (GFAP) immunostaining to detect tau protein and GFAP respectively. The results demonstrated perivascular silver-positive deposits in the superficial cortex and axonal tract injury of eight out of the 10 woodpeckers. The anti-phospho-tau immunostaining stained axonal tract injury in two of the three woodpeckers studied. The red-winged back birds demonstrated no positivity for all three stains. The Alzheimer’s positive control showed silver positive and phospho-tau positive staining as expected. This is the first study of this kind to discover and label potential brain injury in the woodpecker model. The negative staining of the red-winged black bird controls contrasted with the positive staining woodpecker sections suggest pecking in the woodpecker may induce brain injury. When addressing the development of safety equipment, the use of the woodpecker model should be approached with caution. Moving forward, research into different immunostaining molecular targets and an age controlled woodpecker and experimental control study should be performed to determine if the brain injury seen with our research is age-dependent.