Au sens commun du terme, un réseau est un ensemble d’éléments qui sont reliés les uns aux autres.
Cette notion d’interconnexion entre éléments est aussi valable en biologie : un réseau biologique représente un ensemble d’entités biologiques qui in- teragissent entre elles. La nature des entités et des interaction va dépendre du type de réseau biologique considéré. Dans cette section, je présente les notions de réseau métabolique et de réseau de régulation génétique. Pour donner une vision plus globale de la notion de réseau biologique, j’aborderai rapidement deux autres types de réseaux fréquemment étudiés : les réseaux de signalisation et les réseaux d’interaction protéines-protéines.
1.5.1. Réseau métabolique
Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent au sein d’un être vivant. On parle de métabolisme + substantif lorsque l’on fait référence à une portion particulière du métabolisme, par exemple le métabolisme des lipides qui se réfère aux réactions impliquées dans la synthèse des lipides.
Un réseau métabolique regroupe l’ensemble des réactions chimiques impli- quées dans un métabolisme, ainsi que les entités biologiques mises en jeu lors de ces réactions (figure 1.15).
On peut distinguer deux catégories d’entités, en fonction du rôle qu’elles jouent dans les réactions chimiques : les catalyseurs de réactions, et les mo- lécules consommées et produites par les réactions. Les catalyseurs sont les
Figure 1.15. – Représentation d’un réseau métabolique.
1.5. Notion de réseaux biologiques
entités biologiques qui possèdent une activité enzymatique, les enzymes. Les enzymes sont majoritairement des protéines, mais d’autres entités telles que des arn non-codants et des complexes biologiques peuvent aussi catalyser des réactions. Les molécules consommées et produites sont majoritairement des métabolites, même si d’autres entités comme les protéines ou les arn peuvent aussi être transformées par des réactions chimiques.
Les métabolites transportés par les processus de transport sont souvent les substrats et les produits des réactions chimiques. En conséquence, bien qu’un phénomène de transport ne soit pas à proprement parler une réaction chimique, les processus de transport et les entités qui y sont mobilisées sont souvent pris en compte dans les réseaux métaboliques.
La notion « étendue » d’un réseau métabolique correspond donc à : (i ) un ensemble de processus de transport et de réactions chimiques, (ii ) l’en- semble des métabolites et autres entités transportées et transformées par ces processus, et (iii ) l’ensemble des entités qui permettent la réalisation de ces processus.
1.5.2. Réseau de régulation génétique
Mot à mot, un réseau de régulation est un ensemble d’entités qui sont liées entre elles par des relations de régulation. Comme nous l’avons vu, les phénomènes de régulations sont omniprésents dans la cellule : ils peuvent concerner presque tous les types d’entités, et ils utilisent une grande diver- sité de mécanismes.
Un réseau de régulation génétique, aussi appelé réseau de régulation trans- criptionnelle, est un réseau de régulation qui se limite aux phénomènes de régulations de l’expression des gènes, et aux entités qui sont impliquées dans ces régulations (figure 1.16, page suivante).
La régulation de l’expression des gènes peut se faire à trois niveaux : au niveau de la transcription (régulations transcriptionnelles), au niveau de l’arn transcrit (régulations post-transcriptionnelles), et au niveau de la traduction (régulation traductionnelle). En général, les régulations post- traductionnelles ne sont pas considérées dans les réseaux de régulation gé- nétique.
Les entités considérées dans les réseaux de régulation génétique sont les gènes (ou les unités de transcription), les arn et les protéines. Les arn et les
1. Entités et réseaux biologiques
Figure 1.16. – Représentation d’un réseau de régulation génétique.
protéines sont à la fois les acteurs et les cibles (indirectes) des régulations. Par exemple, si l’on considère un gène x qui code une protéine X, et un régulateur Y capable de réprimer le gène x : la présence du répresseur Y va réprimer l’expression du gène x, et la diminution de l’expression du gène x va entrainer une baisse de la concentration en protéine X. On peut donc considérer que le régulateur Y — l’acteur — régule indirectement la concentration de la protéine X — la cible.
La régulation de l’expression des gènes peut aussi faire intervenir des méta- bolites. La formation d’un complexe entre le régulateur Y et un métabolite peut, par exemple, rendre inactif le régulateur Y et l’empêcher de réprimer l’expression du gène x. Le fait que certains métabolites peuvent avoir un impact sur les régulations génétiques sera abordé plus en détail dans la seconde partie «Modélisation simultanée des réseaux métaboliques et de régulation génétique, revue» (p. 50).
1.5.3. Autres réseaux biologiques
Mis à part les réseaux métaboliques et les réseaux de régulation génétique, deux autres types de réseaux biologiques sont souvent étudiés : les réseaux d’interaction protéines-protéines et les réseaux de signalisation.
1.5. Notion de réseaux biologiques
Un réseau d’interaction protéines-protéines représente un ensemble de pro- téines qui interagissent entre elles par des liens physiques. Ce réseau peut être représenté par un graphe où les nœuds sont les protéines, et les arrêtes indiquent l’existence des liens physiques (figure 1.17, partie a).
Un réseau de signalisation correspond à un ensemble d’entités biologiques qui se transmettent un signal informatif. La signalisation cellulaire fait gé- néralement intervenir des protéines qui sont transformées en cascade par des réactions chimiques telles que des phosphorylations. Dans un graphe d’un réseau de signalisation, les nœuds sont les entités biologiques trans- formées, et les arrêtes représentent la transmission de l’information (figure
1.17, partie b).
Figure 1.17. – a) Représentation d’un réseau d’interaction protéine-protéine et b) d’un réseau de signalisation.
Chapitre 2
Concept de modèle, usage en biologie
Dans le chapitre précédent, nous avons vu que de nombreuses molécules participent au fonctionnement des cellules. Au fur et à mesure des travaux scientifiques, les connaissances ont été accumulées sur les rôles et les méca- nismes d’action de ces molécules. Aujourd’hui, la quantité de connaissances est telle que l’emploi de modèles formels — modèles basés sur les mathéma- tiques et l’informatique — est nécessaire pour appréhender la complexité des cellules et de leur fonctionnement.
Dans ce chapitre, je vais en premier lieu parler de la notion de modèle formel, et de son usage en biologie. Le travail de modélisation nécessite une étape préalable de questionnement afin de définir les objectifs du modèle. Je discuterai de cette étape préliminaire et de ses enjeux dans une deuxième section.