Dissertationen zum Thema „Structure 3D du génome“

La structure de l'ADN, des chromosomes et l'organisation du génome sont des sujets fascinants du monde de la biologie. La plupart de la recherche s'est concentrée sur la structure unidimensionnelle du génome, étudiant comment les gènes et les chromosomes sont organisés, et le lien entre l'organisation unidimensionnelle et la régulation des gènes, l'épissage, la méthylation… Cependant, le génome est avant tout organisé dans un espace euclidien tridimensionnel, et cette structure 3D, bien que moins étudiée, joue elle aussi un rôle important dans la fonction génomique de la cellule. La capture de la conformation des chromosomes (3C) et les méthodes qui en sont dérivées, associées au séquençage à haut débit (NGS) mesurent désormais en une seule expérience des interactions physiques entre paire de loci sur tout le génome, permettant ainsi aux chercheurs de découvrir les secrets de l'organisation des génomes. Ces nouvelles technologies ouvrent la voie à des études systématiques et globales sur le repliement de l'ADN dans le noyau. Cependant, ces nouvelles méthodes 3C, comme toute nouvelle technologie, sont accompagnées de nombreux défis computationnels et théoriques. Le premier chapitre est dédié au développement d'une méthode robuste et précise pour inférer un modèle tridimensionnel à partir de données Hi-C. Notre méthode modélise les fréquences d'interaction comme une distribution de Poisson dont l'intensité est une fonction de la distance euclidienne entre paires de loci : nous formulons ainsi l'inférence de la structure 3D comme un problème de maximum de vraisemblance. Nous montrons que notre méthode infère des modèles plus robustes et plus stables selon les données et les résolutions de celles-ci. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de l'architecture du P. falciparum, un petit parasite responsable de la forme la plus virulente et mortelle de la malaria. Ce projet, dont l'objectif était avant tout de répondre à une question biologique, cherchait à comprendre comment l'architecture 3D du génome du P. falciparum est liée à l'expression et la régulation des gènes à différent moments du cycle cellulaire du parasite. En collaboration avec les équipes de K. Le Roch et de W. Noble, spécialisées respectivement dans l'étude du P. falciparum, et dans le développement de méthode computationnelle pour étudier, entre autre, la structure 3D du génome, nous avons construit des modèles de l'organisation du génome à trois moments du cycle cellulaire du parasite. Ceux-ci révèlent que le génome est replié dans le noyau dans une structure complexe, où de nombreux éléments génomiques colocalisent : centromères, télomères… Cette architecture indique une forte association entre l'organisation spatiale du génome et l'expression des gènes. Le dernier chapitre répond à une question très différente, mais aussi liée à l'étude des données 3C. Celles-ci, initialement développées pour étudier la structure tridimensionnelle du génome, ont été récemment utilisées pour des applications très diverses : l'assemblage de génomes de novo, la déconvolution d'échantillons métagénomiques et l'annotation de génomes. Nous décrivons dans ce chapitre une nouvelle méthode, Centurion, qui infère conjointement la position de tous les centromères d'un organisme, en utilisant la propriété qu'ont les centromères à colocaliser dans le noyau. Cette méthode est donc une alternative aux méthodes de détection de centromères classiques, qui, malgré des années de recherche et un enjeu économique certain, n'ont pu identifier la position des centromères dans un certain nombre d'espèces de levure
The structure of DNA, chromosomes and genome organization is a topic that has fascinated the field of biology for many years. Most research focused on the one-dimensional structure of the genome, studying the linear organizations of genes and genomes and their link with gene expression and regulation, splicing, DNA methylation… Yet, spatial and temporal three-dimensional genome architecture is also thought to play an important role in many genomic functions. Chromosome conformation capture (3C) based methods, coupled with next generation sequencing (NGS), allow the measurement, in a single experiment, of genome wide physical interactions between pairs of loci, thus enabling to unravel the secrets behind 3D organization of genomes. These new technologies have paved the way towards a systematic and genome wide analysis of how DNA folds into the nucleus and opened new avenues to understanding many biological processes, such as gene regulation, DNA replication and repair, somatic copy number alterations and epigenetic changes. Yet, 3C technologies, as any new biotechnology, now poses important computational and theoretical challenges for which mathematically well grounded methods need to be developped. The first chapter is dedicated to developping a robust and accurate method to infer a 3D model of the genome from Hi-C data. Previous methods often formulated the inference as an optimization problem akin to multidimensional scaling (MDS) based on an ad hoc conversion of contact counts into euclidean wish distances. Chromosomes are modeled with a beads-on-a-string model, and the methods attempt to place the beads in a 3D euclidean space to fullfill a number of, often non convex, constraints and such that the pairwise distances between beads are as close as possible to the corresponding wish distances. These approaches rely on dubious hypotheses to convert contact counts into wish distances, challenging the accuracy of the final 3D model. Another limitation is the MDS formulation which is only intuitively motivated, and not grounded on a clear statistical model. To alleviate these problems, our method models contact counts as a Poisson distribution where the intensity is a decreasing function of the spatial distance between elements interacting. We then formulate the 3D structure inference as a maximum likelihood problem. We demonstrate that our method infers robust and stable models across resolutions and datasets. The second chapter focuses on the genome architecture of the P. falciparum, a small parasite responsible for the deadliest and most virulent form of human malaria. This project was biologically driven and aimed at understanding whether and how the 3D structure of the genome related to gene expression and regulation at different time points in the complex life cycle of the parasite. In collaboration with the Le Roch lab and the Noble lab, we built 3D models of the genome at three time points which resulted in a complex genome architecture indicative of a strong association between the spatial genome and gene expression. The last chapter tackles a very different question, also based on 3C-based data. Initially developped to probe the 3D architecture of the chromosomes, Hi-C and related techniques have recently been re-purposed for diverse applications: de novo genome assembly, deconvolution of metagenomic samples and genome annotations. We describe in this chapter a novel method, Centurion, that jointly infers the locations of all centromeres in a single yeast genome from Hi-C data, using the centromeres' tendency to strongly colocalize in the nucleus. Indeed, centromeres are essential for proper chromosome segregation, yet, despite extensive research, centromere locations are unknown for many yeast species. We demonstrate the robustness of our approach on datasets with low and high coverage on well annotated organisms. We then predict centromere coordinates for 6 yeast species that currently lack those annotations

Dans le domaine du génie parasismique, l’Interaction du Sol avec la Structure (ISS) est un phénomène important à considérer pour espérer rendre compte du comportement réel d’une structure et donc évaluer sa vulnérabilité. Ce travail présente la construction d’un élément d’interface 3D modélisant une fondation superficielle de forme circulaire, rectangulaire ou filante reposant sur un massif de sol semi infini et permettant de prendre en compte l’ISS en considérant les non-linéarités matérielles (la plasticité du sol) et les non-linéarités géométriques (le décollement de la fondation). Basé sur la méthode des macro-éléments, cet élément permet de travailler en variables globales (forces et déplacements) et comporte 5 degrés de libertés. Tous les éléments du torseur d’effort appliqués à la fondation sont présents excepté le moment de torsion qui n’est pas pris en compte. Cette description globale permet ainsi de simplifier le modèle en minimisant d’une part la préparation des données et du maillage et d’autre part les temps de calculs. Les nonlinéarités sont traitées grâce aux théories classiques de plasticité et peuvent ainsi être couplées de manière simple selon la théorie des multi-mécanismes. Une description mathématique de chaque mécanisme est proposée. Le macro-élément est implémenté dans FedeasLab, un code élément finis développé dans Matlab. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux d’une fondation soumise à des chargements cycliques, ainsi que dynamiques mais aussi des simulations modélisant des ouvrages d’arts (bâtiment, pont. . . ) montrent le bon fonctionnement du macro-élément 3D d’ISS. Enfin, l’efficacité et la robustesse de ce genre d’outils permettent de faire des analyses paramétriques faisant évoluer plusieurs paramètres de sols qui seront présentées à l’issue de cette thèse
In structural engineering, Soil-Structure Interaction (SSI) is an important phenomenon that has to be taken into account. This paper presents a 3D non linear interface element able to compute SSI for rigid circular, rectangular or strip shape footings considering two types of non-linearties. A material non-linearity (plasticity of the soil) and a geometrical non-linearity (uplift mechanism). Several approaches exist to take this phenomenon into account: the following work is based on the "macro-element" concept. The particularity of the macro-element lies in the fact that the movement of the foundation is entirely described by a system of generalised variables (forces and displacements) defined in the foundation centre with five degrees of freedom. Torque moment is not taken into account. The non linear behaviour of the soil and the uplift mechanism are reproduced using the classical theory of plasticity. Coupling of the different mechanisms is straight forward following the multi-mechanism theory. The element is able to simulate the 3D behaviour of a rigid shallow foundation under static and dynamic loadings. It is implemented into FedeasLab, a finite element Matlab toolbox. Comparisons with experimental results on foundations but also civil engineering structures (buildings and bridges. . . ) under monotonic, cyclic and dynamic loadings show the good performance of the approach. The efficiency of this new tool allows us doing further parametrical studies for different soils that are presented at the end of this document

