Contributions de la th`ese

Cette th`ese s’inscrit dans la volont´e d’int´egrer des connaissances biologique et de les

repr´esenter sous divers formalismes de fa¸con non ambigu¨e. La formalisation des

connais-sances permet non seulement de reproduire, mais surtout de pr´edire un comportement.

Le choix de la repr´esentation ´etant guid´e par la question pos´ee, nous pr´esentons ici deux

approches pour r´epondre `a des questions de granularit´es diff´erentes. Nos approches de

mod´elisation se sont port´ees sur le processus de signalisation cellulaire et notamment sur

la voie de signalisation de facteur de croissance TGF-β.

Dans une premier ´etude, nous avons d´evelopp´e des mod`eles diff´erentiels pour ´etudier

le rˆole d’un nouveau r´egulateur transcriptionel TIF1γ dans la signalisation canonique du

TGF-β. En effet le rˆole de TIF1γ fait l’objet de controverses dans la litt´erature et nous

avons formalis´e les observations divergentes dans des mod`eles diff´erentiels. La

confronta-tion des dynamiques des diff´erents mod`eles avec les donn´ees exp´erimentales nous a permis

de discriminer les diff´erentes hypoth`eses et de proposer un mod`ele unique expliquant la

fonction de TIF1γ.

Dans un second temps, la recherche d’un mod`ele int´egrant la complexit´e de la

signali-sation du TGF-β nous a conduit `a d´evelopper une approche globale prenant en compte

l’ensemble des donn´ees sur la voies de signalisation cellulaire. Dans ce contexte nous avons

opt´e pour une approche discr`ete et dynamique, qui offre la possibilit´e de repr´esenter des

mod`eles de grandes tailles. Pour cela nous nous sommes focalis´e sur (i) le d´eveloppement

d’une m´ethodologie, (ii) sa concr´etisation `a travers un logiciel et (iii) l’application de cette

m´ethodologie `a l’´etude de r´egulations de processus complexes par la signalisation cellulaire.

Nos efforts se sont donc tout d’abord port´es sur le choix d’un formalisme adapt´e aux

caract´eristiques de la signalisation et compatible avec des mod`eles compos´es de milliers de

mol´ecules. Nous avons choisi une approche bas´ee sur les r´eactions, permettant de mod´eliser

la propagation du signal/de l’information de la membrane aux g`enes. Un grand int´erˆet a ´et´e

port´e `a la gestion du temps dans notre syst`eme dynamique, de fa¸con a pouvoir repr´esenter

les croisements entre les voies de signalisation de fa¸con non biais´ee, sans ˆetre contraint

par le manque d’information sur la dynamique du syst`eme biologique d’origine. Nous

avons ainsi d´evelopp´e le formalismeCadbiompourComputer Aided Design of BIOlogical

Models, bas´e sur les transitions gard´ees en y introduisant la notion d’´ev´enements pour

palier `a l’absence de repr´esentation du temps. Pour concevoir nos mod`eles nous avons

utilis´e les connaissances stock´ees dans les bases de donn´ees. Notre interpr´etation de la

biologie est fond´ee sur la notion de r´eaction biologique, ce qui nous a permis d’´etablir un

sch´ema de traduction des bases PID et Reactome en mod`eles Cadbiom.

Pour promouvoir notre m´ethodologie et faciliter son utilisation, nous avons d´evelopp´e

le logiciel Cadbiom. L’interface graphique propose un accompagnement complet de la

conception `a l’analyse de nos mod`eles. Les analyses des mod`eles dynamiques s’inspirent

des v´erifications formelles ´etudiant des propri´et´es telles que l’atteignabilit´e et l’invariance.

Afin d’´eprouver notre mod`ele g´en´er´e `a partir de la base de donn´ees PID, nous avons

explor´e la dynamique du signal permettant la r´egulation du cycle cellulaire, processus

fondamental en biologie. Dans un deuxi`eme temps nous avons pratiqu´e par une approche

globale la relation entre la r´egulation des g`enes et la complexit´e des m´ecanismes de

signa-lisation.

