Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Pour consulter le document d'accompagnement du mémoire, veuillez contacter le Centre de conservation Lionel-Groulx de l'Université de Montréal (prconser@bib.umontreal.ca).

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le domaine scientifique de la Biologie des Systèmes étudie les interactions entre les composantes d'un système biologique afin d'en comprendre son fonctionnement global. Au cours de cette these, nous avons d’abord utilisé des graphes simples. Cette approche a permis d' appréhender la manière dont un réseau biologique peut interagir avec son environnement, lui-même modélisé par un autre réseau. Nous avons ensuite défini le formalisme MIB (Model of Interactions in Biology) qui permet de définir, rechercher et étudier les motifs hétérogènes. Enfin pour approfondir l'étude de la structure et de la dynamique, nous avons proposé le formalisme MIN. MIN possède la structure bipartie de MIB, mais permet d'avoir des annotations beaucoup plus riches des noeuds et des arcs du réseau qui peuvent être utilisées pour la traduction des données automatiquement en d'autres formalismes couramment utilisés en modélisation biologique, tels que les équations différentielles ou la modélisation logique. / The scientific domain of the Systems Biology studies the interactions between the components of a biological system in order to understand its functioning as a whole. In this thesis, we first used searched to apprehend how a biological network, modelled as a simple graph, interact with its environment, modelled by another graph. Next, we have defined the MIB formalism (for Model of Interactions in Biology) that enables to model, to search and to study the heterogeneous motifs in biological networks. Finally, for deepening the study of structure and dynamics of biological networks, we have proposed the MIN formalism (for Modular Interaction Network). MIN inherited the bipartite structure of MIB, but also includes the richer annotations for nodes, arcs and possible states of the network, thus enabling the automatic translation of data contained in MIN into other formalisms commonly used in biology for dynamics modelling, such as logical networks, differential equations or Petri nets.

Les protéines associées aux membranes sont d'une importance cruciale pour la cellule. Cependant, en raison d'une plus grande difficulté de manipulation, les données biochimiques les concernant sont très lacunaires, notamment au point de vue de la formation de complexes entre ces protéines. L'objectif global de notre travail consiste à combler ces lacunes et à préciser les interactions entre protéines membranaires chez la levure Saccharomyces cerevisiae et plus précisément, entre les transporteurs. Nous avons commencé notre travail par l'étude d'un jeu de données d'interactions à grande échelle entre toutes les perméases détectées par une méthode de double hybride spécialement adaptée aux protéines insolubles (split ubiquitin). Premièrement, la qualité des données a été estimée en étudiant le comportement global des données et des témoins négatifs et positifs. Les données ont ensuite été standardisées et filtrées de façon à ne conserver que les plus significatives. Ces interactions ont ensuite été étudiées en les modélisant dans un réseau d'interactions que nous avons étudié par des techniques issues de la théorie des graphes. Après une évaluation systématique de différentes méthodes de clustering, nous avons notamment recherché au sein du réseau des groupes de protéines densément interconnectées et de fonctions similaires qui correspondraient éventuellement à des complexes protéiques. Les résultats révélés par l'étude du réseau expérimental se sont révélés assez décevants. En effet, même si nous avons pu retrouver certaines interactions déjà décrites, un bon nombre des interactions filtrées semblait n'avoir aucune réalité biologique et nous n'avons pu retrouver que très peu de modules de protéines de fonction semblable hautement inter-connectées. Parmi ceux-ci, il est apparu que les transporteurs d'acides aminés semblaient interagir entre eux. L'approche expérimentale n'ayant eu que peu de succès, nous l'avons contournée en utilisant des méthodes de génomique comparative d'inférence d'interactions fonctionnelles. Dans un premier temps, malgré une évaluation rigoureuse, l'étude des profils phylogénétiques (la prédiction d'interactions fonctionnelles en étudiant la corrééélation des profils de présence - absence des gènes dans un ensemble de génomes), n'a produit que des résultats mitigés car les perméases semblent très peu conservées dès lors que l'on considère d'autres organismes que les extit{Fungi}. Afin d'étudier la régulation des perméases, nous avons ensuite développé et appliqué une nouvelle méthode qui permet d'inférer un réseau de co-régulation génétique sur base de la similarité des empreintes phylogénétiques découvertes dans tous les gènes de levure. Cette méthode, qui n'utilise que les séquences génomiques pour l'inférence du réseau, a donné de très bons résultats, validés extit{in silico} et expérimentalement et son application à l'ensemble des perméases a permis de retrouver plusieurs régulations bien connues, d'en inférer de nouvelles et de proposer de nouvelles pistes de recherche. En parallèle à ce travail, nous avons développé et rendu accessible NeAT un ensemble d'outils informatique consacrés à l'analyse de réseaux biologiques.