Les génomes des mammifères adoptent une organisation 3D fonctionnelle où les interactions entre les enhancers et les promoteurs des gènes sont contenues à l'intérieur de domaines d'association topologique (TADs). La protéine insulatrice CTCF a deux rôles dans ce processus : sa liaison aux promoteurs permettant la formation de boucles enhancers-promoteurs (structure intra-TAD) et sa liaison aux frontières des TADs empêchant la formation de boucles ectopiques entre domaines voisins. Surtout, les perturbations de la liaison de la protéine CTCF à des sites particuliers dans des cellules cancéreuses peuvent être dues à des changements de séquences d'ADN (mutations) ou à des changements de méthylation de l'ADN (épi-mutations). Nous avons d'abord réalisé des expériences calibrées de CTCF ChIP-seq et avons trouvé qu'un grand nombre de sites ont une liaison différente de CTCF, avec une grande fraction de sites différemment liés étant partagés parmi les lignées cancéreuses. Ces changements de liaison de CTCF peuvent être des gains ou des pertes de liaison et sont souvent situés près de gènes associés à la transformation cancéreuse. Nous avons trouvé une remarquable corrélation entre les changements de liaison de CTCF et les changements d'enrichissement de la marque H3K27ac, indiquant un lien entre la liaison de CTCF et l'activité d'éléments cis-régulateurs (CREs). Grâce à des expériences de Hi-C à haute résolution, nous avons évalué l'impact de ces changements de liaison de CTCF sur la structure de la chromatine, caractérisant une réorganisation considérable de la structure 3D du génome à des loci de gènes qui contiennent des pics CTCF perturbés. De manière inattendue, nous trouvons les exemples les plus drastiques de réorganisation à l'intérieur des TADs, au niveau des boucles enhancers-promoteurs. Ensuite, nous avons identifié les changements de méthylation de l'ADN comme la cause de la dérégulation de la liaison de CTCF dans notre modèle. En utilisant un agent retirant la méthylation de l'ADN sur l'ensemble du génome, nous avons réussi à partiellement inverser des changements de liaison de CTCF que nous avons observés et les changements d'expression induits. Ainsi, notre étude identifie une réorganisation invasive de la liaison de CTCF et des structures intra-TADs, induite par la méthylation de l'ADN. Ces épi-mutations récurrentes peuvent expliquer les mécanismes de dérégulation commune des gènes dans les cancers
Mammalian genomes adopt a functional 3D organization where enhancer-promoter interactions are constrained within Topologically Associating Domains (TADs). The CTCF insulator protein has a dual role in this process, with binding at promoters resulting in the formation of enhancer-promoter loops (intra-TAD structure) and binding at TAD boundaries preventing the formation of inappropriate loops between neighboring domains. Importantly, perturbations of CTCF binding at specific sites in cancer cells can be caused by both changes to the DNA sequence (mutations) or DNA methylation changes (epi-mutations). We first performed precisely-calibrated CTCF ChIP-seq experiments and found that a large number of sites are differentially bound, with a substantial fraction of differential CTCF binding peaks shared among cancer cell lines. Differential CTCF peaks can both be gained and lost and are often localized close to genes associated with breast cancer transformation. We found a striking correlation between CTCF binding changes and H3K27ac changes indicating a link between CTCF binding and the activity of cis-regulatory elements (CREs). Using high-resolution Hi-C, we assessed the impact of differential CTCF binding on chromatin structure, characterizing considerable 3D genome reorganization at gene loci with perturbed CTCF peaks. Unexpectedly, we find the most drastic examples of reorganization within TADs, at the level of enhancer-promoter loops. Then, we identified DNA methylation changes as the upstream cause of CTCF binding deregulation in our breast cancer model. Using genome-wide hypomethylating agent, we were able to partially reverse observed CTCF binding changes and the gene expression changes they induced. Our work thus identifies a pervasive DNA-methylation-guided reorganization of CTCF binding and intra-TAD structure. Such recurrent patterns of epi-mutations can provide a mechanistic explanation for shared gene deregulation in cancers

Les structures en enrochements sont parmi les ouvrages les plus usuels de génie civil (barrages, murs de soutènement,. . . ). Des tassements importants peuvent apparaître tout au long de leur durée de vie et sont principalement dus à la rupture des blocs rocheux. Cette thèse propose un modèle numérique permettant de simuler le comportement de matériaux granulaires présentant des ruptures de grains. Afin de prendre en compte la nature discontinue de ces milieux, la méthode des éléments discrets est utilisée. La modélisation adoptée est de type "Non-Smooth Contact Dynamics", où les grains et particules sont supposés rigides. Afin de générer des blocs ayant des formes complexes, un modèle de grain 3D est proposé. Ce modèle de grain est ensuite discrétisé en sous-éléments de forme tétraédrique liés par des liaisons cohésives afin de pouvoir représenter la rupture. Un critère de rupture de Mohr-Coulomb est utilisé. Le modèle est implémenté sur la plateforme logicielle LMGC90. Le modèle est d’abord éprouvé lors de simulations d’écrasement de blocs cassables entre deux plaques. Plusieurs paramètres contrôlant la résistance du grain sont étudiés : cohésion intergranulaire, taille, discrétisation, forme et orientation du grain. L’effet d’échelle observé sur ce type de matériau est vérifié. Le modèle est ensuite testé lors de simulations numériques de compression œdométrique d’enrochements. L’effet des paramètres du modèle et de l’assemblage du milieu granulaire est également étudié. Les simulations œdométriques sont confrontées à des résultats expérimentaux et présentent une bonne concordance. Enfin, des expérimentations numériques sont menées afin d’étudier les énergies mises en jeu dans ces essais. L’énergie de création de surface est estimée pour ce type de matériau. Les résultats sont proches des données de la littérature
Rockfill structures are very popular among civil engineering structures (dams, retaining walls, . . . ). Important settlements can take place during the lifetime of these structures, settlements mainly caused by the breakage of rockfill grains. This thesis proposes a numerical model that allows the simulation of the behavior of granular materials exhibiting grain breakage. To take into account the discrete nature of these media, the discrete element method is chosen. The adopted strategy is the Non-Smooth Contact Dynamics method, where grains are considered to be rigid. To generate blocks having complex shapes, a 3D grain model is suggested. This grain model is then discretized into tetrahedral subgrains, joined together using cohesive bonds so that breakage can be simulated. A Mohr-Coulomb failure criterion is used for the cohesive bonds. The model is implemented into the LMGC90 software platform. At first, the model is tested in single grain crushing simulations between two plates. Multiple parameters controling the strength of the grain are studied : the intra-granular cohesion, the size, the discretization and the orientation of the grain. The scale effect that characterizes this type of material is verified. Then the model is tested in numerical simulations of œdometric compression of rockfill. The influence of the parameters of the model and of those of the granular medium are studied. The results of œdometric simulations are compared to experimental results, and present a good agreement. Lastly, numerical experimentations are conducted in order to study the energies that are brought into play in the simulations. The surface creation energy is estimated for this type of material. Results are close to the data provided in the literature

Le paludisme est l’une des maladies infectieuses les plus répandues à travers le monde. En 2018, cette parasitose fut responsable de 405 000 morts. RTS, S/A01, le seul vaccin testé à grande échelle, ne remplit pas à ce jour tous les critères d’efficacité exigés. Plasmodium falciparum (Pf), l’espèce responsable de la plus forte mortalité, a développé des résistances contre quasi tout l’arsenal thérapeutique. Il est crucial d’approfondir nos connaissances sur la biologie de ce parasite, en vue de découvrir de nouveaux médicaments. Chez Pf, de nombreuses études ont montré que les kinases et les phosphatases jouent un rôle crucial pour la survie du parasite. L’étude du kinome a permis de mettre en lumière que cibler les kinases pouvait représenter une stratégie intéressante dans le traitement de la maladie. Toutefois, les phosphatases de Pf restent peu étudiées. Des analyses comparatives des séquences en acides aminés, réalisées chez P. berghei (Pb), espèce spécifique des rongeurs, ont révélé que 6 d’entre elles sont spécifiques du genre Plasmodium. Parmi ces phosphatases, la métallophosphatase 9 (PPM9) une sérine thréonine phosphatase spécifique de Plasmodium, semble être essentielle dans le développement des stades érythrocytaires du parasite. Le gène a également été identifié comme étant essentiel chez Pf, grâce à une méthode de mutagénèse saturante à haut débit. Notre projet a pour objectif la caractérisation moléculaire et fonctionnelle de PPM9 et la validation de cette phosphatase spécifique de Plasmodium, en tant que nouvelle cible potentielle pour le paludisme. Le gène a été cloné, annoté, exprimé sous forme de protéine recombinante et sa fonction phosphatase caractérisée. L’activité enzymatique de PfPPM9 recombinante a été standardisée au sein du test au Malachite Green et nous avons montré qu’elle était dépendante de l’ion manganèse. La caractérisation fonctionnelle, a été explorée via la construction de lignées knock-out conditionnelles mais également des lignées parasitaires knock-in pour suivre leur trafic tout au long du cycle de vie (chez Pf et Pb). Nous avons en effet montré une localisation principalement cytoplasmique de PPM9 et suggéré un export possible dans le cytoplasme de l’hématie. Par ailleurs, parmi ces études de génétique inverse, nous avons notamment employé la technologie CRISPR-Cas9 facilitant l’utilisation de la Cre recombinase dimérisable (diCre) qui permet d’exciser une séquence d’ADN flanquée par des sites loxP, après activation de la rapamycine. Enfin, nous avons déterminé une structure 3D putative de PfPPM9 par homologie comparative afin d’identifier in silico des inhibiteurs spécifiques de son site actif. Un criblage virtuel a ainsi été réalisé avec la database ZINC15 et celle de L’ICPAL sur notre structure 3D. Environ 80 composés ont été testés pour leur activité antipaludique in vitro. Trois hits ont été mis en évidence : M19, M51 et M74. M19 possède une concentration inhibant 50% de la croissance parasitaire (CI50) de 3,87 μM +/- 0,25 et une structure originale jamais encore décrite comme composé antipaludique. De plus, via des études en RMN (Waterlogsy et CPMG), nous avons montré une interaction spécifique de ces hits avec PfPPM9. En perspective, l’intéractome de PPM9 devrait permettre de déterminer ses partenaires/cibles protéiques chez le parasite. En conclusion, ce projet nous conduira à une meilleure compréhension du rôle de PPM9 dans le développement du parasite et la découverte de nouvelles molécules antipaludiques
Malaria today is one of the wide spread infectious diseases in the world. In 2018, 405 000 malaria deaths have been reported. RTS, S/A01 the only vaccine tested on a large scale does not fulfil its promises with a lack of efficiency. Plasmodium falciparum (Pf), the deadliest agent of malaria, has developed resistances to almost all chemotherapeutics. It is necessary to understand the biology of this parasite in order to develop new drugs. In Pf, extensive research has now been started to study the Pf kinome and to examine whether targeting kinases could represent an effective mean for the treatment of the infection, the study of its phosphatome is still under-investigated. Amino acid sequence comparative analyses of Plasmodium berghei (Pb), a rodent malaria species, revealed that 6 are Plasmodium specific. Among these phosphatases, the metalloprotein phosphatase 9 (PPM9), a Plasmodium specific serine/threonine phosphatase, was also suggested to be essential for blood stage parasites development. Besides in a high-throughput saturation mutagenesis method in Pf, PPM9 gene was also identified essential. The present project is focused on the molecular and functional characterization of the PPM9 and on the validation of this specific phosphatase as a new potential target for malaria. The gene has been cloned, annotated and expressed as a recombinant protein and its phosphatase function has been characterized. The enzymatic activity of PfPPM9 recombinant protein has been standardised using a malachite green phosphate assay kit and this activity is manganese dependant. Functional characterization was explored by conditional gene knock-out studies as well as by generating knock-in parasite lines to follow their trafficking during the parasite lifecycle (in Pf and Pb). PfPPM9 seems to be mainly localised in the parasite cytoplasm and could be exported in the cytoplasm of red blood cell. Among these studies, we employ CRISPR-Cas9 in Pf to facilitate use of the dimerisable Cre-recombinase (diCre) that is used to mediate the excision and loss of loxP-flanked DNA sequences in a rapamycin-controlled manner. Finally, we solved in silico the 3D structure of PfPPM9 by homology modelling and identified a new set of potential specific inhibitors. We screened in silico ZINC15 database and ICPAL base on the 3D structure. We have tested around 80 compounds for their anti-plasmodial in vitro activity. We have highlighted 3 hits: M19, M51 and M74. M19 has a half maximal inhibitory concentration (IC50) of 3,87 μM +/- 0,25 and a unique scaffold as antimalarial compound. Besides, via NMR studies (Waterlogsy and CPMG), we have shown a specific interaction between these hits and PfPPM9. As a perspective, PPM9 interactome will be carried out to determine its target/partner proteins in the parasite. In conclusion, this study will lead to a deeper understanding of the role of PPM9 in the parasite development and the discovery of new antimalarial compounds

