Structure, dynamique et robustessedes réseaux de régulation

transcriptionnelle

Bernard Vandenbunder

Réunion satellite JOBIM 9 Juillet 2005Des mesures aux modèles et des modèles aux mesures

Stimuli extérieurs

Voies de signalisation

Facteurs de transcription

Gènes

Protéines

ARNm

1 2

un modèle simple

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

Identifying regulatory networks by combinatorial analysis of promoter elements Pilpel, Y., Sudarsanam, P., and Church, G. M. (2001) Nat Genet 29, 153-9. .

Transcriptional regulatory networks in Saccharomyces cerevisiae Lee … and RA Young (2002), Science 298, 799-804.

From David D Goodsell, http://www.scripps.edu/pub/goodsell/illustration/public/

Les réseaux de régulation transcriptionnelle dans un environnement non idéalisé …

Peptidoglycan

Ribosome

DNA

mRNA

Proteins

The structure of histone-depleted metaphase chromosomes Paulson, J.R. and Laemmli, U.K.Cell, 12, 817-28, 1977

Number Genome Size of the object Compaction of genes size Size of DNA

E Coli 4300 4,6 Mbases 2m / 3 mm 1500 S Cerevisiae 6000 12 M bases 2m / 8 mm 4000 H Sapiens 25.000 3.300 M Bases 10m / 2 m 20.000

From Alberts et al.Molecular Biology of the CellThird Edition. Chapter 8, fig. 8.24

http://www.mol.biol.ethz.ch/groups/richmond/projects/nucleosome

110 Å

50 Å

Multisubunit RNA polymerases. Cramer P (2002) Curr Opin Struct Biol. 12:89-97

110 Å

RNA polymerase II takes 30 seconds to one minute to transcribe a 1 kilobase long gene

Quelques ordres de grandeur

102 to 103 bp : 400 genes103 to 104 bp : 6000 genes, 1 à 10 minutes104 to 105 bp : 12.200 genes 10 à 100 min 105 to 106 bp : 3200 genes106 to 2.4 106 bp : 62 genes 16 à 24 h

Nombre de transcrits par gène : 0,1 à 106.

Longueur des gènesH. Sapiens

E. Coli H. SapiensNombre de gènes 3.200 25.000

Nombre de facteurs de transcription 150 2.000

jusque 106 mRNA globine dans les cellules érythroïdes

15.000 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

H1

Transcription factoractivator

Co-activators HAT

Chromatin remodelling complexes

SWI/SNF

H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1H1

l’initiation de la transcription

H1

HAT

Chromatin remodelling complexes

SWI/SNF

H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1 H1

Transcription Factorinhibitor

HDAC

H1 H1

Co-activators

NTD

CTD

D’après Sakamuro & Prendergast,Oncogene (1999), 18, 2949-54

TRRAP

Bin1

p107

Tub

AP2

TFII-I

Miz1BRCA1

Max

YY1

TIP48

TIP49

actin

BAF53

Max Mad

mSin3

Myc

ProliférationTransformation

HDACs

From Shang et al., 2000Cofactor dynamics and sufficiency in estrogen receptor regulated transcriptionCell, 103, 843-852

ChIp

Amplification

DNA extraction

Lysis, sonication and immunoprecipitation

Fixation

ReChIp

1st Immunoprecipitation

2d Immunoprecipitation

, ou et ?

Amplification

DNA extraction

From Métivier et al., 2000Estrogen receptor – a directs ordered, cyclical and combinatorial recruitment of cofactors on a natural target promoter. Cell, 115, 751-63

Alternative recruitments, alternative cycles

Existence of a transcriptional clock

Recruitment of co-activators and co-inhibitors

Receptor degradation between each cycle

… après l’initiation de la transcription …

Precision and functional specificity in mRNA decay, Wang, Y et al. (2002). Proc Natl Acad Sci U S A 99, 5860-5 .

Global analysis of stress-regulated mRNA turnover by using cDNA arrays, Fan, J. et al. (2002). Proc Natl Acad Sci U S A 99, 10611-6.