Mod´elisation de la r´egulation du

signal canonique du facteur de

croissance TGF-β par le facteur de

transcription TIF1γ

Pr´esentation

Cette premi`ere partie est consacr´ee `a la mod´elisation quantitative de la r´egulation de

la voie de signalisation canonique du TGF-β par un nouvel interactant : TIF1γ(´egalement

appel´e TRIM33 ou ectodermin). Ce dernier appartient `a la famille des prot´eines TRI

partite Motif (TRIM), et a ´et´e r´ecemment impliqu´e dans la r´egulation du signal TGF-β.

Cependant les observations sont en partie contradictoires et le rˆole de TIF1γ au sein de

la signalisation TGF-β ne fait pas l’objet d’un consensus. Dans ce contexte, nous avons

d´evelopp´e plusieurs mod`eles pour comprendre l’impact de TIF1γet analyser ses effets en

modifiants les param`etres tels que la concentration de TIF1γ, de TGF-β ou encore de la

dur´ee d’exposition au TGF-β.

Dans une premi`ere partie, nous pr´esentons la voie de signalisation du TGF-βdite

cano-nique et d´ependante des prot´eines SMAD, et les principaux r´esultats issus de la litt´erature,

autour des relations entre TIF1γ et la signalisation TGF-β qui ont permis d’´etablir les

hypoth`eses de mod´elisations. Dans une seconde partie les r´esultats de notre approche sont

pr´esent´es sous forme d’article.

1.1 La signalisation du TGF-β

Le facteur de croissance transformant (TGF-β1) est une cytokine appartenant `a la

super-famille des facteurs morphog´en´etiques, regroupant les Bone Morphogenetic

Pro-teins (BMP), les Growth Differentiation Factors (GDF), les M¨ullerian Inhibiting

Sub-stance (MIS) et les Transforming Growth Factor (TGF-β1,2,3). Cette famille r´egule une

large gamme de processus biologiques tel que la prolif´eration et la diff´erentiation

cellu-laire, l’apoptose et la motilit´e. Par commodit´e nous utiliserons le terme g´en´erique TGF-β

pour parler du TGF-β1. Au sein des tissus, le TGF-β r´egule l’hom´eostasie cellulaire en

contrˆolant la prolif´eration et la mort cellulaire. Par contre dans des contextes

patholo-giques comme le cancer, le TGF-β se comporte comme un agent pro-tumoral, induisant la

prolif´eration et l’invasivit´e des cellules [94]. Cet effet pl´eiotropique est associ´e `a la diversit´e

de ses m´ecanismes de signalisation (Figure 1.1). Son rˆole anti- ou pro-tumoral suivant le

contexte `a la fois intra- et extracellulaire, lui a valu le surnom deJekyll and Hyde protein

[12].

1.1.1 La voie canonique de la signalisation TGF-β

En condition physiologique, le rˆole majeur du TGF-β est de bloquer la prolif´eration

cellulaire. Pour cela il induit un signal par l’interm´ediaire des prot´eines SMAD. Cette

voie,appel´ee voie canonique du TGF-β, est d´ecrite dans les paragraphes suivant et illustr´ee

par la Figure 1.1.

Activation des r´ecepteurs transmembranaires La signalisation du TGF-β est

ini-tialis´ee par la fixation du TGF-β `a son r´ecepteur de type II (TβRII). Les TβRII sont

organis´es en homodim`eres, constitutivement actifs. La fixation du TGF-β entraˆıne le

re-crutement des r´ecepteurs de type I (TβRI), et leur activation par transphosphorylation des

r´esidus s´erine/thr´eonine par l’activit´e kinase des TβRII. Le complexe actif des r´ecepteurs

aux TGF-β se pr´esente sous la forme d’un h´et´erot´etram`ere compos´e d’un dim`ere TβRII

de d’un dim`ere TβRI. En plus de ces r´ecepteurs directement impliqu´es dans la

signali-sation du TGF-β, d’autres r´ecepteurs peuvent r´eguler la signalisation TGF-β, tel que le

betaglycan (´egalement appel´e TβRIII) et l’endogline facilitant la pr´esentation du TGF-β

au TβRII. Le r´ecepteur I activ´e va ensuite recruter et phosphoryler les prot´eines SMAD.