Manipuler génétiquement ou physiquement des cellules présente un très grand intérêt pour l'ingénierie tissulaire mais soulève encore de nombreux challenges. Les technologies actuelles pour la fabrication de tissus, comme l'assemblage de micro-gels, le remplissage de matrice 3D, le modelage ou l'impression biocompatible sont limités dans leur capacité à organiser spatialement des cellules, souffrent d'un temps de manipulation conséquent, d'effets secondaires potentiellement cytotoxiques et d'une grande complexité de mise en œuvre, empêchant leur utilisation à grande échelle. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse à développer des techniques biocompatibles, faciles à implémenter, rapides et facilement transférables dans des laboratoires de biologie. Nous les avons orientées vers deux applications stimulantes car en grand essor et pour lesquelles les techniques actuelles ne permettent pas encore une utilisation grande échelle : la réparation osseuse et l'ingénierie tissulaire neuronale
Genetic or physical cells manipulation aspires to be new challenges in tissue engineering. Current technologies to generate tissues, such as micro-scale hydrogels (microgel) assembly, scaffold seeding, molding or bio-printing suffer from the difficulty to control cells organization, multi-steps time consuming procedures and/or potentially cytotoxic side effects. In this PhD, we aimed at developing cell-friendly and rapid techniques, easily transferable to biological laboratories, for two broadly challenging applications: bone healing and neural tissue engineering, for which the above-mentioned techniques cannot yet provide widely reliable models. In case of a bone critical size defect, external help is often needed for bone healing, and gold-standard for care is bone autograft. Alternatively, the fracture healing process can be stimulated and restored by the implantation at the fracture site of hydrogels embedding growth factors. Both technologies suffer however from side effects such as donor site morbidity or cells over-proliferation in the hydrogel proximity. Moreover, the kinetic of growth factors release cannot be temporally controlled. In this work, we aim at developing an alternative method using ultrasound to spatially and temporally control growth factors release within a biocompatible material: fibrin hydrogels. Towards this goal, we encapsulated, in lipoplexes, plasmids that are under the control of a heat-shock promoter. We then transfected cells, stimulate the production of the targeted protein by heat shock and reported its expression. We also optimized an encapsulation protocol for cells within fibrin gels. This proof of concept demonstrates the feasibility of transfection by lipoplexes with a plasmid under control of heat shock, and pave the way for future developments of in situ transfection of autologous cells, for a tight temporal and spatial control of therapeutic proteins expression using ultrasound-induced hyperthermia

Les travaux présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans un projet visant à fabriquer des valves aortiques bioartificielles de remplacement pour des patients atteints de maladies cardiaques. La méthode globale étudiée consiste à produire un moule sacrificiel en sucre vitrifié produit par fabrication additive, prenant la forme d’une valve aortique et injecté avec un échafaudage cellulaire. En soumettant la valve moulée aux conditions physiologiques ressenties par une valve aortique réelle, il est espéré qu’une valve aortique fonctionnelle sera développée. Un des éléments importants dans ce procédé est l’échafaudage cellulaire. Puisque ce biomatériau contient des cellules vivantes, il doit être à l’abri de toutes sources de contamination. De plus, il doit permettre aux cellules de survivre et de sécréter de la matrice extracellulaire, dans le but d’éventuellement transformer l’échafaudage cellulaire en un tissu biologique fiable. Ce mémoire présente une technique de fabrication d’échafaudages cellulaires qui tient compte des enjeux liés à l’utilisation de cellules vivantes. Il s’agit d’une preuve de concept visant à s’intégrer au projet de valves aortiques bioartificielles. Afin de tester la méthode, une expérience in vitro de fabrication et de culture dynamique fut menée. Celle-ci démontra que cette méthode de fabrication fut adaptée au contexte de travail en environnement stérile, que les cellules ensemencées dans les spécimens furent distribuées de manière homogène, et que les moules en sucre vitrifié fabriqués par impression 3D ne causèrent pas de mortalité cellulaire dans ce contexte. Toutefois, des dommages mineurs furent observés après plusieurs semaines de culture, et les taux de viabilité cellulaire furent plus bas qu’attendu à cause d’un défaut au niveau de la perfusion des spécimens. Ainsi, la technique développée est prometteuse pour le projet de fabrication de valves aortiques, mais des améliorations doivent être apportées au niveau de la perfusion et du maintien de l’intégrité physique des tissus.
The work presented in this thesis is part of a project which aims at fabricating bioartificial aortic replacement valves for patients suffering from cardiac diseases. The global method studied to achieve this consists of fabricating sacrificial molds made of carbohydrate glass, produced by additive manufacturing, replicating the geometry of an aortic valve, and injected with a cellular scaffold. By exposing the molded valve to the physiological conditions a real aortic valve would experience, it is hoped that a functional aortic valve will be developed. One important aspect of this process is the cellular scaffold. Since this biomaterial contains live cells, it has to be isolated from all possible sources of contamination. Moreover, it has to favor cell survival, as well as extracellular matrix secretion, in order to eventually transform the scaffold into a reliable biological tissue. This thesis presents a fabrication technique for cellular scaffold that takes into account all the challenges linked to the use of live cells. It is a proof of concept with the aim of being included to the artificial aortic valve project. To validate this process and its aspects, an in vitro experiment of fabrication and dynamic culture was conducted. The results of this experiment showed that this method is adapted to the sterile work environment context, and that the cells seeded in the specimens were distributed homogeneously. This experience also demonstrated that the carbohydrate molds fabricated by additive manufacturing did not cause cell mortality in this context. However, minor damage was observed after several weeks of dynamic culture, and the cell viability rates were lower than expected because of suboptimal perfusion rates. This fabrication technique for cellular scaffolds is promising for the artificial aortic valves project, but improvements in terms of perfusion and preservation of physical integrity should be made.

L'ADN mitochondrial (ADNmt) des animaux est généralement constitué de molécules circulaires monomériques de ~16 kb. Cependant, parmi les rares exceptions qui ont été décrites, deux espèces d'Oniscidea Armadillidium vulgare et Porcellionides pruinosus (Crustacés Isopodes terrestres) présentent un ADNmt atypique composé de molécules monomériques linéaires de ~14 kb associées à des dimères circulaires et palindromiques de ~28 kb. Afin de connaître plus en détail sa structure, l'ADNmt atypique d'A. vulgare a été séquencé. Il contient bien les 13 gènes codants pour des protéines et les deux sous unités ribosomales généralement présents dans l'ADNmt des Métazoaires, mais en revanche il ne présente pas l'ensemble des 22 ARN de transferts (ARNt) attendus. De plus, une étonnante hétéroplasmie générant un ARNt alloaccepteur pour les acides aminés Alanine et Valine (ARNtAla/Val) a été découverte. Cette hétéroplasmie est un exemple unique chez les Eucaryotes par la présence de deux gènes différents sur le même locus mitochondrial. De façon surprenante, cette hétéroplasmie a également été observée chez de nombreuses autres espèces d'Oniscidea qui possèdent aussi un génome mitochondrial atypique. Il semble donc que l'apparition de cet ADNmt atypique chez les Isopodes ait permis l'apparition de l'ARNtAla/Val, et que les forces évolutives permettant le maintien de ces deux gènes essentiels à la traduction mitochondriale soient impliquées dans la conservation de cette structure atypique.

L'ADN mitochondrial (ADNmt) des animaux est généralement constitué de molécules circulaires monomériques de ~16 kb. Cependant, parmi les rares exceptions qui ont été décrites, deux espèces d’Oniscidea Armadillidium vulgare et Porcellionides pruinosus (Crustacés Isopodes terrestres) présentent un ADNmt atypique composé de molécules monomériques linéaires de ~14 kb associées à des dimères circulaires et palindromiques de ~28 kb. Afin de connaître plus en détail sa structure, l'ADNmt atypique d'A. Vulgare a été séquencé. Il contient bien les 13 gènes codants pour des protéines et les deux sous unités ribosomales généralement présents dans l'ADNmt des Métazoaires, mais en revanche il ne présente pas l’ensemble des 22 ARN de transferts (ARNt) attendus. De plus, une étonnante hétéroplasmie générant un ARNt alloaccepteur pour les acides aminés Alanine et Valine (ARNtAla/Val) a été découverte. Cette hétéroplasmie est un exemple unique chez les Eucaryotes par la présence de deux gènes différents sur le même locus mitochondrial. De façon surprenante, cette hétéroplasmie a également été observée chez de nombreuses autres espèces d'Oniscidea qui possèdent aussi un génome mitochondrial atypique. Il semble donc que l'apparition de cet ADNmt atypique chez les Isopodes ait permis l'apparition de l'ARNtAla/Val, et que les forces évolutives permettant le maintien de ces deux gènes essentiels à la traduction mitochondriale soient impliquées dans la conservation de cette structure atypique
In animals, mitochondrial DNA (mtDNA) is generally composed of ~16 kb circular monomer molecules. However, two species of terrestrial Crustaceans Armadillidium vulgare and Porcellionides pruinosus (Isopoda: Oniscidea) are exceptions. Their mtDNA is composed of ~14 kb linear monomers associated to ~28 kb circular head-to-head dimers. In order to describe its structure, the complete mtDNA sequence of A. Vulgare has been obtained. It does contain the 13 protein coding genes and the 2 ribosomal sub-units generally found in metazoan mtDNA, but not all of the 22 expected transfer RNA (tRNAs). Besides, a surprising heteroplasmy that generates a dual tRNA alloacceptor for both amino acids Alanine and Valine (tRNAAla/Val) has been discovered. This heteroplasmy by the presence of two different genes on a single mitochondrial locus is an unique example in eukaryotes. Interestingly, this heteroplasmy has been observed in a wide range of Oniscidea species carrying an atypical mtDNA. The appearance of the atypical mitochondrial genome in isopods may have permit the appearance of the tRNAAla/Val, and evolutionary forces that allow the maintenance of these two genes essential for mitochondrial translation might conserve the atypical structure of mtDNA

La première partie du travail a porté sur la caractérisation de la structure du gène humain de la carnitine palmytoytransférase 1A, qui code une enzyme impliquée dans le transport des acides gras à chaine longue dans la matrice mitochondriale. Ce travail a permis d'effectuer l'analyse moléculaire de 6 patients déficitaires et d'identifier chez eux 10 mutations. La seconde partie du travail a consisté à faire la validation fonctionnelle des 5 mutations faux-sens préalablement identifiées dans un système d'expression hétérologue. Les résultats de cette étude et la localisation des résidus mutés dans un modèle structural 3-D de l'enzyme que nous avons proposé ont permis.
The first part of the work concerned the characterization of the human carnitine palmitoyltransferase 1A gene, which encodes an enzyme implied in the long-chain fatty acid import into the mitochondrial matrix. This work permit to perform the molecular analysis of 6 deficient patients and to identify 10 mutations. The second part of the work was to make the functional validation of the 5 missense mutations previously identified in a heterologous expression system. The results of this study and the localization of the mutated residues into a structural model of the enzyme we.