Facteurs de transcription

Gènes

Protéines

ARNmSynthèse

Dégradation

… régulation de la stabilité des ARNs messagers …

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

… régulation par les petits ARNs messagers …

… régulation par les petits ARNs messagers …

From Gottesman, S. (2002). Stealth regulation: biological circuits with small RNA switches, Genes Dev 16, 2829-42.

Structure, dynamique et robustessedes réseaux de régulation

transcriptionnelle

Réunion satellite JOBIM 9 Juillet 2005Des mesures aux modèles et des modèles aux mesures

Modeling the molecular regulatory mechanism of circadian rhythms in DrosophilaLeloup & Goldbeter, BioEssays. 2000, 22; 84-93

"The Circadian Clock That Controls Gene Expression in Arabidopsis Is Tissue Specific.“ Thain, S. C., G. Murtas, et al. (2002). Plant Physiol. 130(1): 102-110.

A serum shock induces circadian gene expression in mammalian tissue culture cells.Balsalobre A, Damiola F, Schibler U. Cell. 1998 93:929-37.

Input OutputClockZeitgeber

The network of time: understanding the molecular circadian system. Roenneberg T and Merrow M Current Biol., 13, R196-204

The IkappaB-NF-kappaB signaling module: temporal control and selective gene activation, Hoffmann …and D. Baltimore. (2002). Science 298, 1241-5.

Oscillations in NF-kB signaling control the dynamics of gene expression, Nelson DE …and MRH White. (2004). Science 306, 704-8.

Structure, dynamique et robustessedes réseaux de régulation

transcriptionnelle

Réunion satellite JOBIM 9 Juillet 2005Des mesures aux modèles et des modèles aux mesures

0 0.5 2 4 8 24 h

ETS1

uPA

Collagenase

PAI-1

GAPDH

SF

from http://www.medicine.man.ac.uk/esrg/jdavis.htm

Gene expression regulation: ”a noisy business”

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

Transcription occurs in pulses in muscle fibersNewlands et al., Genes & Dev. 1998, 12:2748-58

Expression de la gal sous le contrôle du promoteur du gène codant Tn1

adulteflexor digitorum brevis

embryon E 16.5quadriceps

embryon E 16.5tibialis anterior

from Becskei & Serrano., Nature. 2000, 405; 590-3Engineering stability in gene networks by autoregulation

Fractal dynamics in physiology: Alterations with disease and agingAry L. Goldberger et al. PNAS. 2002 99: 2466–2472

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

Biology

BiochemistryChemistry

Physics

MathematicsTheoretical/StatisticalPhysics

Bioinformatics

Physics

Chemistry

Biology

Micro/nanotechnologies

Imaging Modelling

Manipulating

- The focus on formation

- The integration of new teams

- The conception of a new building

A strategy of development

Ecole thématique Interdisciplinaire

« Microscopie Fonctionnelle en Biologie »

Ile d’Oléron, 12/17 septembre 2004

Noise and robustness in transcriptional regulatory networks

September 3/7 2005

Interdisciplinary workshop

http://www.ibl.fr/noisitransnet/

Structuration des surfaces de silicium fonctionnalisées, applications à la biologie Rabah Boukherroub (IRI@IEMN)

Modélisation et simulation des nanosystèmes biologiques Ralf Blossey (IRI@IEMN),

Systems Epigenomics, Arndt Benecke (IRI@IHES&IBL)

Approche protéomique et fonctionnelle du remodelage de la chromatine Pierre Olivier Angrand (IRI@IBL*)

Equipe “Physique expérimentale”, Didier Stievenard (IEMN)

Institut d’Électronique, de Microélectroniqueet de Nanotechnologie

Laboratoire d’Informatique Fondamentale de Lille

Laboratoire de physique des lasersAtomes et molécules

Institut de Biologie de Lille Génopole de Lille

Équipe « analyse de séquences régulatrices et réseaux de régulation

transcriptionnelle »

Institut de Recherches Interdisciplinaires

Algèbre, Géométrie, Analyse, Topologie

Laboratoire de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle

Architect : Gilles Bouchez

BET GEC Ingénierie

2000 square meters110 researchers, technical and administrative staff

completion : July 2007

http://iri.ibl.fr