La croissance de deux tiers des tumeurs mammaires dépend des œstrogènes. Le réseau de gènes responsable de propager les signaux prolifératifs des œstrogènes est encore mal connu. Des micropuces d’ADN de cellules de carcinome mammaire MCF7 traitées à l’œstradiol (E2) avec ou sans l’inhibiteur de synthèse protéique cycloheximide (CHX) ont permis d’identifier de nombreux gènes cibles primaires et secondaires. La séquence des promoteurs des gènes cibles a été criblée à l’aide d’une banque de 300 matrices modélisant les sites reconnus par divers facteurs de transcription. Les éléments de réponse aux œstrogènes (ERE) sont enrichis dans les promoteurs des gènes primaires. Les sites E2F sont enrichis dans les promoteurs des gènes cible secondaires. Un enrichissement similaire a été observé avec les régions liées par ERα et E2F1 en ChIP-on-chip pour chacune des catégories de gènes. La croissance des cellules de carcinome mammaire est inhibée par des traitements à l’acide rétinoïque (RA). L’analyse de micropuces d’ADN de MCF7 traitées avec RA a permis d’identifier de nombreux gènes cibles potentiels. Un enrichissement d’éléments de réponse à l’acide rétinoïque (RARE) est observable dans les promoteurs de ces gènes après avoir exclus les RARE se trouvant à l’intérieur d’éléments transposables. Des RARE présents dans des éléments transposables spécifiques aux primates sont aussi fixés in vivo dans les promoteurs de cibles connues de RA : BTG2, CASP9 et GPRC5A. Certains gènes cibles de RA dans les MCF7 sont aussi des cibles de E2, suggérant que le contrôle que ces molécules exercent sur la prolifération est en partie attribuable à des effets opposés sur un ensemble commun de gènes. / Two thirds of breast tumours depend on estrogens for their growth. The network of genes mediating the proliferative effect of estrogens is not fully characterized. Putative primary and secondary estrogen target genes were identified with microarray analysis of MCF7 breast cancer cells treated with estradiol (E2) in presence or absence of the protein synthesis inhibitor cycloheximide (CHX). The promoters of the target genes were screened for transcription factor binding sites with a collection of 300 matrix based DNA-binding profiles. Estrogen response elements (EREs) were enriched in the promoters of primary target genes. E2F binding sites were enriched in the promoters of secondary target genes. Similar enrichment was also observed in regions bounds by ERα and E2F1 in ChIP-on-chip experiments for each set of target genes. Retinoic acid (RA) treatment of mammary carcinoma cells inhibits their growth. Putative target genes were identified through microarray analysis of MCF7 cells treated with RA. Enrichment of retinoic acid response elements (RARE) was observed in their promoters after removing the elements found within transposable elements. Although transposable elements mask the enrichment, RARE within primate specific transposable elements are bound in vivo by retinoic acid receptors in the promoters of known target genes BTG2, CASP9 and GPRC5A. Some of the RA target genes in MCF7 cells are also target genes of E2 suggesting that these two molecules exert their effects on cell proliferation in part by opposite action on a common set of genes.