Les processus de l’évolution des génomes, particulièrement des génomes de primates, font l’objet de cette thèse. Ont été ainsi creusées les questions de la conservation ou non de séquences nucléiques de précurseurs peptidiques dans la lignée des primates, et de la mise en place, de l’évolution et de l’expression de deux familles de gènes spécifiques des primates. Brassages d’exons, rétrotransposition, duplications… sont impliqués dans la création de nouveaux gènes. L’étude de la création et des premiers temps d’un gène nécessite la mise en évidence de gènes récents, ayant conservé les caractéristiques de leur mise en place. Deux familles de gènes ont retenu mon attention: Les gènes PMCHL ont été créés récemment par des processus de rétroposition, remaniements, insertions/délétions et accumulation de mutations. Des analyses de structure et phylogénétique permettent une meilleure compréhension de l’origine de ces gènes spécifiques des Primates. Les gènes PMCHL sont transcrits, de façon tissu-spécifique, et présentent de nombreux épissages alternatifs. Enfin, l’expression des ARN messagers PMCHL est comparée dans le cerveau de l’Homme et du Macaque. Les gènes dérivés de GUSB ont été identifies par hybridation in situ fluorescente chez les Primates. Une recherche systématique dans le génome humain a permis la découverte et la caractérisation d’une grande famille de gènes comptant plus de quinze paralogues chez l’Homme. L’analyse structurale et phylogénétique de ces séquences a permis de préciser l’histoire de leur mise en place et de leur évolution. Certains des membres de cette famille de gènes ont en outre acquis une capacité transcriptionnelle
Processes of genome, and particularly primates genome, evolution are the focus of this thesis. The questions of conservation, or not, of nucleotidic sequences for peptidic precursors in the primate lineage, and of creation, evolution and expression of two primate-specific genes families are examined. Exon shuffling, retroposition, duplications… are implicated in the creation of novel genes. Studying the creation and first times of a gene requires the description of recent genes, still harbouring their creation features. Two such genes families retained my attention: The PMCHL genes were created recently trough retroposition and rehandling events, but also indels and mutations accumulation. Structural and phylogenetic analyses favoured a better comprehension of the origin of these primates specific genes. The PMCHL genes are transcribed in a tissues-specific manner, and many alternative splicing are described. Finally, PMCHL mRNA expression has been compared in Macaque and Human brains. The GUSB-derived genes have been identified through Fluorescent In Situ Hybridization on primates chromosomes. A systematic search in the human genome allowed the discovery and description of a big gene family encompassing at least 15 paralogous in human. The structural and phylogenetic analyses we performed led to a more precise description of their creation and evolution. Some members of this genes family acquired a transcriptional capacity

L'instabilité des cavités souterraines (mines, carrières, tunnels,...) peut induire les mouvements de terrains d'amplitude suffisante pour endommager les bâtiments et les infrastructures en surface. Les méthodes traditionnelles, utilisées dans les pratiques d'ingénieur pour prévoir les déformations dans les structures, sont basées sur les caractéristiques des mouvements de terrain en condition de terrain vierge sans prendre en compte l'effet de la présence des structures en surface. L'objectif de cette thèse est de prédire les déformations des ouvrages en tenant compte de l'influence de l'interaction sol-structure, d'une part ; et d'évaluer la performance d'une solution de protection (tranchée périphérique), d'autre part. Cela a été achevé par la réalisation d'études paramétriques utilisant deux approches complémentaires : une approche expérimentale à l'aide d'un modèle réduit physique 3D sous gravité normale et une modélisation numérique 3D par la méthode des éléments finis. En particulier l'effet d'un certain nombre de paramètres géométriques et mécaniques a pu être investigué dans l'étude de l'interaction sol-structure : la position de la structure par rapport à la cuvette d'affaissement, le poids de la structure et la raideur relative entre le sol et la structure. Concernant l'étude de l'efficacité de tranchées périphériques, l'effet de la position de la structure, de la position de la tranchée vis-à-vis de la structure et de la rigidité de la tranchée a été analysé. Les résultats obtenus ont abouti à une meilleure compréhension du problème d'interaction sol-structure et ont montré l'importance de cet effet qui doit être pris en compte dans l'évaluation de la vulnérabilité du bâti. Le transfert des mouvements du sol à la structure est faible (moins de 2,5%), dans le cas modélisé : structure rigide et interface glissante. Les différents résultats ont permis par ailleurs de mettre en évidence l'efficacité de la tranchée périphérique pour réduire les sollicitations affectant les structures. La tranchée doit être remplie avec un matériau très déformable et surtout placée à une distance de l'ordre d'un mètre de la structure.

L'épissage alternatif est le mécanisme permettant la production de plusieurs isoformes d'ARNs messagers à partir du même gène. La majorité des gènes humains sont concernés par ce processus. Epissage et transcription étant simultanés, les deux processus sont co-régulés. Plusieurs études récentes ont proposé que l'organisation tridimensionnelle du génome, qui régule la transcription, pourrait également moduler l'épissage. DDX5 et DDX17 sont deux hélicases à ARN impliquées dans plusieurs étapes de la biogenèse et de la maturation des ARNs, y compris la transcription et l'épissage. Des travaux de notre équipe ont montré que leur expression est réprimée lors de la différenciation cellulaire, ce qui contribue à établir des programmes d'épissage spécifiques. DDX5 et DDX17 interagissent avec CTCF et le complexe Cohésine, deux régulateurs de l’organisation 3D de la chromatine, suggérant un rôle des hélicases dans la topologie du génome, et potentiellement dans la connexion éventuelle entre organisation 3D et épissage. Nous avons dans un premier temps évalué l’impact à large échelle de DDX5/17 sur l’épissage par RNA-Seq, et montré que la co-déplétion de CTCF et de Cohésine avec les hélicases augmente leur effet sur l'inclusion de certains exons. De plus, nos résultats indiquent que la déplétion de DDX5/17 impacte la terminaison de la transcription de centaines de gènes. Enfin, nous avons sélectionné deux exons régulés par DDX5/17 et CTCF pour étudier l'organisation tridimensionnelle de leurs gènes par des expériences de 3C (Chromosome Conformation Capture). Le premier candidat est un exon interne du gène NCS1 et le second un exon situé just en aval du promoteurdu gène PRMT2. Nos résultats de 3C indiquent la présence d'une boucle entre le promoteur du gène NCS1 et l'exon alternatif interne. De plus, nous montrons pour les 2 gènes testés la proximité physique entre leur promoteur et leur région terminatrice, et une déstabilisation de cette boucle en absence de DDX5/17, ce qui pourrait expliquer les défauts observés de terminaison. . Enfin, une stabilisation contrainte de la boucle promoteur-terminateur du gène PRMT2 altère l'inclusion de l'exon promoteur proximal de ce gène. Ainsi, nos résultats appuient l'hypothèse d'un lien mécanistique entre l'organisation 3D des gènes et la régulation de l'épissage alternatif et plus généralement de la fidélité de leur transcription
Alternative splicing is the mechanism that allows the production of several mRNA isoforms from the same gene, and that concerns the majority of human genes. As it occurs during transcription, both processes are co-regulated. Several recent studies have proposed that the three-dimensional organization of the genome, which regulates transcription, could also have an impact on splicing. DDX5 and DDX17 are two RNA helicases involved in several steps of RNA biogenesis and processing, including transcription and splicing. Notably, previous studies from our lab have shown they are downregulated during cellular differentiation, which contributes to establish specific splicing programs. Moreover, DDX5/17 interact with CTCF and Cohesin that are key regulators of chromatin topology and looping. This suggests a role for DDX5/17 in genome topology, and could suggest their involvement in the cross-talk between 3D organization and splicing. In order to address this question, we first assessed the impact of DDX5/17 on splicing by RNA-Seq and tested the contribution of CTCF and Cohesin on DDX5/17-dependant exon inclusion. We observed that the co-depletion of CTCF and Cohesin with DDX5/17 increases the effect of the helicases on the inclusion of some exons. Moreover, our results indicate for the first time that depletion of DDX5/17 deregulates transcriptional termination of many genes. Finally, we selected two exons regulated by both DDX5/17 and CTCF and investigated the three-dimensional organization of their associated genes by Chromosome Conformation Capture (3C) assays. The first exon is located within the NCS1 gene while the second exon has a promoter-proximal position in the PRMT2 gene. Our 3C experiments indicate the presence of a chromatin loop between the NCS1 promoter and its internal DDX5/17- and CTCF-regulated exon. Moreover, our results reveal a physical proximity between the promoter and the terminator region of both genes, and a deregulation of this specific configuration upon DDX5/17 depletion, which could possibly lead to transcriptional readthrough. Finally, stabilizing the promoter-terminator loop using a dCas9-based approach altered the inclusion of the PRMT2 promoter-proximal exon. Altogether, our results support the hypothesis of a mechanistical link between the 3D organization of genes and the regulation of alternative splicing and transcription fidelity