La creciente concienciación social en materia medioambiental conlleva un aumento gradual de la presión sobre los límites de vertido y consumo de agua. El presente trabajo contempla el desarrollo de alternativas de tratamiento mediante tecnologías limpias en tres casos, referentes al sector textil, formulación de tensioactivos y tratamiento de superficies metálicas.El primer caso aborda el estudio "in situ" de diversas secuencias de tratamiento para un efluente homogeneizado procedente de una industria de estampación y tintura. El objetivo final es conseguir el reciclaje parcial del efluente y un efluente apto para el vertido. La secuencia ha de proporcionar una calidad al efluente adecuada para alimentar un proceso de ósmosis inversa. Se combinan tecnologías de tratamiento biológicas (filtro percolador y fangos activos), físico-químicas (coagulación-floculación y electrocoagulación) y físicas (adsorción sobre carbón activo y microfiltración). La secuencia óptima atendiendo a criterios de rendimiento de depuración (98 % en DQO) y coste de explotación (0,74 /m3 y 0,16 /Kg DQO) es: filtro percolador, fangos activos, coagulación-floculación. De esta forma se consigue la mínima producción de lodos (1,87 Kg de lodos húmedos/L), la mínima adición de reactivos y el mejor rendimiento de depuración en términos de materia orgánica. El segundo caso contempla el estudio de la tecnología de electrocoagulación-flotación en el tratamiento de efluentes sintéticos con tensioactivos de diferente origen: aniónico, catiónico y no iónico. El objetivo es conocer si se puede tratar de una tecnología limpia. Asimismo, se compara el funcionamiento de esta tecnología con otras más convencionales (coagulación-floculación y adsorción sobre carbón activo). La electrocoagulación da lugar a unos rendimientos de depuración elevados en el caso del efluente con tensioactivos aniónicos (70-90 %) y más pobres en los efluentes con tensioactivos catiónicos y no iónicos (20-50%). En cualquier caso, los rendimientos son considerablemente superiores a los obtenidos mediante coagulación-floculación. El carbón activo proporciona rendimientos del 100 %. La electrocoagulación-flotación, sin embargo, proporciona una cantidad elevada de lodos, consecuencia del alto consumo de ánodo de aluminio, lo que eleva los costes de explotación incluso por encima de los del carbón activo, motivo por el cual no se puede considerar una tecnología limpia.El tercer caso trata la posibilidad de obtener KNO3 (un valioso fertilizante) a partir de un proceso de depuración de efluentes. Estos proceden de etapas de decapado realizadas con ácido nítrico. El baño agotado tratado mediante coagulación-floculación con KOH, da lugar a un sobrenadante concentrado en nitrato potásico. Las aguas de enjuague de este mismo baño siguen el mismo proceso inicial con KOH; luego el sobrenadante pasa a una etapa de concentración mediante electrodiálisis y evaporación a vacío. Del proceso se obtienen 7 g de KNO3/ L y un efluente libre de metales, reutilizable y que en su mayoría puede ser vertido a cauce público. Cuando el enjuague procede de un baño de ácido sulfúrico y nítrico, la etapa de coagulación se realiza con una mezcla de Ca(OH)2 y KOH. Por otra parte, el proceso en la etapa de evaporación da lugar a la separación de una fracción sólida rica en CaSO4 (también usado como fertilizante) quedando el licor saturado en KNO3. Una etapa de cristalización por enfriamiento proporciona los cristales de KNO3. Con esta secuencia se consigue obtener 2,3 g de KNO3 y 1,5 g de CaSO4/L, así como un efluente de alta calidad para su reutilización y vertido. / The growing environmental concern at society is dealing with stricter wastewater limits and consumption levels. This project develops the use of clean technologies in three wastewater problems: textile, detergents and