De récentes découvertes montrent le rôle important que joue l’acide ribonucléique (ARN) au sein des cellules, que ce soit le contrôle de l’expression génétique, la régulation de plusieurs processus homéostasiques, en plus de la transcription et la traduction de l’acide désoxyribonucléique (ADN) en protéine. Si l’on veut comprendre comment la cellule fonctionne, nous devons d’abords comprendre ses composantes et comment ils interagissent, et en particulier chez l’ARN. La fonction d’une molécule est tributaire de sa structure tridimensionnelle (3D). Or, déterminer expérimentalement la structure 3D d’un ARN s’avère fort coûteux. Les méthodes courantes de prédiction par ordinateur de la structure d’un ARN ne tiennent compte que des appariements classiques ou canoniques, similaires à ceux de la fameuse structure en double-hélice de l’ADN. Ici, nous avons amélioré la prédiction de structures d’ARN en tenant compte de tous les types possibles d’appariements, dont ceux dits non-canoniques. Cela est rendu possible dans le contexte d’un nouveau paradigme pour le repliement des ARN, basé sur les motifs cycliques de nucléotides ; des blocs de bases pour la construction des ARN. De plus, nous avons dévelopées de nouvelles métriques pour quantifier la précision des méthodes de prédiction des structures 3D des ARN, vue l’introduction récente de plusieurs de ces méthodes. Enfin, nous avons évalué le pouvoir prédictif des nouvelles techniques de sondage de basse résolution des structures d’ARN. / Recent findings show the important role of ribonucleic acid (RNA) within the cell, be it the control of gene expression, the regulation of several homeostatic processes, in addition to the transcription and translation of deoxyribonucleic acid (DNA) into protein. If we wish to understand how the cell works, we first need to understand its components and how they interact, and in particular for RNA. The function of a molecule is tributary of its three-dimensional (3D) structure. However, experimental determination of RNA 3D structures imparts great costs. Current methods for RNA structure prediction by computers only take into account the classical or canonical base pairs, similar to those found in the well-celebrated DNA double helix. Here, we improved RNA structure prediction by taking into account all possible types of base pairs, even those said non-canonicals. This is made possible in the context of a new paradigm for the folding of RNA, based on nucleotide cyclic motifs (NCM): basic blocks for the construction of RNA. Furthermore, we have developed new metrics to quantify the precision of RNA 3D structure prediction methods, given the recent introduction of many of those methods. Finally, we have evaluated the predictive power of the latest low-resolution RNA structure probing techniques.

La flexibilité est une caractéristique intrinsèque des protéines qui doivent, dès le mo- ment de leur synthèse, passer d’un état de chaîne linéaire à un état de structure tridimen- sionnelle repliée et enzymatiquement active. Certaines protéines restent flexibles une fois repliées et subissent des changements de conformation de grande amplitude lors de leur cycle enzymatique. D’autres contiennent des segments si flexibles que leur structure ne peut être résolue par des méthodes expérimentales. Dans cette thèse, nous présentons notre application de méthodes in silico d’analyse de la flexibilité des protéines : • À l’aide des méthodes de dynamique moléculaire dirigée et d’échantillonnage pa- rapluie, nous avons caractérisé les trajectoires de liaison de l’inhibiteur Z-pro- prolinal à la protéine Prolyl oligopeptidase et identifié la trajectoire la plus pro- bable. Nos simulations ont aussi identifié un mode probable de recrutement des ligands utilisant une boucle flexible de 19 acides aminés à l’interface des deux domaines de la protéine. • En utilisant les méthodes de dynamique moléculaire traditionnelle et dirigée, nous avons examiné la stabilité de la protéine SAV1866 dans sa forme fermée insérée dans une membrane lipidique et étudié un des modes d’ouverture possibles par la séparation de ses domaines liant le nucléotide. • Nous avons adapté auproblème de la prédiction de la structure des longues boucles flexibles la méthode d’activation et de relaxation ART-nouveau précédemment uti- lisée dans l’étude du repliement et de l’agrégation de protéines. Appliqué au replie- ment de boucles de 8 à 20 acides aminés, la méthode démontre une dépendance quadratique du temps d’exécution sur la longueur des boucles, rendant possible l’étude de boucles encore plus longues. / Flexibility is an intrinsic characteristic of proteins who from the moment of synthesis into a linear chain of amino acids, have to adopt an enzymatically active tridimensionnel structure. Some proteins stay flexible once folded and display large amplitude confor- mational changes during their