Deinococcus geothermalis est un organisme non-model intéressant pour les bio-productions de part sa résistance extrême et ses capacités de fermentation partant de diverses sources de carbone. Cependant les outils d’ingénierie permettant une fine maîtrise des voix métaboliques restent limités pour cet organisme. Le but de ce travail de thèse, est d’essayer de surpasser cet obstacle à travers l’observation des motifs génétiques et de leur organisation. L’analyses de ces motifs a été menée via deux approches. La première est l’étude de l’impact de la position dans le génome sur l’expression d’une cassette reportrice. Grâce à une collection de 150 souches, nous avons observé que l’expression est plus forte au niveau de l’origine de réplication que du terminus. Une autre observation concerne la présence de zone de forte expression réparties symétriquement le long du chromosome. La seconde approche est l’analyse des motifs génétiques en cas de stress grace outil GREAT:SCAN:patterns. Ces motifs sont fortement liés régulation de l’expression des gènes et sont des points intéressant pour l’ingénierie du génome. En analysant les résultats de différentes conditions de stress ainsi que les régulons décrits dans la littérature, nous avons pu observer que des stress voisins partagent les mêmes motifs et que ces motifs semblent conservés chez des organismes distants. Ces deux approches ont permis de déterminer des positions d’insertion dans le génome intéressantes pour l’ingénierie métabolique
Deinococcus geothermalis is a non-model organism of high interest for bio-manufacturing since it shows a extreme resistance and good capacities for fermentation process on different carbon sources. However the engineering tools are limited to finely tuned metabolic pathways for bio-productions. This PhD work aims at contributing to overcome this obstacle through a whole-genome approach to the issue of understanding the genomic organization of D. geothermalis and defined interesting genomic locations. The whole-genome approach is based on the existence of genome-scale patterns that were analyzed in two different ways. A first approach consisted of studying the influence of the genome location on the expression of a reporter cassette. On a library of over 150 strains, the expression is higher near the origin of replication than near the terminus, a common observation. However, other hot spots of expression along the genome additionally appeared with a symmetric distribution about the origin of replication. The second approach consisted of analyzing the genomic patterns under stress through the in-house GREAT:SCAN:patterns software. These patterns interrelate with gene expression regulation and are an interesting key for genome engineering. Testing different stress conditions and considering the matching regulons as described in the literature, it appeared that related stresses share genomic patterns. Moreover these patterns tend to be conserved between distant organisms. These two approaches lead to define interesting genome loci for inserting genes encoding the enzymes of a pathway, with a view to metabolic engineering

The application of sophisticated geometric structures within future host materials for increasing energy absorption and compression strength, while being fabricated from crack-healing materials, is of high interest for many functions. Raw feedstock extrusion and three-dimensional printing (3DP) technology were used to develop precise honeycomb structures through intricate deposition of polycaprolactone (PCL) filament. For standardization purposes during 3D model slicing and print quality consistency, constant wall thickness was used for honeycomb structure fabrication, manipulating only the cellular width to obtain variation of cell size to wall thickness ratios.

The honeycomb structures’ compression behaviors were studied through use of in-plane quasi-static uniaxial compression testing. Multiple cycles of compression loading were applied to the specimens in both transverse and ribbon directions at temperatures of 5 °C, room temperature (i.e. 22 °C), and 40 °C at a speed of 1.27 mm/min (0.05 in/min) per ASTM D6641. The energy absorption efficiencies of the honeycomb structure were calculated based on the compression strengths and behaviors displayed, which were then used to obtain the stepping upward stress theoretically. Using the specified stepping upward stresses, the energy absorption capabilities were found in both the transverse and ribbon directions at different temperatures per unit volume. The ability for “shape recovery” of the structures after each loading cycle was also calculated.

Outcomes from this research displayed exceptional recovery of PCL honeycomb structures after repeated compression loading cycles. Samples with relative density of 0.20 absorbed energies of up to 0.99 J/cm³. Upon removing compression loads, samples were capable of shape recovery up to 80% after the first deformation and up to 72% after the fifth deformation. When PCL honeycomb structures are used to reinforce host materials, they increase energy absorption capabilities while being capable of crack-healing functions with remarkable compressive strength. These properties make PCL advantageous for many industries.

Regular assessment of the state and change of the world’s forests is essential because of the range of climate and ecosystem services they provide. Earth observation efforts responsible for monitoring the above-ground biomass (AGB) of the world’s forests, a frequently used proxy for forest state, rely on calibration from a network of field plots. In lieu of impracticable direct measurement of AGB at these plots, estimates are ob- tained through empirical allometric correlations that relate simple measurements of tree structure, to mass. Throughout tropical forest, few pan-tropical allometric models exist because of the limited availability of calibration data. In this thesis, the best available pan-tropical allometric dataset is used to demonstrate that the statistical method employed in the construction of all widely used models, log-transformed ordinary least squares linear regression, is inappropriate. Alternatively, a new non-linear model is proposed where uncertainties are derived from non-parametric methods. These uncertainties are shown to exceed 75 % and 25 % of AGB at the tree- and plot-scale respectively. This leads to the conclusion that AGB estimates of large swathes of tropical forest are statistically indistinguishable from one another when inferred through pan-tropical allometry. These results highlight the need to introduce alternative methods. The primary objective of this thesis is to demonstrate that new 3D measurements of forest structure from terrestrial laser scanning (TLS) can provide accurate non-destructive estimates of AGB. Rich point clouds have been acquired across multiple forest types. Novel algorithms are developed and applied here to retrieve tree-scale AGB via volume estimation on a wide-scale. It is shown these new methods can estimate tree- and plot-scale AGB to within 23.3% and 7.9% of the respective direct measurement. It is shown these TLS-derived estimates of AGB, are, on average, 17.9 % larger than their allometric-derived counterparts. Allometric methods may thus significantly underestimate tropical forest carbon stocks.

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Biology, 2016.
Cataloged from PDF version of thesis. "May 2016."
Includes bibliographical references.
The selective interpretation of the genome through transcription enables the production of every cell type's distinct gene expression program from a common genome. Transcription takes place within, and is controlled by, highly organized three-dimensional (3D) chromosome structures. The first part of the work presented here describes the generation of 3D chromosome regulatory landscape maps of human naive and primed embryonic stem cells. To create these 3D chromosome regulatory landscape maps, genome-wide enhancer and insulator locations were mapped and then placed into a 3D interaction framework formed by cohesin-mediated 3D chromosome structures. Enhancer (H3K27ac) and insulator (CTCF) locations were mapped using ChIP-sequencing, whereas 3D chromosome structures were detected by cohesin-ChIA-PET. 3D chromosome structures connecting insulators (CTCF-CTCF loops) were shown to form topologically associating domains (TADs) and insulated neighborhoods, which were mostly preserved in the transition between naive and primed states. Insulated neighborhoods are critical for proper gene expression, and their disruption leads to the improper regulation of local gene expression. Changes in enhancer-promoter loops occurred within preserved insulated neighborhoods during cell state transition. The CTCF anchors of CTCF-CTCF loops are conserved across species and are frequently mutated in cancer cells. These 3D chromosome regulatory landscapes provide a foundation for the future investigation of the relationship between chromosome structure and gene control in human development and disease. The work presented in the second part focuses on developing an approach called "chromatin proteomic profiling" to identify protein factors associated with various active and repressed portions of the genome marked by specific histone modifications. The histone modifications assayed by chromatin proteomic profiling are associated with genomic regions where specific transcriptional activities occur, thus implicating the identified proteins in these activities. This chromatin proteomic profiling study revealed a catalog of known, implicated, and novel proteins associated with these functionally characterized genomic regions.
by Daniel Benjamin Dadon.
Ph. D.

The connection between DNA folding and chromatin conformation has been much studied but the relation between the modulation of chromatin conformation and biological processes such as DNA damage, cell differentiation and DNA replication, still remains unclear. To better understand these mechanisms, an interdisciplinary study combining several technologies is required to provide an integrative view of what happens from the level of nucleosome interactions up to whole genome organisation. In this thesis, we aimed to set up chromatin conformation methodologies such as Hi-C and Micro-C to analyse the effect of DNA damage and cell differentiation on 3D chromatin structure. Chromatin structure is affected by DNA damage caused by UV irradiation or oxidative stress. In our study, the effects of UV irradiation and oxidative stress on 3D genome structure were analysed from nucleosome positioning to chromatin conformation. Molecular Dynamics simulation and Coarse grained modelling provided a 3D model of the whole genome of Saccharomyces cerevisiae in normal and stressed conditions. The conditions of UV irradiation that was applied created a decrease of chromatin interactions increasing chromatin flexibility. In addition, oxidative stress induced chromatin changes with an increase of inter-chromosomal interactions and a reduction of intra-chromosomal interactions. These effects were associated with a decrease in the number of chromatin interaction domains (CID) as well as the insulation score. The reduction of CID is correlated with a reduction of cohesin loading factor complex (SCC2/SCC4) bound to the chromatin upon oxidative stress. In addition, nucleosome contacts were globally reduced, especially in upregulated genes and DNA damaged regions. Concerning nucleosome positioning, a general increase of the fuzziness score was observed both in upregulated and downregulated genes, and in regions of DNA damage in response to oxidative stress. Overall, our results showed a decrease in the number of nucleosomes and a tendency of the chromatin to be more open at short-range distances while, at long-range distances, the genome seems to be more compact in response to oxidative stress. One hypothesis could be that chromatin decondensation can contribute to facilitate DNA repair. MD simulations were used to build two models: one at the scale of the chromatin fibre and the other one for the whole genome. Finally, high resolution microscopy combined with Capture-MNase-Seq, Capture-Hi-C and coarse grain models were used to study the conformational changes occurring during cell reprograming from fibroblast to hiPSC. A specific region containing NANOG and STELLA loci as well as GADPH and IFFO1 as control genes was selected. Capture- MNase-Seq and Capture-Hi-C revealed that nucleosomes tend to be fuzzier in the pluripotent hiPSC cells and that the TADs were reorganized during cell differentiation.

Compact representations of three dimensional objects are very often used in computer graphics to create effective ways to analyse, manipulate and transmit 3D models. Their ability to abstract from the concrete shapes and expose their structure is important in a number of applications, spanning from computer animation, to medicine, to physical simulations. This thesis will investigate new methods for the generation of compact shape representations. In the first part, the problem of computing optimal PolyCube base complexes will be considered. PolyCubes are orthogonal polyhedra used in computer graphics to map both surfaces and volumes. Their ability to resemble the original models and at the same time expose a very simple and regular structure is important in a number of applications, such as texture mapping, spline fitting and hex-meshing. The second part will focus on medial descriptors. In particular, two new algorithms for the generation of curve-skeletons will be presented. These methods are completely based on the visual appearance of the input, therefore they are independent from the type, number and quality of the primitives used to describe a shape, determining, thus, an advancement to the state of the art in the field.