metal finishing sectors.The first case tackles several methods to treat the wastewater from a textile factory. The aim is to get a large quality effluent, enough to pour and recycle it in a RO process for final reuse. The technologies used are: biologic (trickling filter and activated sludge), chemical-physical (coagulation-flocculation and electrocoagulation) and physical (adsorption in activated carbon and microfiltration). Taking into account operating costs and treatment yield the best sequence for treatment is: trickling filter, activated sludge and coagulation-flocculation.The second case compares the electrocoagulatión-flotation, a possible clean technology, with the coagulation-flocculation and activated carbon ones in synthetic effluents with different types of detergents. Although electrocoagulation-flotation treatment provides acceptable yields (namely in effluents with anionic detergents), the costs due to high consumption of anodes and production of sludge are excessive.The third case deals with the chance to get KNO3 (a valuable fertilizer) from a pickling wastewater with nitrates, in addition to obtain a reusable effluent. The exhausted nitric acid bath is treated with KOH to precipitate the metals and thus having a concentrate solution of KNO3. After the same process the rinse water of pickling process is handled to concentration stages by electrodialysis and vacuum evaporation. In this way, it has been got crystals of KNO3 and an effluent free from metals to be reused or wasted. Rinse effluents from a pickling process with nitric-sulphuric acid mix needs a lightly different treatment. The coagulation-flocculation stage is carried out with KOH and Ca(OH)2. The vacuum evaporation step produces CaSO4 precipitation (also useful as fertilizer) jointly with a saturated solution of KNO3. Finally, cold crystallization stage provides KNO3 crystals.

En ratolins existeixen certes feromones no volàtils i de caràcter sexual contingudes en la borumballa embrutada per mascles i que resulten innatament atractives per a les femelles. Els senyals volàtils emanats de la borumballa de mascles, en canvi, no resulten atractius en la primera experiència amb els mateixos, però poden adquirir propietats atractives de manera secundària després de l'exposició reiterada a aquests volàtils i als no volàtils innatament atractius de manera conjunta. Els dos primers objectius fonamentals d'aquesta tesi han estat estudiar si les feromones sexuals de mascle són detectades per l'òrgan vomeronasal, o si pel contrari, constitueixen un estímul olfactiu, i comprovar, igualment, si l'atracció induïda per volàtils depèn de la integritat del sistema vomeronasal.Per abordar aquests objectius es va comparar la preferència cap a senyals químics de mascle que mostren les femelles amb la funció vomeronasal interrompuda (mitjançant la lesió electrolítica del bulb olfactiu accessori), amb la què mostren les femelles amb la funció vomeronasal intacta (se'ls practicà una lesió simulada) en diferents situacions experimentals. Els resultats d'aquests experiments mostraren que les feromones contingudes en la borumballa embrutada per mascles intactes que resulten innatament atractives per a les femelles de ratolí són detectades per l'òrgan vomeronasal. També confirmaren que per tal que els volàtils puguen adquirir propietats atractives de manera secundària és necessària la seua associació amb un estímul detectat a través del sistema vomeronasal. A continuació comprovàrem si a més de ser innatament atractives, les feromones sexuals de mascle són reforçants per a les femelles, per a la qual cosa realitzàrem una sèrie d'experiments seguint un paradigma comportamental anomenat test d'adquisició de preferència de lloc, utilitzar per comprovar les propietats reforçants dels estímuls.Els resultats mostraren que les femelles