enzymatic cycles. Others contain parts that are so flexible that their structure can’t be resolved using experimental methods. In this thesis, we present our application of in silico methods to the study of protein flexibility. • Using steered molecular dynamics and umbrella sampling, we characterized the binding trajectories of the Z-pro-prolinal inhibiter to the Prolyl oligopeptidase pro- tein and we identified the most probable trajectory. Our simulations also found a possible ligand recrutement mechanism that involves a 19 amino acids flexible loop at the interface of the two domains of the protein. • Using traditional and steered molecular dynamics, we examined the stability of the SAV1866 protein in its closed conformation in a lipid membrane and we studied one of its proposed opening modes by separating its nucleotide binding domains. • We also adapted the activation-relaxation technique ART-nouveau which was pre- viously used to study protein folding and aggregation to the problem of structure prediction of large flexible loops. When tested on loops of 8 to 20 amino acids, the method demonstrate a quadratic execution time dependance on the loop length, which makes it possible to use the method on even larger loops.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les microARN (miARN) sont de petits ARN non-codants qui répriment la traduction de leurs gènes cibles par hybridation à leur ARN messager (ARNm). L'identification de cibles biologiquement actives de miARN est cruciale afin de mieux comprendre leurs rôles. Ce problème est cependant difficile parce que leurs sites ne sont définis que par sept nucléotides. Dans cette thèse je montre qu'il est possible de modéliser certains aspects des miARN afin d'identifier leurs cibles biologiquement actives à travers deux modélisations d'un aspect des miARN. La première modélisation s'intéresse aux aspects de la régulation des miARN par l'identification de boucles de régulation entre des miARN et des facteurs de transcription (FT). Cette modélisation a permis, notamment, d'identifier plus de 700 boucles de régulation miARN/FT, conservées entre l'humain et la souris. Les résultats de cette modélisation ont permis, en particulier, d'identifier deux boucles d'auto-régulation entre LMO2 et les miARN miR-223 et miR-363. Des expériences de transplantation de cellules souches hématopoïétiques et de progéniteurs hématopoïétiques ont ensuite permis d'assigner à ces deux miARN un rôle dans la détermination du destin cellulaire hématopoïétique. La deuxième modélisation s'intéresse directement aux interactions des miARN avec les ARNm afin de déterminer les cibles des miARN. Ces travaux ont permis la mise au point d'une méthode simple de prédiction de cibles de miARN dont les performances sont meilleures que les outils courant. Cette modélisation a aussi permis de mettre en lumière certaines conséquences insoupçonnées de l'effet des miARN, telle que la spécificité des cibles de miARN au contexte cellulaire et l'effet de saturation de certains ARNm par les miARN. Cette méthode peut également être utilisée pour identifier des ARNm dont la surexpression fait augmenter un autre ARNm par l'entremise de miARN partagés et dont les effets sur les ARNm non ciblés seraient minimaux. / microRNAs (miRNAs) are small non coding RNAs that repress the translation of their target genes by pairing to their messenger RNA (mRNA). The identification of miRNAs' biologically active targets is a difficult problem because their binding sites are defined by only seven nucleotides. In this thesis, I show that it is possible to model specific aspects of miRNAs to identify their biologically active targets through two modeling of each one aspect of miRNAs. The first modeling considers the miRNAs regulations through the identification of regulatory loops between miRNAs and transcription factors (TFs). Through this modeling, we identified over 700 miRNA/TF regulatory loops conserved between human and mouse. With the results of this modeling, we were able to identify, in particular, two regulatory loops between LMO2 and the miRNAs miR-223 and miR-363. Using hematopoietic stem cells and progenitor cells transplantation experiment we showed that miR-223 and miR-363 are involved in hematopoietic cell fate determination. The second modeling focuses directly on the interaction between miARN and messenger RNA (mRNA) to determine the miRNA targets. With this work, we developed a simple method for predicting miRNA targets that outperforms the current state of the art tool. This modeling also highlighted some unsuspected consequences of miRNA effects such as the cell context specificity and the saturation of mRNA targets by miRNA. This method can also be used to identify mRNAs whose overexpression increases the expression level of another mRNA through their shared miRNA and whose global effects on other genes are minimal.

