Structure, dynamique et robustesse

Présentation au sujet: "Structure, dynamique et robustesse"— Transcription de la présentation:

1 Structure, dynamique et robustesse
des réseaux de régulation transcriptionnelle Bernard Vandenbunder Réunion satellite JOBIM 9 Juillet 2005 Des mesures aux modèles et des modèles aux mesures

2 1 2 un modèle simple Stimuli extérieurs Voies de signalisation
Facteurs de transcription Gènes Protéines ARNm 1 2

3 Systematic determination of genetic network architecture
Tavazoie S … and Church GM (1999), Nature Genetics, 22:281-5.

4 Identifying regulatory networks by combinatorial analysis of promoter elements
Pilpel, Y., Sudarsanam, P., and Church, G. M. (2001) Nat Genet 29,

5

6 Transcriptional regulatory networks in Saccharomyces cerevisiae
Lee … and RA Young (2002), Science 298,

7 Les réseaux de régulation transcriptionnelle dans un environnement non idéalisé …
Peptidoglycan Proteins Ribosome Now we pack all this stuff into the cell. As depicted by artists, the interior of the cell is viewed as a very crowded, mRNA DNA From David D Goodsell,

8 The structure of histone-depleted metaphase chromosomes
During the first part of my talk, I will present what we learnt about transcriptional regulation by isolating its components and observing their presence in fixed (dead) cells. This is classical view of the DNA contained into a single human chromosome isolated from a mitotic cell. Proteins bound to DNA have been washed out with a detergent and the DNA carefully spread onto an electron microscope grid. This image gives an idea about the dense packing of the DNA molecule within the cell. The structure of histone-depleted metaphase chromosomes Paulson, J.R. and Laemmli, U.K. Cell, 12, , 1977

9 There are similar pictures obtained after lysis of a bacteria or a phage. It is worth noticing that H Sapiens has no more than 5 fold more genes, but a 250 fold longer genome than the yeast S Cerevisiae. The human genome contains non coding regulatory sequences previously dubbed “junk DNA” that make the difference !

10 Molecular Biology of the Cell Third Edition. Chapter 8, fig. 8.24
In eukaryotes, different levels of packing have been described for DNA. The DNA molecule (146 base pairs) is wrapped around histones; these beads separated from one another by 20 to 100 bp on a string form 30 nm chromatin fibres. At the onset of mitosis, these fibres condense to form chromosomes (depicted at the bottom of the slide). From Alberts et al. Molecular Biology of the Cell Third Edition. Chapter 8, fig. 8.24

11 110 Å 50 Å Let us now enter into the molecular level. There is the structure of a nucleosome, an hetero-octamer of histone proteins, a cylinder with a diameter of 100 A and a height of 50 A. Note the N terminal histone tails that play a role in the assembly of this octamer. Histone proteins are subject to modifications, such as acetylation, methylation, phosphorylation, ubiquitination, glycosylation, and ADP ribosylation, some of which are known to play important roles in the regulation of chromatin structure and function. Depicted on the right is the structure of a transcription factor NFkB that binds to DNA as an heterodimer (mwt 2 x 50 kDa). It does binds to bent DNA

12 Multisubunit RNA polymerases. Cramer P (2002) Curr Opin Struct Biol
110 Å Yeast RNA polymerase II is a 12 subunits complex (mwt. 400 kDa, size 140 A x 140 A x 110 A). Its structure at 2.8 A resolution reveals a division of the polymerase into four mobile modules, including a clamp, shown previously to swing over the active center. The clamp is in an open state, allowing entry of straight promoter DNA for the initiation of transcription RNA polymerase II takes 30 seconds to one minute to transcribe a 1 kilobase long gene

13 Quelques ordres de grandeur
E. Coli H. Sapiens Nombre de gènes 3.200 25.000 Nombre de facteurs de transcription 150 2.000 102 to 103 bp : genes 103 to 104 bp : genes, à 10 minutes 104 to 105 bp : genes à 100 min 105 to 106 bp : genes 106 to bp : 62 genes à 24 h Longueur des gènes H. Sapiens Nombre de transcrits par gène : 0,1 à 106. jusque 106 mRNA globine dans les cellules érythroïdes mRNA actine / noyau dans les fibres musculaires 10 à 100 copies pour les mRNA codant pour les facteurs de transcription Dans une cellule HeLa, il y a environ 100 mol. RNA pol / gène codant rRNA

14 Chromatin remodelling
l’initiation de la transcription HAT Chromatin remodelling complexes SWI/SNF Co-activators Transcription factor activator H1 There is a classical view of transcriptional regulation. The DNA packed into nucleosomes, histones tails A transcriptional activator, here depicted a nuclear receptor activated upon ligand binding. It dimerizes, binds to DNA, recruits coactivators that recruit chromatin remodelling complexes with histone modifying enzymes. H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1