Cette these est une contribution au developpement de methodes biomathematiques et bioinformatiques pour l'etude de la structure des genomes. Cinq etudes ont ete entreprises ; elles se basent sur des genomes complets et sont pour la plupart, des analyses a grande echelle de tableaux de donnees. Pour chacune d'elle, des tests statistiques ont ete utilises pour evaluer la significativite des resultats. Deux des etudes sont des applications a la genomique fonctionnelle, l'une utilisant des donnees du transcriptome (analyse de co-expression) et l'autre utilisant la genomique comparative (analyse de co-conservation). La co-conservation a egalement permit une analyse phylogenomique de la mitochondrie de reclinomonas americana et la mise au point de deux outils detectant les recombinants chez les retrovirus. Finalement, les relations existant entre l'expression, la conservation et le biais en codon des proteines ont ete mises en evidence.

Les organismes cellulaires apparaissent organisés. Les bactéries utilisent des compartiments sans membrane pour confiner les réactions chimiques dans l'espace et le temps. Il existe un paradigme général de l'auto-organisation de l'espace intracellulaire qui distingue les auto-assemblages, structures moléculaires assemblées par des mécanismes passifs de transition de phase, et les structures dissipatives, engendrés par exemple par des processus de réaction-diffusion. Si les auto-assemblages correspondent à l'évolution vers l'équilibre thermodynamique, les structures dissipatives sont des manifestations d'une dépense d'énergie hors équilibre thermodynamique. Nous illustrons ce paradigme en étudiant la ségrégation du matériel génétique chez les bactéries, en l'occurrence celle du plasmide F de Escherichia coli qui repose sur le système de partition ParABS. La ségrégation est une étape cruciale du cycle cellulaire bactérien puisqu'elle assure la transmission de l'information génétique dans les bactéries filles avant la division. Le système ParABS est constitué d'une séquence centromérique parS ; d'une protéine ParB capable de se lier à l'ADN, spécifiquement sur la séquence parS et non-spécifiquement ailleurs ; d'une protéine ATPase ParA capable de se lier à l'ADN. Les interactions entre protéines ParB sur l'ADN et l'adsorption spécifique sur la séquence parS mène à la formation d'un foyer tridimensionnel appelé complexe ParBS localisé autour de la séquence parS. Les interactions entre protéines ParA et ParB mènent au positionnement de ce complexe au centre du milieu cellulaire. Après réplication, deux complexes ParBS existent et son ségrégés par l'action des protéines ParA aux positions 1/4 et 3/4 de l'espace intracellulaire.Nous cherchons d'abord à expliquer la formation des complexes ParBS par un mécanisme passif de séparation de phase entre états de haute et basse densité en protéines ParB dans l'espace. Nous construisons deux modèles de physique statistique à l'aide d'outils empruntés à la physique des transitions de phase. Notre deuxième approche définit rigoureusement tous les éléments du système biologique constitué de l'ADN-polymère et des protéines ParB en interaction et nous permet de formuler un critère d'existence de transition de phase du premier ordre qui est vérifié par l'ADN. Nous parvenons à tracer les diagrammes de phase de cette transition. Ces deux modèles nous permettent d'argumenter que le régime thermodynamique physiologique de ce système biologique est un régime de coexistence métastable en protéines ParB sur l'ADN. La séquence parS joue le rôle d'un défaut ou d'une graine de nucléation. Nous utilisons une troisième approche pour expliciter le lien entre les distributions tridimensionnelle et sur l'ADN des protéines ParB autour de la séquence parS. Nous cherchons à expliquer les courbes de recouvrement de fluorescence issus d'expériences de photoblanchiment sur les complexes ParBS. Nous construisons une méthode de photoblanchiment in silico, c'est-à-dire que nous reproduisons ces courbes de recouvrement à partir d'une équation phénoménologique résolue numériquement. Nous développons un système d'équations qui décrivent l'évolution des protéines sur l'ADN à partir de l'approche physique statistique précédente pour produire un photoblanchiment in silico prenant en compte que les complexes ParBS sont issus d'une séparation de phase. Nous montrons qu'un pur système passif ne permet pas de faire des expériences de photoblanchiment à cause de la maturation d'Ostwald subie par les complexes. Nous corrigeons cette approche pour inclure les protéines ParA et leur cycle biochimique dans nos simulations. Nous montrons ainsi que les interactions entre les protéines ParA et ParB et l'hydrolyse de l'ATP permet la survie de plusieurs complexes ParBS grâce à un mécanisme d'inversion du murissement d'Ostwald. Cette approche fondamentale permet d'expliquer le positionnement des complexes ParBS durant la ségrégation
Cellular organisms appear organized. Bacteria use membraneless compartments to confine chemical reactions in space and time. There is a general paradigm of intracellular space self-organization that distinguishes between self-assembly, molecular structures assembled by passive phase transition mechanisms, and dissipative structures, generated for example by reaction-diffusion processes. If self-assemblies correspond to the evolution towards thermodynamic equilibrium, dissipative structures are manifestations of an out-of-equilibrium energy cost. We illustrate this paradigm by studying the segregation of bacterial genome, in this case the F-plasmid segregation of Escherichia coli, based on the ParABS partition system. Segregation is a crucial step in the bacterial cell cycle since it ensures the transmission of genetic information in daughter bacteria before division.The ParABS system consists of a parS centromeric sequence; a ParB protein which is able to bind to DNA, specifically on the parS sequence and not specifically elsewhere; and a ParA ATPase protein than can bind to DNA. Interactions between ParB proteins on DNA and specific adsorption on the parS sequence lead to the formation of a three-dimensional focus called the ParBS complex located around the parS sequence. Interactions between ParA and ParB proteins lead to the positioning of this complex at the center of the cell cytoplasm. After replication, two ParBS complexes exist and are segregated by the action of ParA proteins at positions 1/4 and 3/4 of the intracellular space.We first seek to explain the formation of ParBS complexes by a passive phase separation mechanism between high- and low-density states of ParB proteins in space. We construct two statistical physics models using tools borrowed from the physics of phase transitions. Our second approach rigorously defines all the elements of the biological system consisting of the interacting DNA-polymer and ParB proteins and allows us to formulate a first-order phase transition existence criterion that is verified by the DNA. We can draw the phase diagrams of this transition. These two models allow us to argue that the physiological thermodynamic regime of this biological system is a regime of metastable coexistence in ParB proteins on DNA. The parS sequence plays the role of a defect or nucleation seed. We use a third approach to explain the relationship between the three-dimensional and DNA distributions of ParB proteins around the parS sequence.We try to explain the fluorescence recovery curves from photobleaching experiments on ParBS complexes. We construct an in silico photobleaching method, i.e. we reproduce these recovery curves from a phenomenological equation solved numerically. We then develop a system of equations that describe the evolution of proteins on DNA from the previous statistical physical approach to produce an in silico photobleaching taking into account that ParBS complexes are the result of phase separation. We show that a pure passive system does not allow photobleaching experiments because of the Ostwald maturation undergone by the complexes. We correct this approach by including ParA proteins and their biochemical cycle in our simulations. We show that the interactions between ParA and ParB proteins and the hydrolysis of ATP allows the survival of several ParBS complexes thanks to an inversion mechanism of Ostwald's ripening. This fundamental approach explains the positioning of ParBS complexes during segregation

In this project a web-based system called 3DPOPS have been designed, developed and implemented. The system creates initial 3D structures of oligosaccharides according to user input data and is intended to be integrated with an automatized 3D prediction system for saccharides. The web interface uses a novel approach with a dynamically updated graphical representation of the input carbohydrate. The interface is embedded in a web page as a Java applet. Both expert and novice users needs are met by informative messages, a familiar concept and a dynamically updated graphical user interface in which only valid input can be created.

A set of test sequences was collected from the CarbBank database. An initial structure to each sequence could be created. All contained the information necessary to serve as starting points in a conformation search carried out by a 3D prediction system for carbohydrates.

This thesis uses industry 3D seismic reflection datasets to investigate the Silverpit structure, a proposed impact crater located in the southern North Sea, UK. The principal aim of this thesis is to investigate the origin of the Silverpit structure. Research has focused on constraining the age of the Silverpit structure, investigation into regional magmatic activity in the southern North Sea study area and structural analysis of the Silverpit structure. The Silverpit structure is a multi-ringed circular structure 20 km in diameter found within Cretaceous and Eocene age marine sediments. The Silverpit structure is composed of a 3 km diameter excavated cavity is surrounded by a series of concentric listric faults. The outer rings of the structure are composed of extensional grabens and concentric folds. Within the excavated cavity, a series of localised uplifted reflections, termed the central uplift, can be identified. A boundary marks a common upper limit of deformation. Undeformed reflections above this boundary have parallel onlapping geometry onto the underlying cavity and are an indication of instantaneous creation of accommodation space. This boundary between undeformed and faulted reflections has been interpreted to be the crater floor and has been dated to be Middle Eocene in age. A tertiary dyke swarm, 54 Ma old, has been identified and mapped 20 km to the North of the Silverpit structure. The dykes are characterised by a linear seismic disturbance and linear coalesced depressions at the upper limit of the seismic disturbance. The depressions above the dyke tips formed during the release of volatiles from the intruding magma. The dykes and coalesced depressions are new Earth analogues for Martian pit chain craters. No magnetic anomaly can be identified over the Silverpit structure, ruling out an igneous origin. The age of the Silverpit structure is older than the onset of regional folding, therefore ruling out a folding/salt withdrawal origin. The circular Silverpit structure is unrelated to the underlying elongate salt geometry. Any fault growth associated with salt movement would trace the underlying salt body we would therefore expect any faults related to salt movement to be elongate, not circular. The morphology of the Silverpit structure is characteristic of an impact crater. The features mapped, central uplift, excavated crater, multi rings and folds, are all diagnostic features of an impact crater. Bolide impact is the most likely origin for the Silverpit structure as all the alternative origins can be ruled out. Importantly further diagnostic evidence is still needed to confirm the Silverpit structure as an impact crater. Until such evidence is found the Silverpit structure is classified as a probable impact crater.

