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1.- Présenter Les Concepts de Base 2. comprendre le processus de régulation 3. Connaître les Systèmes et les Approches de modélisation des RG 4.Connaître.

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1 1.- Présenter Les Concepts de Base 2. comprendre le processus de régulation 3. Connaître les Systèmes et les Approches de modélisation des RG 4.Connaître les Perspectives EXPOSÉ LA BIO-INFORMATIQUE

2 1.CONCEPTS DE BASE

3 La bio-informatique est un champ de recherche multi- disciplinaire où travaillent de concert biologistes, informaticiens, mathématiciens et physiciens, dans le but de résoudre un problème scientifique posé par la biologie. Le terme bio-informatique peut également décrire (par abus de langage) toutes les applications informatiques résultant de ces recherches. Cela va de l'analyse du génome à la modélisation de l'évolution d'une population animale dans un environnement donné, en passant par la modélisation moléculaire, l'analyse d'image, le séquençage du génome et la reconstruction d'arbres phylogénétiques (phylogénie).biologistes informaticiensmathématiciensphysiciens biologie informatiquesanalyse du génomemodélisation moléculaireanalyse d'imageséquençagegénomearbres phylogénétiquesphylogénie 1.1 La Bio-informatique

4 1.2 La cellule Cellule = dénominateur commun des êtres vivants Exemples: bactéries,virus, Rétrovirus cytoplasme

5 1.3 LADN L'ADN, abréviation d'acide désoxyribonucléique, se trouve dans le noyau de la plupart des types de cellules. Il contient les instructions propres à la cellule et détermine comment les traits d'une personne seront transmis d'une génération à l'autre. 1.4 Les Gènes et Les Nucléotides Le langage de l'ADN, comprend des mots et des phrases également! Chaque «mot» est une unité de la molécule d'ADN, appelée nucléotide. Chaque « phrase » est une longue chaîne de nucléotides, appelée gène Équations: ADN= Σ gènes ; gène= Σ nucléotides nucléotide Є { A,C,G,T}

6 1.5 Structure des nucléotides Fig1: Structure interne Fig2:Liaison covalente Liaison hydrogène (C-G ou A-T) Légende: (A) = Adénine (T)= Thymine (C) =Cytosine (G)= Guanine

7 1.6 LARN L'ARN est l'abréviation d'acide ribonucléique. Tout comme l'ADN, les molécules d'ARN sont fabriquées dans le noyau de la cellule. Toutefois, contrairement à l'ADN, l'ARN ne se limite pas au noyau et contient une nucléotide U (uracile) au lieu de T L'ARN a plusieurs fonctions et par suite on distingue les appellations suivantes: ARNm, ARNr et ARNt

8 Les protéines sont les molécules biologiques qui donnent aux cellules vivantes leurs formes et fonctions diverses, les protéines comprennent une ou plusieurs chaînes polypeptidiques 1.7 Les Protéines Fonctions: - Fonction structurale (poussée de chevaux, cartilage,…) - Catalyseur d'importantes réactions chimiques (enzymes) -passage des particules moléculaires vers ou hors de la cellule -régulation des fonctions du corps (hormones)

9 1.8 Le modèle clé-serrure Les enzymes produisent des centaines de réactions chimiques essentielles à notre survie. Les enzymes se plient de telle façon qu'on observe une échancrure ou une poche à leur surface. On appelle cette poche site actif. Le modèle clé-serrure repose sur le principe selon lequel les formes des molécules réagissant (les substrats) et le site actif de l'enzyme s'emboîtent comme une clé dans la serrure pour laquelle elle est conçue. Site actif

10 2. PROCESSUS DE REGULATION

11 2.1 Synthèse des protéines Le processus peut être divisé en deux phases : la Transcription, suivie de la Traduction.

12 2.1 Synthèse des protéines 1. coupure liaison H 2. Fabrication ARNc 3. Fabrication acides aminés codon= triplet de bases (combinaison de C,A,U et G) Stop=codon fin traduction

13 2.2 Catalyse de la synthèse des protéines - la CAP (catabolite activator protein) est une molécule qui forme un complexe avec une autre substance : lAMP cyclique (AMP-c) se lient a la molécule dADN et cette liaison a pour effet daugmenter la transcription. Or, lAMP-c nest présente que si le glucose vient a manquer. (AMPCAP) joue un rôle dactivateur pour lopéron. - Un opéron est un groupe de gènes structurels, cest-a-dire des gènes codant pour des protéines - une molécule dATP peut se dégrader en ADP (adénosine diphosphate), ce qui libère une certaine quantité dénergie utilisable

14 2.3 La régulation des réactions chimiques Une enzyme possède plusieurs sites de liaison, chaque type de liaison concerne un substrat différent. On parlera deffet allostérique si la liaison dun substrat S1 sur un site E1 modifie laffinité dun autre site E2 pour son substrat S2. S1 est appelé effecteur de S2, car il a sur ce site un effet indirect : il peut activer ou au contraire inhiber la liaison du deuxième substrat S2 avec le site E2. Si la liaison S1-E1 a pour effet daugmenter laffinité entre S2 et E2, alors S1 est appelé activateur de lenzyme. Si au contraire elle a pour effet de diminuer cette affinité, S1 est alors appelé inhibiteur de lenzyme. ( Rétroaction négative)