15 Chromatin remodelling
HAT Chromatin remodelling complexes SWI/SNF Co-activators H1 After modification of their tails, histones disassemble, and RNA polymerase gets access to the DNA and transcription starts. Conversely, in these classical view transcription factors inhibitors recruit co-inhibitors, enzymes such as HDAC. H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 Transcription Factor inhibitor HDAC

16 p107 Prolifération Transformation TRRAP aTub Myc b actin TIP48 NTD
Bin1 HDACs BAF53 TIP49 YY1 mSin3 AP2 TIP 48 et 49, activité b hélicase Mad Max Max CTD TFII-I BRCA1 Miz1 D’après Sakamuro & Prendergast, Oncogene (1999), 18,

17

18 ChIp Fixation Lysis, sonication and immunoprecipitation DNA extraction
Ces expériences de FRAP suggèrent que la dynamique (diffusion, fixation) des facteurs de transcription et des coactivateurs associés est un phénomène rapide (échelle de la seconde), qu’une fraction importante des sous unités de la RNA pol est libre. Pas de méga complexes préétablis … Amplification From Shang et al., 2000 Cofactor dynamics and sufficiency in estrogen receptor regulated transcription Cell, 103,

19 ReChIp , ou et ? 1st Immunoprecipitation 2d Immunoprecipitation
46 different proteins likely to be engaged in transcription DNA extraction Amplification From Métivier et al., 2000 Estrogen receptor – a directs ordered, cyclical and combinatorial recruitment of cofactors on a natural target promoter. Cell, 115,

20 Alternative complexes are sequentially formed
Six different complexes present at 3 hours

21

22 Alternative recruitments, alternative cycles
Recruitment of co-activators and co-inhibitors Receptor degradation between each cycle Existence of a transcriptional clock This can be studied in vitro. How to reconcile the fast exchange (seconds) observed in FRAP experiments with these 20 to 40 minutes cycles ? Not the same promoter; a given regulator can employ multiple programs for gene activation The methods are different; ChIP does not allow the observation of rapid events, but rather integrates the sum of the interactions at a genomic sites during the time of fixation).

23 … après l’initiation de la transcription …

24 … régulation de la stabilité des ARNs messagers …
Facteurs de transcription Gènes Protéines ARNm Synthèse Dégradation Global analysis of stress-regulated mRNA turnover by using cDNA arrays, Fan, J. et al. (2002). Proc Natl Acad Sci U S A 99, Precision and functional specificity in mRNA decay, Wang, Y et al. (2002). Proc Natl Acad Sci U S A 99,

25 Control of gene expression during T cell activation: alternate regulation of mRNA transcription and stability.Cheadle et al., (2005), BMC Genomics, 6:75

26 … régulation par les petits ARNs messagers …

27 … régulation par les petits ARNs messagers …
From Gottesman, S. (2002). Stealth regulation: biological circuits with small RNA switches, Genes Dev 16,

28 Structure, dynamique et robustesse
des réseaux de régulation transcriptionnelle Réunion satellite JOBIM 9 Juillet 2005 Des mesures aux modèles et des modèles aux mesures

29 Leloup & Goldbeter, BioEssays. 2000, 22; 84-93
Modeling the molecular regulatory mechanism of circadian rhythms in Drosophila Leloup & Goldbeter, BioEssays. 2000, 22; 84-93 Le contrôle de l’horloge du rythme circadien chez la Drosophile basé sur la régulation négative qu’exerce le complexe des facteurs PER/TIM sur la transcription des gènes per et tim. En rouge, on est dans le noyau. La lumière agit sur la dégradation de TIM 10 équations cinétiques différentielles décrivent la synthèse et la dégradation des ARNs et des protéines, la phosphorylation et la déphosphorylation, la formation du complexe. La valeur des paramètres est estimée. On peut prédire ainsi l’existence d’oscillations dans l’obscurité On peut simuler les effets de l’entraînement par des cycles lumière obscurité On peut simuler les effets de pulses de lumière

30 En haut, les courbes en bleu correspondent aux oscillations de la quantité de protéine TIM dans l’obscurité. En bas, on voit que les maxima pour l’ARN TIM précèdent les maxima pour les protéines TIM. Selon le moment où survient le pulse de lumière (dégradation de TIM) on obtient une avance (courbe verte) ou un retard de phase (courbe marron). On peut modéliser ces effets et comparer les résultats de la simulation avec les résultats expérimentaux pour le sauvage et pour un mutant dont la période est plus courte.