L’étude cherche à provoquer la convergence des regards sur des enjeux méthodologiques fondamentaux, soit les enjeux de mesure, de décision et d’impact inhérents à toute démarche de sélection académique. À cet effet, elle explorera la capacité de prédiction de certaines variables non cognitives envers la compétence de professionnalisme observée chez les étudiants du doctorat professionnel de premier cycle en pharmacie. La sélection des candidats au sein des programmes académiques en santé repose en grande partie sur une évaluation de la capacité cognitive des étudiants. Tenant compte du virage compétence pris par la majorité des programmes en santé, la pertinence et la validité des critères traditionnels de sélection sont remises en question. La présente étude propose de valider l’utilisation des échelles de mesure de la personnalité, des valeurs et de l’autodétermination pour guider l’optimalité et l’équité des décisions de sélection. Les enjeux de mesure de ces variables seront abordés principalement par la modélisation dichotomique et polytomique de Rasch. L’application de la méthode des strates permettra, par la suite, de répondre aux enjeux de décision en procédant à une différenciation et un classement des étudiants. Puis, les enjeux d’impact seront, à leur tour, explorés par le modèle de régression par classes latentes. L’étude démontre notamment que le recours à la modélisation a permis une différenciation précise des étudiants. Cependant, la violation de certaines conditions d’application des modèles et la faible différenciation établie entre les étudiants sur la base des critères de professionnalisme, rendent l’évaluation de la capacité de prédiction de la personnalité, des valeurs et de l’autodétermination hasardeuse. À cet effet, les modèles identifiés par les analyses de régression par classes latentes s’avèrent peu concluants. Les classes latentes ainsi identifiées ne présentent pas de distinctions marquées et utiles à la sélection. Bien que les diverses procédures de modélisation proposées présentent des avantages intéressants pour une utilisation en contexte de sélection académique, des recherches additionnelles sur la qualité des critères de professionnalisme et sur la qualité des échelles de mesure des variables non cognitives demeurent nécessaires. / The study seeks to draw attention on fundamental issues of any academic admission procedures, specifically on measurement, decision and impact issues. Therefore, it will explore the predictive ability of three non-cognitive variables toward the observed professionalism of PharmD students. Admitting student in the health sciences often rely solely on the student cognitive ability. Taking into account that health sciences program have moved toward competency oriented curriculum, the relevance and validity of traditional admission criteria are challenged. This study proposes to validate the use of personality , values and self-determination measurement scales to pursue effective and equitable admission decisions. The challenges of measuring these variables will be addressed primarily by the dichotomous and polytomous Rasch models. The Strata method will, thereafter, provide methodological basis for decision issues by enabling for student ranking and classification. Then, impact issues will, in turn, be explored by latent class regression analysis. The study demonstrates that the use of such modeling procedures has allowed accurate differentiation, ranking and classification of students. However, the violation of certain basic model requirements and the lack of differentiation made between students on the basis of the criteria of professionalism, made the assessment of the predictive power of personality, values and self-determination hazardous. In fact, the latent class models identified were non conclusive. They showed no marked distinctions useful to guide admission procedures. Although, the Rasch modeling, the latent class regression model and the Strata procedure shows interesting benefits for admission procedures, additional research on the quality of professionalism criteria and non-cognitive variables measurement scales are required.

Les crimes sexuels génèrent beaucoup d’inquiétudes chez la société, particulièrement quand vient le temps de libérer certains délinquants sexuels à risque élevé de récidive. Les évaluations du risque sont ainsi pertinentes puisque la majorité des délinquants sexuels sont libérés suivant une peine d’emprisonnement déterminée (Wilson, Picheca and Prinzo, 2005). Certaines méthodes sont donc mises en place servant à gérer les délinquants sexuels en communauté. Un cadre légal impose certaines conditions de remise en liberté et vise à réduire le risque de récidive (Hanson and Morton-Bourgon, 2005). Toutefois, une fois leur sentence complétée, certains délinquants posent toujours un risque pour la société. Pour répondre à ce problème, des partenariats ont été développés au Québec entre les services correctionnels et policiers. Ils imposent une surveillance accrue des personnes à risque élevé de récidive (PRER). Les décisions qui sont prises peuvent être lourdes de conséquences. Il est donc important d’évaluer si les méthodes de ciblage sont efficaces, soit orientées vers les individus à haut risque de récidive. Les données utilisées dans le cadre de ce mémoire proviennent de deux sources. Premièrement, un échantillon comparatif issu d’une compilation de données comprenant l’ensemble des délinquants sexuels condamnés depuis 20 ans a été utilisé (n = 235). Puis, un registre développé depuis 10 ans regroupant l’ensemble des individus soumis au programme a été analysé (n = 235). Les