Thesis: M. Eng., Massachusetts Institute of Technology, Department of Electrical Engineering and Computer Science, 2018.
This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.
Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 61-62).
The spatial organization of DNA in the cell nucleus plays an important role for gene regulation, DNA replication, and genomic integrity. Through the development of chromosome capture experiments (such as 3C, 4C, Hi-C) it is now possible to obtain the contact frequencies of the DNA at the whole-genome level. In this thesis, we study the problem of reconstructing the 3D organization of the genome from whole-genome contact frequencies. A standard approach is to transform the contact frequencies into noisy distance measurements and then apply semidefinite programming (SDP) formulations to obtain the 3D configurations. However, neglected in such reconstructions is the fact that most eukaryotes including humans are diploid and therefore contain two (from the available data) indistinguishable copies of each genomic locus. Due to this, the standard approach performs very poorly on diploid organisms. We prove that the 3D organization of the DNA is not identifiable from exclusively chromosome capture data for diploid organisms. In fact, there are infinitely many solutions even in the noise-free setting. We then discuss various additional biologically relevant constraints (including distances between neighboring genomic loci and to the nucleus center or higher-order interactions). Under these conditions we prove there are finitely many solutions and conjecture we in fact have identifiability. Finally, we provide SDP formulations for computing the 3D embedding of the DNA with these additional constraints and show that we can recover the true 3D embedding with high accuracy even under noise.
by Lawrence Sun.
M. Eng.

Sensing the real-world is a well-established and continual problem in the field of robotics. Investigations into autonomous aerial and underwater vehicles have extended this challenge into sensing, mapping and localising in three dimensions. This thesis seeks to understand and tackle the challenges of recovering 3D information from an environment using vision alone. There is a well-established literature on the principles of doing this, and some impressive demonstrations; but this thesis explores the practicality of doing vision-based 3D reconstruction using multiple, mobile robotic platforms, the emphasis being on producing accurate 3D models. Typically, robotic platforms such as UAVs have a single on-board camera, restricting which method of visual 3D recovery can be employed. This thesis specifically explores Structure from Motion, a monocular 3D reconstruction technique which produces detailed and accurate, although slow to calculate, 3D reconstructions. It examines how well proof-of-concept demonstrations translate onto the kinds of robotic systems that are commonly deployed in the real world, where local processing is limited and network links have restricted capacity. In order to produce accurate 3D models, it is necessary to use high-resolution imagery, and the difficulties of working with this on remote robotic platforms is explored in some detail.

Lattice structures have received a lot of attention as cellular materials in recent years because of their outstanding properties, such as high strength-to-weight ratio, heat transfer, energy absorption, and capability of improving noise, vibration and harshness (NVH) behavior. This type of structure received a boost from additive manufacturing (AM) technology, which can fabricate geometries in practically any shape. Due to economic and environmental requirements, lightweight design is increasingly used in automobile and construction equipment applications. NVH behavior is a crucial issue for construction equipment. However, the conventional structures' NVH behavior is mainly decided by the mass, so silence often requires heavy systems, leading to more energy consumption and emission. Therefore, the environmental trends and the resulting economic competition have limited traditional (heavy) solutions to improve NVH behavior and make the lightweight design more difficult. Novel solutions are necessary to light the difficulty and challenge of combining NVH and lightweight requirements. In this research, topology optimization was implemented on a New Articulated Hauler Transmission (NAHT) component to balance lightweight and NVH behavior. The topology- optimized 3D model was filled by a non-homogenous lattice structure with optimal lattice density via size optimization. Lattice structure optimization is one type of topology optimization, and it is the term for describing these procedures. To fabricate the complicated lattice structure, additive manufacturing (or 3D printing) is required (after topology and lattice structure optimization). The new models were analyzed using the finite element method (FEM), and the results of the analysis were compared with those of the original models. After the comparison, positive results were obtained, demonstrating that topology and lattice optimization can be applied in the design of construction equipment components. According to the results, lattice structure optimization can create a reliable lightweight design with good NVH behavior. Furthermore, lattice structure's organization and layout have a significant impact on the overall performance.
Gitterstrukturer har fått mycket uppmärksamhet som cellulära material under de senaste åren på grund av deras enastående egenskaper, t.ex. hög hållfasthet i förhållande till vikt, värmeöverföring, energiabsorption och förmåga att förbättra buller-, vibrations- och bullerskador (NVH-beteende). Denna typ av struktur har fått ett uppsving av tekniken för additiv tillverkning (AM), som kan tillverka geometrier i praktiskt taget vilken form som helst. På grund av ekonomiska och miljömässiga krav används lättviktsdesign i allt större utsträckning inom bilindustrin och byggnadsutrustning. NVH-egenskaperna är en viktig fråga för anläggningsutrustning. De konventionella konstruktionernas NVH-beteende bestäms dock huvudsakligen av massan, vilket innebär att tystnad ofta kräver tunga system, vilket leder till ökad energiförbrukning och större utsläpp. Miljötrenderna och den ekonomiska konkurrens som följer av detta har därför begränsat de traditionella (tunga) lösningarna för att förbättra NVH-egenskaperna och gjort lättviktsdesignen svårare. Nya lösningar är nödvändiga för att lösa svårigheten och utmaningen med att kombinera NVH- och lättviktskrav. I den här forskningen genomfördes topologioptimering på en komponent för en ny ledad transportörtransmission (NAHT) för att balansera lättvikts- och NVH-beteende. Den topologioptimerade 3D-modellen fylldes med en icke-homogen gitterstruktur med optimal gittertäthet via storleksoptimering. Gitterstrukturoptimering är en typ av topologioptimering, och det är termen för att beskriva dessa förfaranden. För att tillverka den komplicerade gitterstrukturen krävs additiv tillverkning (eller 3D-utskrift) (efter topologi- och gitterstrukturoptimering). De nya modellerna analyserades med hjälp av finita elementmetoden (FEM), och resultaten av analysen jämfördes med resultaten av de ursprungliga modellerna. Efter jämförelsen erhölls positiva resultat, vilket visar att optimering av topologi och gitterstruktur kan tillämpas vid utformning av komponenter för byggutrustning. Enligt resultaten kan optimering av gitterstrukturen skapa en tillförlitlig lättviktsdesign med bra NVH-beteende. Dessutom har gitterstrukturens organisering och layout en betydande inverkan på den totala prestandan.

Currently, molecular biology research is dominated by the rapid advances in DNA sequencing and related technologies. However, interpreting these data, and gaining insight into underlying molecular processes, remains challenging. Of the many strategies being pursued in this effort to understand the biomolecular machinery of life, one of the most enduring involves considering three-dimensional structure. Increasingly, experimental data is providing information on this 3D structure and dynamics of chromosomes in living cells –– these data, in turn, promise new insight into fundamental genomic processes. Similarly, the flood of DNA and protein sequence data provides a vast resource that can be used to greatly extend our ability to predict the 3D structure of proteins. In this thesis I describe Score, a visual analytics framework I have created to help biologists understand the 3D structure of chromosomes and proteins, and to explore how this structure relates to the underlying biological function. Usage of the Score framework is demonstrated through two case studies: Aquaria and Rondo. Aquaria is a web-based protein sequence structure viewer allowing users to find and navigate through structures for any given protein sequence. Rondo is a web-based chromosome structure viewer that can superimpose feature track information.

La fonction d’une protéine est ultimement déterminée par sa structure tridimensionnelle. La compréhension complète de la fonction d’une protéine implique donc la connaissance de sa structure. Le grand nombre de projet de séquençage de génome résulte en plusieurs dizaines de milliers de séquences de protéines pour lesquelles il n’existe aucune information fonctionnelle. La protéomique structurale implique l’étude de la structure tridimensionnelle de toutes les protéines d’un protéome. Comme la détermination de la structure d’une protéine est un processus laborieux, la protéomique structurale est un des plus grands défis scientifiques du 21e siècle. Malgré cela, plusieurs projets de protéomique structurale ont récemment débuté à travers le monde. Ce mémoire présente une étude qui s’inscrit dans le cadre d’un de ces projets à grande échelle, la protéomique structurale de Methanobacterium thermoautotrophicum. À l’aide de la résonance magnétique nucléaire, la structure tridimensionnelle de MTH187, une protéine de Methanobacterium thermoautotrophicum, a été déterminée. MTH187 est classifié comme ayant une séquence conservée, et sa fonction est inconnue. La structure de MTH187 révèle que cette protéine de 111 acides aminés est composée de six hélices α de 10 à 14 résidus. Par homologie structurale, il a été possible de classifier MTH187 parmi une famille structurale de type « HEAT repeat ». Les protéines de cette famille possèdent une fonction de reconnaissance protéines-protéines.

Dans cette thèse, nous explorons la complexité algorithmique de plusieurs problèmes issus de la génomique comparative, et nous apportons des solutions à certains de ces problèmes sous la forme d'algorithmes d'approximation ou paramétrés. Le dénominateur commun aux problèmes soulevés est la mise en commun d'informations génomiques provenant de plusieurs espèces dans le but de tirer des conclusions pertinentes pour l'étude de ces espèces. Les problèmes de tri par transpositions et de tri par inversions pré xes permettent de retrouver l'histoire évolutive des deux espèces. Les problèmes de distance exemplaire et de plus petite partition commune ont pour but de comparer deux génomes dans les cas algorithmiquement di ciles où chaque gène apparait avec plusieurs copies indistinguables dans le génome. En n, les problèmes d'extraction de bandes et de linéarisation visent à préciser ou corriger l'information génomique a n qu'elle soit plus pertinente pour des traitements ultérieurs. Les résultats principaux que nous présentons sont la NP-di culté des problèmes de tri (par transpositions et par inversions pré xes) dont la complexité est restée longtemps une question ouverte; une étude complète de la complexité du calcul des distances exemplaires; un algorithme paramétré pour le calcul de plus petite partition commune (avec un unique paramètre étant la taille de la partition); une étude à la fois large et approfondie des problèmes d'extraction de bandes et en n une nouvelle structure de données permettant de résoudre plus e cacement le problème de linéarisation.