15 2.4 Le rôle des enzymes - lARN-polymérase copie de lADN pour aboutir à un ARNm -La perméase enzyme transporteur : Faire pénétrer les molécules de lactose du milieu extracellulaire a lintérieur de la cellule. - La ß-galactosidase enzyme qui favorise la transformation du lactose intracellulaire en glucose

16 3 MODELISATION DES RESEAUX DE REGULATION GENETIQUE

17 3.1 Classification des modèles Les différents modèles qui ont été proposés pour tenter de donner une approche mathématique des réseaux génétiques se rangent pour lessentiel dans 3 catégories - Les systèmes discrets - Les systèmes continus - Les systèmes hybrides Remarque : On peut trouver une classification selon le déterminisme de lapproche : Approche déterministe et approche stochastique

18 3.2 Les systèmes discrets Entre autres on trouve: - Les réseaux dautomates booléens - Les réseaux de pétri - Les réseaux de neurones - Les graphes Principe général : gène transition f1 f2 f3 f4 fi : Fonction de transition

19 3.3 Les réseaux dautomates booléens - Un nœud = automate ( 0 ou 1 ) çad gène activé ou non - Matrice dincidence: Soit un graphe dinteraction GI On définit la matrice dincidence de GI comme étant la matrice booléenne B de dimension n × n telle que : Pour i, j Є {1,..., n}, b ij = 1 si j influence i, 0 sinon - Fonction de transition globale du réseau x i : gène f i : fonction logique

20 3.3 Les réseaux dautomates booléens Modes opératoires - Mode parallèle: à chaque instant discret t, toutes les cellules évoluent simultanément. - Mode série : à chaque instant t un seul automate est mis a jour. - Mode mixte: un groupe de cellules commence à évoluer simultanément, puis un second groupe et ainsi de suite jusquà ce que toutes les cellules aient évolués une et une seule fois

21 3.4 Application en biologie Activer Inhiber A..I: gènes

22 3.5 Inférence dun réseau booléen Il sagit de retrouver, a partir des transitions entre les gènes, quelle est la topologie du réseau (cest a dire comment sont connectés les différents automates entre eux et quelles sont les fonctions dactivation des automates). Algorithmes didentification ( reverse engineering algorithms) Principe : - Reveal1 : chercher les connectivités k de chaque fonction booléenne - Reveal2: trouver les variables effectives des fonctions fi dont la connectivité réelle < K. -Reveal3: identification partielle de la matrice ( mat. à grande taille)

23 3.6 Reveal1

24 3.7 Reveal2

25 3.8 Reveal3

26 3.9 Les équations différentielles - Le formalisme le plus utilisé pour modéliser les réseaux de régulation génétique est sans aucun doute celui des équations différentielles. Suivant cette approche, les concentrations des composants moléculaires du système sont représentées par des variables réelles positives qui évoluent de manière continue au cours du temps. la dérivée temporelle dune variable (concentration)est fonction de la valeur des autres variables. - Équations de base de la cinétique enzymatique S=Substrat, E=Enzyme, P=produit, K i =constantes

27 3.9 Les équations différentielles En notant respectivement s, e, c et p les concentrations en substrat, en enzyme, en complexe et en produit, la loi daction de masse nous donne le système différentiel suivant

28 3.10 Les systèmes hybrides - Dans un système hybride, les variations rapides, ou bascules(switch), sont représentes comme des évènements discrets, pour les nommer. Ladjonction de ces évènements discrets à un système classique déquations différentielles ordinaires est a la base du concept de système hybride. - Un système hybride est un sextuplet H = (Q, E,D,F, G,R) Q: ensemble des nœuds,E: ensemble des transitions D:Domaine des valeurs, F: ensemble des fonctions G: ensemble des gardes, R: Fonctions Reset

29 3.11 Modèle hybride de lopéron lactose - En absence de lactose, lopéron est bloqué - En présence de lactose et de glucose, lopéron est induit - En présence de lactose et en absence de glucose lopéron est activé V étant la fonction de Michaelis

30 3.11 Modèle hybride de lopéron lactose Les points d´équilibre sont les points ou le système déquations sannule çad pour tout i, f i =0 Pour étudier léquilibre du système, il faut calculer la matrice jacobienne de Fi

31 3.11 Modèle hybride et S-systèmes Les S-systèmes sinscrivent dans un formalisme ancien centré sur l´étude des lois de puissance dans les équations algébriques et différentielles les S-systèmes font partie de la classe plus générale des systèmes quasi-monomiaux (QM) Un S-système est présenté comme suit: (i:1..n)

32 3.12 A pproximation et recherche des points d´équilibres

33 3.13 Approche stochastique -Approche probabiliste -Équations maîtresses EDS -Ajout dun bruit

34 4 PERSPECTIVES

35 - Tendance vers les systèmes hybrides - Importance des s-systems - Importance de lapproche stochastique en dépit des fluctuations des paramètres qui régissent les processus chimiques


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