31 "The Circadian Clock That Controls Gene Expression in Arabidopsis Is Tissue Specific.“
Thain, S. C., G. Murtas, et al. (2002). Plant Physiol. 130(1):

32 A serum shock induces circadian gene expression in mammalian tissue culture cells.
Balsalobre A, Damiola F, Schibler U. Cell :

33 Input Output Clock Zeitgeber The network of time: understanding the molecular circadian system. Roenneberg T and Merrow M Current Biol., 13, R

34 The IkappaB-NF-kappaB signaling module: temporal control and selective gene activation,
Hoffmann …and D. Baltimore. (2002). Science 298,

35

36 Oscillations in NF-kB signaling control the dynamics of gene expression,
Nelson DE …and MRH White. (2004). Science 306,

37 Structure, dynamique et robustesse
des réseaux de régulation transcriptionnelle Réunion satellite JOBIM 9 Juillet 2005 Des mesures aux modèles et des modèles aux mesures

38 SF 0.5 2 4 8 24 h ETS1 uPA Collagenase PAI-1 GAPDH

39

40

41 Gene expression regulation: ”a noisy business”
Pituitary cells, growth hormone promoter stimulated with thyroid hormone from

42 Norris, A. J., et al. (2003), Mol Endocrinol 17, 193-202.
Heterogeneity, some cells positive, others negative Dynamic patterns of growth hormone gene transcription in individual living pituitary cells, Norris, A. J., et al. (2003), Mol Endocrinol 17,

43 Transcription occurs in pulses in muscle fibers
Newlands et al., Genes & Dev. 1998, 12:

44 Expression de la bgal sous le contrôle du promoteur du gène codant Tn1

45 adulte flexor digitorum brevis embryon E 16.5 quadriceps embryon E 16.5 tibialis anterior

46 from Becskei & Serrano., Nature. 2000, 405; 590-3
Engineering stability in gene networks by autoregulation Comment est assurée la stabilité des horloges biologiques, malgré les fluctuations dans la quantité de chacun des éléments qui les composent ? Les boucles de régulation négative peuvent aussi diminuer le bruit dans les réseaux de régulation. Dans E Coli, un plasmide qui contient un cDNA codant pour une protéine de fusion TetR-EGFP; En amont deux opérateurs Tet sur lesquels se fixe la protéine de fusion qui agit comme un inhibiteur de la transcription. A droite est représentée la distribution des intensités de fluorescence Même manip, avec cette fois un mutant d TetR (répresseur tétracycline) dont l’affinité pour l’ADN est réduite Même manip, avec en amont lac 0. L’expression de TetR-GFP est induite par des concentrations saturantes d’IPTG. En C, il n’y a plus de boucle de régulation négative. Le système est complètement dérégulé.

47 Fractal dynamics in physiology: Alterations with disease and aging
Analyse en ondelettes. En haut patient normal, structure arborescente en bas patient atteint du syndrome d’apnée obstructive pendant son sommeil. Laboratoire pour la dynamique non linéaire en médecine. Fractal dynamics in physiology: Alterations with disease and aging Ary L. Goldberger et al. PNAS.  : 2466–2472

48 Studies on structure, dynamics and robustness of regulatory networks, in the context of multifactorial diseases

49 Imaging Modelling Manipulating Physics Bioinformatics Biology
Biochemistry Chemistry Physics Mathematics Theoretical/Statistical Physics Bioinformatics Imaging Modelling Manipulating Physics Chemistry Biology Micro/nanotechnologies This Institute is designed to foster the interactions between biologists, computer scientists, mathematicians, physicists, chemists and engineers on topics related to the structure and the dynamics of regulatory networks. The following perspectives for development have been identified : - imaging the activation of signalling pathways, gene expression and regulation in single living cells, and quantifying these observations, - modelling, simulating and engineering cell regulatory networks, based on topological data gathered in living cells, on global descriptions of the transcriptomes and on protein interaction maps, - using micro- and nanotechnologies to manipulate individual components, and to take advantage of their properties of transport or self-assembly into hierarchical structures for designing new biosystems.

50 A strategy of development
The focus on formation The integration of new teams The conception of a new building

51 « Microscopie Fonctionnelle en Biologie »
Ecole thématique Interdisciplinaire « Microscopie Fonctionnelle en Biologie » Ile d’Oléron, 12/17 septembre 2004 Interdisciplinary workshop Noise and robustness in transcriptional regulatory networks September 3/7 2005

52 Modélisation et simulation des nanosystèmes biologiques Ralf Blossey (IRI@IEMN),
Systems Epigenomics, Arndt Benecke Structuration des surfaces de silicium fonctionnalisées, applications à la biologie Rabah Boukherroub Approche protéomique et fonctionnelle du remodelage de la chromatine Pierre Olivier Angrand Equipe “Physique expérimentale”, Didier Stievenard (IEMN)

53 Institut de Recherches Interdisciplinaires
Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie Laboratoire d’Informatique Fondamentale de Lille Laboratoire de physique des lasers Atomes et molécules Institut de Biologie de Lille Génopole de Lille Institut de Recherches Interdisciplinaires Algèbre, Géométrie, Analyse, Topologie Laboratoire de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle Équipe « analyse de séquences régulatrices et réseaux de régulation transcriptionnelle »

54 2000 square meters 110 researchers, technical and administrative staff Architect : Gilles Bouchez BET GEC Ingénierie

55

56 completion : July 2007

57

58