de ratolí són capaces de detectar el gènere i l'estat de dominància dels conespecífics a través de senyals químics continguts en la borumballa embrutada pels mateixos. A més, revelaren que les feromones sexuals de mascle són reforçants per a les femelles de ratolí, però els senyals continguts en la borumballa embrutada per mascles castrat o altres femelles no.Per últim estudiàrem la via de transducció del reforç degut a feromones sexuals. Amb aquest objectiu, i donat que prèviament havíem comprovat que les feromones sexuals són detectades a través del sistema vomeronasal, analitzàrem l'expressió del proto-oncogen c-fos en distints nuclis vomeronasal (el nucli posteromedial de la amígdala cortical, els Illots de Calleja i l'Àrea de transició amígdalo-hipocàmpica). Aquesta expressió la comparàrem entre dos grups experimentals, un al què les femelles solament tenien accés a borumballa neta, i un altre en què les femelles eren exposades a borumballa de mascle. Els resultats indicaren que la via responsable de mitjançar aquest reforç no és la via dopaminèrgica tegment-estriatal clàssica, sinó que es la via que va des del nucli posteromedial de la amígdala cortical i l'àrea amígdalo-hipocàmpica als Illots de Calleja més ventromedials.En resum els resultats d'aquesta tesis mostren l'existència d'un nou estímul reforçant en ratolins, les feromones sexuals de mascle, que són detectades a través de l'òrgan vomeronasal. A més, hem vist que existeixen altres regions de l'estriat ventral, a part de les clàssiques, implicades en la codificació de les propietats reforçants dels estímuls naturals. / Male mice soiled bedding contains non volatile sexual pheromones that are innately attractive to females. Male volatile signals are, in contrast, not attractive to females in their very first contact with them, but can acquire secondary attractive properties by its association with the non volatile and innately attractive signals. In this work we analysed whether male sexual pheromones are detected through the accessory olfactory system, and if the association between non-volatiles and volatile signals is also dependent on the integrity of vomeronasal system. To do so, we carried out a battery of experiments in a group of females with a lesion in their accessory olfactory bulb (AOB) comparing their behaviour with that from another group of animals with a sham lesion in their AOB. In addition, we also analysed if male sexual pheromones are rewarding to female mice, using a behavioural paradigm named place preference test. Finally, we studied which would be the neural system that mediates these reinforcing properties. To do so, we compared c-fos expression in different vomeronasal nuclei in animals exposed to male-soiled bedding and animals exposed to clean bedding.The results of our experiments show that male sexual pheromones are detected through the vomeronasal organ and that the acquisition of secondary attractive properties by male volatile signals depends on its association with non volatiles signals also detected through the vomeronasal system. Furthermore we have demonstrated that male sexual pheromones have reinforcing properties to female mice, ant that the neural system that mediates these reinforcing properties is not the classical dopaminergic tegmento-estriatal projection, but the projections from some regions of the posteromedial cortical nucleus of the amygdala and the amygdalo-hypocampal area to the most ventromedial Islands of Calleja.The results from these experiments show the existence of a new reinforcing stimulus in mice, the sexual pheromones. In addition, these pheromones are detected through the vomeronasal organ. Moreover, we have shown that there are more regions a part from the classical ones in ventral striatum involved in mediating reinforcing properties of natural stimuli.

