Genetic switches are prevalent in nature, and provide cells with a strategy to adapt to changing environmental conditions. This thesis focuses on an intriguing example which is not understood in complete detail: the GAL switch. The GAL switch allows organisms to metabolize the sugar galactose, and controls whether the machinery responsible for the galactose metabolism is turned ON or OFF. Currently, it is not known exactly how the galactose signal is sensed by the transcriptional machinery. Moreover, there are two contradictory hypotheses concerning the regulatory mechanism at GAL promoters in galactose induced cells: the dissociation and non-dissociation models. This work uses quantitative tools to understand the Saccharomyces cerevisiae cell response to galactose challenge, and to analyze the plausible molecular mechanisms underlying its operation. The thesis proposes a novel dynamic mathematical model which is based on the interplay of the key regulatory proteins Gal4p, Gal80p, and Gal3p, in a cell population. To my knowledge, the deterministic model presented here is the first to reproduce qualitatively the bistable GAL network behavior found experimentally. Given the current understanding of the GAL circuit induction (Wightman et al., 2008; Jiang et al., 2009), this work proposes that the most likely in vivo mechanism leading to the transcriptional activation of the GAL genes is the physical interaction between galactose-activated Gal3p and Gal80p, with the complex Gal3p-Gal80p remaining bound at the GAL promoters. The mathematical model is in agreement with the flow cytometry profiles of wild type, gal3∆ and gal80∆ mutant strains from Acar et al. (2005), and involves a fraction of actively transcribing cells with the same qualitative features as in the data set collected by Acar et al. (2010). Furthermore, the computational modelling provides an explanation for the contradictory results obtained by independent laboratories when tackling experimentally the issue of binary versus graded GAL response to galactose induction. / Les signaux génétiques binaires sont répandues dans la nature, et fournissent aux cellules une stratégie pour s'adapter à des environnements variables. Cette thése cherche a comprendre un example intéressant qui n'est pas compris complètement: le commutateur GAL. Le commutateur GAL en est un exemple fascinant qui n'est pas pas compris dans tous ses détails. Le commutateur GAL permet aux organismes de métaboliser du galactose, et contrôle si les mécanismes responsables du métabolisme du galactose sont en marche ou non. Actuellement, on ne connaît pas exactement comment le signal galactose est senti par les mécanismes de transcription. En fait, il y a deux hypothèses qui s'opposent à propos du mécanisme régulatoire au site du promoteur de GAL dans les cellules qui étaient induites avec galactose: le modèle de dissociation et le modèle de non-dissociation. Ce travail utilise des outils quantitatifs pour comprendre la réponse de la cellule S. cerevisiae au stimuli de galactose et pour analyser les mécanismes moléculaires possibles à la base de son fonctionnement. Cette thèse propose un modèle dynamique à l'échelle de population de cellules basé sur l'interaction des protéines régulatrices clées Gal4p, Gal80p et Gal3p. À notre connaissance, le modèle présenté ici est le premier à reproduire qualitativement le comportement bistable du réseau observé expérimentalement. Étant donné la compréhension actuelle du circuit d'induction GAL (Wightman et al., 2008; Jiang et al., 2009), ce travail propose que le mécanisme in vivo le plus probable menant à l'activation de la transcription des gènes GAL soit l'interaction physique entre la protéine galactose-activé Gal3p et la protéine Gal80p, avec le complexe Gal3p-Gal80p attaché aux promoteurs des gènes GAL. Notre modèle mathématique est en accord avec les profils de cytométrie en flux des souches sauvages, des souches mutées gal3∆ et gal80∆ d'Acar et al. (2005), et implique une fraction de cellules qui transcrit activement avec les mêmes caractéristiques qualitatives que dans le jeu de données rassemblées par Acar et al. (2010). En outre, les simulations informatiques du modèle fournissent une explication des résultats contradictoires obtenus par des laboratoires indépendants qui abordent expérimentalement la question de la réponse binaire ou graduelle à l'induction de galactose.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107676 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Apostu, Raluca |
| Contributors | Michael C Mackey (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physiology) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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