participants ont été évalués en fonction des variables disponibles de la Statique-99R. L’utilité de l’outil pour la police a été mise en perspective. Le programme ne semble pas n’impliquer que des délinquants sexuels à haut risque de récidive. Les taux de récidive sont relativement bas et similaires dans les deux échantillons. Les services de police ont des données pertinentes qui permettent d’étudier la qualité du ciblage fait dans le cadre du programme. Des évaluations plus fiables pourraient améliorer l’allocation des ressources et les stratégies de ciblage. / Sexual crimes generate concerns among the population, particularly when certain high-risk offenders are released. Risk evaluations are therefore relevant, since the majority of such offenders will receive sentences of limited duration and be released later on (Wilson, Picheca and Prinzo, 2005). Methods are set in place in order to manage sex offenders in communities. A legal framework imposes an increased monitoring of sex offenders ending their sentence in the community and, by that, aims at reducing the risk of recidivism (Hanson and Morton-Bourgon, 2005). However, once the term of their incarceration completed, some offenders still pose a risk to society. In order to address this problem, partnerships have been established in Quebec between correctional and police services. They are intended to keep these individuals under surveillance in order to reduce the danger they represent (Yessine and Bonta, 2006). Decisions made in regard to these police prioritized targets can cause serious consequences to society. It is therefore relevant to assess whether targeting methods adopted by police and correctional services are effective; that is, can they accurately assess the risk of recidivism for each individual and are do they include only high risk sex offenders. The data used for this study came from two sources. First, a comparative sample coming from a compilation of data that brings together all sexual assaults events leading to official charges (n = 235) was used. Second, a registry developed over a period of 10 years under three police surveillance programs (n = 235) was analysed. Data from the two groups have been subjected to ratings on the available items of the Static-99R in order to tests its potential uses for police surveillance. Police surveillance programs are not optimally directed towards high-risk sexual offenders. Recidivism rates are low and similar in both samples. Police agencies have relevant data that can be use to assess the quality of targeting methods. More reliable evaluations could allow for the improved allocation of resources and targeting strategies.

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

Les relations spatiales entre les différentes régions dans une image sont utiles pour la compréhension et l'interprétation de la scène représentée. L'analyse Spatio-temporelle d'une scène implique l'intégration du temps dans des relations spatiales entre les objets en mouvement. Les relations spatio-temporelles sont définies dans un intervalle de temps utilisant la géométrie 3D ou l'extension de la géométrie 2D à la dimension temporelle. La modélisation des relations spatiales dynamiques prend en compte la position relative des objets et leurs relations directionnelles, ceci implique les relations topologiques, directionnelles et de distance. Ces relations sont étendues au domaine temporel. Dans notre travail, on décrit une méthode de combinaison d’information topologique et directionnelle où les relations d'Allen floues 1D sont appliquées au domaine spatial. La méthode proposée intègre le flou au niveau des relations. La méthode très gourmande initialement en temps de calcul en raison de l’approximation des objets ainsi qu'à l'algorithme de fuzzification des segments des sections longitudinales est améliorée en utilisant une approximation polygonale adaptée sur les objets considérés. L'algorithme du fuzzification des segments d'une section longitudinale inclut des opérateurs d'agrégation floue. Dans la méthode proposée, Les relations topologiques 2Dsont représentées par un histogramme. Les relations floues n'étant pas exhaustives, un algorithme de défuzzification des relations spatiales a été proposé pour réaliser un ensemble JEPD de relations spatiales. Cet ensemble de relations spatiales est représenté par un graphe de voisinage où chaque nœud du graphe représente la relation topologique et directionnelle. Cette méthode définit des relations spatio-temporelles en utilisant le modèle de données Espace-Temps. Un ensemble de relations spatio-temporelles est également fourni à l'aide de la stabilité topologique. Afin de valider le modèle, nous avons développé des applications fondées sur le raisonnement spatio-temporel proposé. Celui-ci a permit la création de tables de composition pour les relations spatiales topologiques structurées en sous-tables. Les entités de ces sous-tables sont liées les unes aux autres par des relations spatiales. Dans une seconde application, nous avons proposé une méthode de prédiction des évènements entre objets en mouvement fondée sur le même raisonnement spatio-temporel. Les objets en mouvement changeant de position à chaque instant, la prédiction de la nouvelle position spatiale d'un objet tient compte des états de relations spatiales calculées précédemment. / Spatial relations between different image regions are helpful in image understanding, interpretation and computer vision applications. Spatio-temporal analysis involves the integration of spatial relations changing over time between moving objects of a dynamic scene. Spatio-temporal relations are defined