Una característica esencial de la vida de todo organismo es la adaptación constante a los cambios que tienen lugar en su entorno. Para ello, esas variaciones ambientales deben ser leídas y traducidas en respuesta fisiológica. De ahí que, los organismos hayan desarrollado diversos mecanismos de integración, de amplificación y de mantenimiento de la señal del medio. La naturaleza de los mecanismos de señalización y respuesta celular varía en función de la complejidad del organismo. Sin embargo, se puede decir que el aspecto básico de toda adaptación es de carácter universal, en el que se pueden distinguir tres grandes etapas: 1) la lectura de la señal propiciada por el entorno, 2) la transmisión de la señal recibida y, 3), la respuesta celular. Al final toda respuesta celular implica un cambio intracelular basado en el control de la expresión génica y/o actividad de proteínas, cuya función permite adecuar el metabolismo celular a las necesidades de cada momento. La tesis aquí presentada se centra en el mecanismo de señalización por glucosa. La glucosa es la principal fuente de carbono y de energía para la mayoría de los organismos. Además de ser nutriente se puede considerar a la glucosa como una "hormona de crecimiento", ya que regula varios aspectos del crecimiento, metabolismo y desarrollo celular. Para llevar a cabo dicho estudio hicimos uso de la levadura Saccharomyces cerevisiae.En S. cerevisiae la presencia de glucosa modula distintos procesos celulares. La regulación del metabolismo supone controlar las rutas implicadas a distintos niveles: a corto plazo se modifica la actividad de distintas proteínas, como es el caso de la inactivación por catabolito de los transportadores de galactosa y maltosa; mientras que a largo plazo se producen cambios en la actividad transcripcional. La glucosa en S. cerevisiae regula la expresión génica mediante dos rutas diferentes denominadas ruta de inducción y ruta de represión. Mediante la ruta de represión se inactiva la expresión génica de un gran número de genes tales como los genes responsables de la utilización de otras fuentes de carbono distintas a la glucosa, de la gluconeogénesis y la respiración. Por el contrario, mediante la ruta de inducción se activan los genes responsables de la utilización de la glucosa, tales como genes que codifican para enzimas glicolíticos y transportadores de glucosa, HXTs. Para estudiar la señalización por glucosa estudiamos la regulación de la expresión génica del transportador de glucosa de baja afinidad, HXT1, de S. cerevisiae, cuyo sistema de expresión se considera modelo de inducción génica por glucosa. Los resultados obtenidos demuestran que la regulación por glucosa de la expresión del transportador de glucosa de baja afinidad, HXT1, de S. cerevisiae se realiza a través de al menos tres mecanismos de señalización diferentes: el sistema de inducción génica por glucosa, la ruta TOR, ruta de señalización de nutrientes a través de los homólogos a las proteínas 14-3-3, y la ruta HOG, ruta de respuesta a estrés osmótico. La acción coordinada de dichos mecanismos modula la actividad transcripcional sobre el gen HXT1, permitiendo finalmente que el gen se exprese ante la presencia de glucosa. Por tanto, la regulación de HXT1 es un ejemplo más de cómo se interrelacionan distintos procesos celulares para adecuar el metabolismo celular según las necesidades.TOR ("target of rapamycin").HOG ( High osmolarity glycerol signal transduction pathway ). / Sensing nutrients is a fundamental requisite for all living cells. For most eukaryotic cells glucose is a major source of energy, having significant and varied effects on cell function. Maintaining glucose homoeostasis is consequently of great importance to many organisms. Interest in identifying mechanisms by which cells sense and respond to variations in glucose concentration has increased lately. Glucose regulates genes in all cells by mechanisms which have been conserved throughout evolution. The consensus is that glucose could act on target cells either by binding to a receptor at the cell surface, or through its metabolism. The aim of this thesis is to elucidate the mechanism involved in glucose sensing in the yeast Saccharomyces cerevisiae.Yeast cells prefer glucose as carbon source and have evolved mechanisms for sensing and responding to wildly fluctuating levels of extracellular glucose. These mechanisms involve a large family of hexose transporters (HXT proteins) and the glucose transporter homologues Snf3 and Rgt2. Snf3 and Rgt2 are glucose-sensing proteins at the plasma membrane with no detectable transport activity. They sense the extracellular glucose and generate an intracellular glucose signal that triggers the induction of HXT gene expression.Expression of HXT1, a gene encoding a Saccharomyces cerevisiae low-affinity glucose transporter, is regulated by glucose availability, being activated in the presence of glucose and inhibited when the levels of the sugar are scarce. In this study we show how glucose regulate HXT1 expression, and how glucose requires at least the coordinated action of three different mechanisms of signalling: glucose signalling pathway, osmotic stress signalling (HOG pathway) and nutrient-signalling (TOR pathway) .