Transduction du signal Les SMAD sont les messagers secondaire utilis´es pour

pro-pager le signal TGF-β. Cette famille de prot´eines comporte 8 membres, qui peuvent ˆetre

regroup´ees en trois cat´egories, sur des crit`eres fonctionnels et structuraux : les SMAD

activ´ees par les r´ecepteurs ou R-SMAD (SMAD1, 2, 3, 5 et 8), la Co-SMAD (SMAD4) et

les SMADS inhibitrices ou I-SMAD (SMAD7 et 8). La voie canonique du TGF-β de type

1 fait intervenir les SMAD 2, 3, 4 et 7 qui poss`edent toutes les quatre un domaine MH1

et un domaine MH2 reli´e par un linker. L’activation par phosphorylation en C-terminal

des SMAD2 et 3 par TβRII se fait au niveau du domaine MH2. Le domaine MH1 est

responsable de la fixation aux facteurs de transcription. Le linker est important pour les

processus de r´egulation, sa phophorylation par la voie MAPK pouvant induire

l’inhibi-tion de la voie TGF-β canonique [14]. Suite `a leur activation, les SMAD2 et 3 peuvent

former des complexes h´et´erodimerique avec SMAD4 et ces complexes actifs sont ensuite

transport´es dans le noyau.

Fig. 1.1: Repr´esentation sch´ematique de la voie canonique du TGF-β d’apr`es [109]. Le

b´etaglycan (RIII) facilit´e la pr´esentation du TGF-β avec le r´ecepteur de type 2 (RII). Le

r´ecepteur de type 1 (RI) est activ´e par transphosphorylation et phosphoryle ensuite les

R-SMAD sur leurs domaine MH2. Les R-SMAD activ´ees forment un complexe avec la

Co-SMAD, qui est ensuite transport´e vers le noyau et recrute de facteurs de transcription (TF)

et de co-activateurs pour induire l’expression des g`enes cibles. L’expression de I-SMAD

permet le r´etro-contrˆole n´egatif de la voie canonique, et la d´egradation des r´ecepteurs suite

au recrutement de l’ubiquitine ligase Smurf.

Recrutement de facteurs de transcription et r´egulation de g`enes cibles Pour

r´eguler l’expression des g`enes cibles du TGF-β, les complexes SMAD s’associent avec

diff´erents facteurs de transcription. Ainsi pour induire le blocage du cycle cellulaire, le

fac-teur de transcription SP1, peut ˆetre recrut´e pour activer la la trancription de la prot´eine

p21 (´egalement appel´ee CDKN1A) appartenant `a la famille desCyclin Dependant Kinase

Inhibitor [54, 101]. La voie canonique permet aussi la r´epression de c-Myc, l’empˆechant

ainsi d’inhiber p21 [54, 154]. Le transcription de SMAD7 est ´egalement activ´ees,

respon-sable d’un r´etrocontrˆole n´egatif en participant `a la d´egradation des r´ecepteurs activ´e, avec

l’aide de de la prot´eine Smurf2.

1.1.2 Voies dites ”non SMAD” de la signalisation TGF-β

La pl´eiotropie des effets du TGF-βrepose notamment sur la diversit´e de ses m´ecanismes

de signalisation non canonique. Les r´ecepteurs du TGF-βsont en mesure d’activer d’autres

prot´eines que les SMAD, entraˆınant des effets diff´erents. Ces voies sont regroup´ees sous

le terme de voies non-SMAD parmi lesquelles : (i) les voies des MAP Kinases (p38, JNK,

ERK), (ii) les voies des Rho-like GTPase et (iii) la voie PI3K.

Ces voies non-SMAD ne sont pas totalement ind´ependantes de la voie SMAD et il

existe des r´egulations entre toutes ces voies. Ainsi les SMAD peuvent ˆetre phosphoryl´ees

au niveau du linker par la voie MAPK [81], ce qui supprime l’activit´e des SMAD et

empˆeche leur r´etention dans le noyau. La pl´eiotropie des effets du TGF-β en conditions

physiologiques et pathologiques (Figure 1.2) s’explique par la complexit´e de ces voies

SMAD et non SMAD et est d´etaill´ee dans de r´ecentes revues [109, 82, 95].

Dans le document Modélisation dynamique de la signalisation cellulaire : aspects différentiels et discrets; application à la signalisation du facteur de croissance TGF-beta dans le cancer (Page 69-77)