for a selected time interval using 3D geometry or extension of 2D object geometry to the time dimension with sequence occurrence of primitive events for each snapshot. Modeling dynamic spatial relations takes into account the relative object position and their directional relations; this involves the topological, directional and distance relations and their logical extension to the temporal domain. In this thesis, a method for combining topological and directional relations information is discussed where 1D temporal fuzzy Allen relations are applied in spatial domain. Initially, the method has a high computational cost. This computing cost is due to the object approximation and the fuzzification algorithm of segments. The computing time has been using polygonal object approximation. Fuzzification algorithm is replaced with fuzzy aggregation operators for segments of a longitudinal section. In this method, two dimensional topological relations are represented in a histogram. The representation method for two dimensional spatial relations has been changed. These fuzzy relations are not Jointly Exhaustive and Pairwise Disjoint (JEPD). An algorithm for defuzzification of spatial relations is proposed to realize JEPD set of spatial relations, these JEPD spatial relations are represented in a neighborhood graph. In this neighborhood graph, each node represents the topological and directional relation. This method is further extended for defining spatio-temporal relations using space and time data model, a set of spatio-temporal relations are also elaborated using the stability property in topology. In an application, a method for spatio-temporal reasoning based on this new model is developed. Spatio-temporal reasoning consists of developing the composition tables for spatial relations. Composition table for topological relations are rearranged into sub-tables. Entities in these sub-tables are related to each other and mathematical rules are defined for composition of spatial relations which elaborate the relation between entities of sub-tables. In another application, we propose a method for motion event predictions between moving objects. It is a similar process to the spatio-temporal reasoning. Dynamic objects occupy different places at different time points, these objects have multiple choices for subsequent positions and a unique history. Prediction about motion events take into account the history of a moving object and predict about the semantics of a motion event.

L'identification des interactions survenant au niveau moléculaire joue un rôle crucial pour la compréhension du vivant. L'objectif de ce travail a consisté à développer des méthodes permettant de modéliser et de prédire ces interactions pour le métabolisme et la régulation de la transcription. Nous nous sommes basés pour cela sur la modélisation de ces systèmes sous la forme de graphes et d'automates. Nous avons dans un premier temps développé une méthode permettant de tester et de prédire la distribution du flux au sein d'un réseau métabolique en permettant la formulation d'une à plusieurs contraintes. Nous montrons que la prise en compte des données biologiques par cette méthode permet de mieux reproduire certains phénotypes observés in vivo pour notre modèle d'étude du métabolisme énergétique du parasite Trypanosoma brucei. Les résultats obtenus ont ainsi permis de fournir des éléments d'explication pour comprendre la flexibilité du flux de ce métabolisme, qui étaient cohérentes avec les données expérimentales. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à une catégorie particulière d'ARN non codants appelés sRNAs, qui sont impliqués dans la régulation de la réponse cellulaire aux variations environnementales. Nous avons développé une approche permettant de mieux prédire les interactions qu'ils effectuent avec d'autres ARN en nous basant sur une prédiction des interactions, une analyse par enrichissement du contexte biologique de ces cibles, et en développant un système de visualisation spécialement adapté à la manipulation de ces données. Nous avons appliqué notre méthode pour l'étude des sRNAs de la bactérie Escherichia coli. Les prédictions réalisées sont apparues être en accord avec les données expérimentales disponibles, et ont permis de proposer plusieurs nouvelles cibles candidates. / The identification of the interactions occurring at the molecular level is crucial to understand the life process. The aim of this work was to develop methods to model and to predict these interactions for the metabolism and the regulation of transcription. We modeled these systems by graphs and automata.Firstly, we developed a method to test and to predict the flux distribution in a metabolic network, which consider the formulation of several constraints. We showed that this method can better mimic the in vivo phenotype of the energy metabolism of the parasite Trypanosoma brucei. The results enabled to provide a good explanation of the metabolic flux flexibility, which were consistent with the experimental data. Secondly, we have considered a particular class of non-coding RNAs called sRNAs, which are involved in the regulation of the cellular response to environmental changes. We developed an approach to better predict their interactions with other RNAs based on the interaction prediction, an enrichment analysis, and by developing a visualization system adapted to the manipulation of these data. We applied our method to the study of the sRNAs interactions within the bacteria Escherichia coli. The predictions were in agreement with the available experimental data, and helped to propose several new target candidates.