Entre espèces, les génomes présentent des différences dans leur organisation, que ce soit au niveau du caryotype ou de l'ordre des gènes. Ceci reste vrai même entre espèces relativement proches comme l'humain et la souris, et est du aux réarrangements chromosomiques. Reconstruire l'histoire évolutive d'une lignée revient donc à déterminer des scénarios de réarrangements qui transforment un génome actuel en un autre. Le génome ancestral se trouve alors être l'un des états intermédiaires atteint par l'un de ces scénarios.Les réarrangements chromosomiques sont des évènements biologiques violents pour la cellule. En effet, de nombreux mécanismes moléculaires ont pour fonction de stopper le cycle cellulaire dans le cas où le génome aurait été altéré. De plus, les réarrangements peuvent être à l'origine de phénotypes aberrants, et donc probablement désavantageux pour leur porteur. Au vu de tout cela, il paraît raisonnable de poser l'hypothèse selon laquelle les scénarios de réarrangements sont parcimonieux.Cependant, il est admis que ce seul critère ne permet pas de reconstruire efficacement l'histoire évolutive des génomes. En effet, quelque soit le modèle utilisé pour générer les scénarios, leur nombre est exponentiel en le nombre de réarrangements. Une autre contrainte biologique doit donc être ajoutée. La conservation de la structure spatiale de la chromatine pourrait être un critère manquant essentiel. Il a été montré in vitro que lors d'une cassure double-brin suivie d'une réparation non-homologue, le brin utilisé pour la réparation se situe spatialement proche de la cassure. Notre hypothèse est donc que les points de cassures qui sont proches en 3D ont plus probablement participé à des réarrangements que les autres. Cela est appuyé par des analyses génomiques sur des cellules somatiques et entre espèces. Nommons cette hypothèse: l'hypothèse de localité.Notre approche a été de proposer une méthode pour utiliser l'information structurale afin de prioriser les scénarios de réarrangements. Les données de Hi-C ont été l'information structurale qui nous a permis d'appliquer la méthode aux scénarios entre D. melanogaster et D. yakuba.Ces résultats nous ont ensuite menés à nous demander si la structure de la chromatine ne pouvait pas elle-même évoluer. Elle serait alors susceptible d'être considérée comme un caractère phylogénétique. Cette idée est appuyée par d'autres résultats montrant la conservation de domaines topologiques entre espèces.Cette question ne semble pas avoir été posée auparavant. Elle est pourtant très intéressante car elle permet d'ouvrir tout un champ d'étude. En effet, si la structure de la chromatine porte un signal phylogénétique, alors il devient possible de s'interroger sur les mécanismes en œuvre lors de la sélection, ou sur la possibilité de reconstruire l'état ancestral de cette structure. Par la suite, il serait même possible de comparer l'évolution de la séquence et celle de la structure de la chromatine.Nous avons ainsi défini une distance entre les structures des génomes, basée sur la comparaison des contacts entre loci orthologues. Nous l'avons appliquée à une ensemble de six espèces comprenant l'humain, la souris et quatre drosophiles. Ces résultats confirment la présence d'un signal phylogénétique dans la structure spatiale des génomes. Ils mettent également en lumière l'intérêt de la mise en place de méthodes permettant de comparer efficacement des données de contacts entre espèces
Different species have different genome organization. Whether it be the karyotype or gene order, these differences are seen even with relatively close species like Human and Mouse. This is caused by the chromosomal rearrangement. Infererence of rearrangement scenarios that transform one present-day species into another can give insight into evolutionary states, the ancestral genome being one of the intermediates of the true scenario.The chromosomal rearrangements are violent biological events for the cell. Indeed, numerous mechanisms are present to stop the cell cycle when the genome sequence is altered. Moreover, rearrangements can be the source of aberrant phenotypes, which are probably unfavorable for the carrier. With all that, it seams reasonable to assume the rearrangement scenarios are parsimonious.However, it is accepted that this criterion alone is not sufficient to efficiently build the evolutionary history of the genomes. Indeed, for whatever model we choose, the number of scenario is exponential in the number of rearrangements. Another biological constraint is needed. The spatial structure of the chromatin could be an essential missing criterion. It has been shown in vitro that when a double-stranded break of the DNA is non-homologously repaired, the strand used for repairing is close in space to the breakpoint. Our hypothesis is that the closer the breakpoints are in space, the more probable they are to participate in a rearrangement. This hold on genomics analysis of somatic cells, and between species. Let's name that hypothesis the locality hypothesis.We proposed a method to use the structural information in order to prioritize the rearrangements scenarios. The Hi-C data were the structural information that allowed us to apply our method to scenarios between D. melanogaster and D. yakuba.This results led us to ask whether the chromatin structure could evolve by itself. Then, it could be used as a phylogenetic mark. This idea is related to previous results showing the conservation of topological domains between species.This question seams to be new, and could open a new line of investigation. If the chromatin structure holds a phylogenetical signal, it becomes possible to ask ourselves about the mechanisms that occur during the selection, or if it is possible for the ancestral state to be inferred. Then, it could even be possible to compare the evolution of the sequence with the one of the chromatin structure.Thus, we defined a distance between genome structures, based on the comparison of contacts between orthologous loci. We applied this distance to a set of six species, including the Human, the Mouse and four Drosophila. This result confirms the presence of a phylogenetic signal in the spatial structure of the genomes. They also showed that we're in need for efficient methods to compare contacts data between species

The prediction of RNA three-dimensional structures from its sequence only is a milestone to RNA function analysis and prediction. In recent years, many methods addressed this challenge, ranging from cycle decomposition and fragment assembly to molecular dynamics simulations. However, their predictions remain fragile and limited to small RNAs. In this work, we introduce RNA-MoIP, a new framework incorporating the novel local motif information available in databases for the prediction of RNA structures. We show that our approach (i) improves the accuracy of canonical base pair predictions, (ii) identifies the best secondary structures in a pool of sub-optimal structures, and (iii) predicts accurate 3D structures of large RNA molecules.
Un objectif principal de l'analyse fonctionnelle et prédictive de l'ARN est d'obtenir sa structure tridimensionnel à partir de sa séquence. Pour résoudre ce problème, plusieurs méthodes ont été développées durant les dernières années, telles la décomposition cyclique, l'assemblage de fragments et la simulation de dynamiques moléculaire. Cependant, leurs capacacités prédictives restent limitées. Nous avons mis au point un nouvel outil, RNA-MoIP, permettant d'incorporer l'information des motifs locaux nouvellement accessibles dans des bases de données pour la prédiction de structures d'ARN. Nous montrons que notre approche (i) améliore la prédiction des paire de bases canoniques (ii) identifie la meilleure structure secondaire dans un ensemble de sous-optimaux et (iii) prédit des structures 3D précises pour de large molécules d'ARN.

Deux types de gènes de tRNA tyrosine ont été isolés dans le génome de X. Laevis. Le premier (TyrC) est groupé avec 7 autres gènes de tRNA sur un fragment de 3. 18 kb répété 150X en tandem à un locus chromosomique unique. L’autre (TyrD), présenté dans cette thèse a été isolé à partir d’une banque de DNA génomique de X. Laevis. Il se trouve sur un fragment de 9. 4 kb présent à 1-3 copies par génome haploïde. Le gène TyrD a été séquencé, transcrit in vitro, et son produit analysé par fingerprinting. Les deux gènes ont des séquences adjacentes en 3’ et en 5’ différentes, des introns avec une homologie de séquence limitée en 3’. Le gène TyrD étant 6x mieux transcrit in vitro, nous avons construit des gènes hybrides et des mutants de délétion de chaque type. La transcription in vitro de ces gènes chimères nous permet de conclure que les séquences en 5’ (préférentiellement les 12 premières pb en amont du gène) sont responsables de cette transcription différentielle. Les séquences riches en GC en amont du gène TyrC semblent jouer un rôle inhibiteur dans la transcription. Il existe un gène de tRNAMetB sur le fragment de 3. 18 kb qui possède en amont une séquence de 8 pb avec alternance de purines et de pyrimidines, riche en GC. Des expériences d’insertions d’oligonucléotides synthétiques en amont de ce gène et de celui du tRNATyrD nous ont permis de tirer les conclusions suivantes : - les octamères ayant un fort potentiel Z-DNA (100% GC, stricte alternance Pu-Py) ne jouent un rôle sur la modulation de la transcription que lorsque insérés jusqu’à 30 pb en amont du gène ; - l’alternance en Pu-Py diminue significativement la transcription surtout lorsque le % en GC augmente. Nous avons analysé l’expression in vivo des 2 gènes de tRNATyr en hybridant des « Northerns blots » avec des oligonucléotides complémentaires des introns de chacun d’eux. Le 17-mer spécifique du gène dispersé (TyrD) hybride à une bande unique d’ARN de cellules somatiques, dont la taille correspond au transcrit primaire de ce gène, mais ne semble pas hybrider à l’ARN ovarien. Par contre, le 15-mer spécifique du gène groupé (TyrC) ne montre pas de signal avec l’ARN somatique mais hybride à un ARN ovocytaire dont la taille correspond à celle d’un précurseur non épissé dont les extrémités 5’ et 3’ ont été excisées. Les précurseurs intacts du gène TyrC sont détectables tout au long de l’oogenèse. Nous avons montré que dans les ovocytes prévitellogéniques, ces pré-tRNAs sont stockés dans les particules ribonucleeoprotéiques de 42S. Aucun des 2 précurseurs ne sont présents pendant les premières divisions synchrones de l’embryon. Les pré-tRNAs du gène TyrD ne sont détectables qu’à la transition mid-blastuléenne (stade 9) ; ils sont depuis lors accumulés. Les pré-tRNAs du gène TyrC existent aussi à la transition mid-blastuléenne mais leur présence décroit après le stade 10. Une sonde spécifique d’une partie commune aux 2 gènes permet de détecter les tRNAs matures tout au long de l’embryogénèse suggèrent que les précurseurs présent dans l’ovocyte sont dégradés à la fécondation. Ces changements dans l’expression des gènes de tRNATyr au cours du développement du xénope, contrastent avec ceux déjà connu pour les ARNs U1 et 5S.

This thesis covers the topic of image processing in relation to the segmentation and analysis of pores protruding the surface in the three dimensional surface structure of paper. The successful analysis of pores is related to a greater goal of relating such an analysis to the perceived quality of the surface of a paper sample. The first part of the thesis gives an introduction to the context of image processing in relation to paper research. Also, an overview of the image processing framework used for image processing plugin development, ImageJ, is provided, together with the current status of ImageJ plugins for surface characterization. The second part of the thesis gives an overview of an envisioned future paper quality assessment system. The quality assesment system described consists of six phases, three of which are treated in this thesis. These are the Image Processing phase, the Modeling phase, and the Measurement phase. The Image Processing phase is further divided into three subphases. These are the Error Correction subphase, the Pore Extraction subphase, and the Segmentation phase. Together with the description of the phases of the system, techniques are presented that are relevant to the phase currently being described. The third part of the thesis covers the development of new plugins for surface characterization within the ImageJ framework. Examples are given and evaluated to show the usage and results of each plugin, and each plugin is related to a specific part of the quality assesment system. Also, a tutorial covering use of several plugins in sequence is presented. The parts of the system receiving the most attention in relation to plugin development are segmentation and modeling.

Rapid prototyping (RP) can be used to make complex shapes with very little or even no constraint on the form of the parts. New design methods are needed for parts that can take advantage of the unique capabilities of RP. Although current synthesis methods can successfully solve simple design problems, practical applications with thousands to millions elements are prohibitive to generate solution for. Two factors are considered. One is the number of design variables; the other is the optimization method. To reduce the number of design variables, parametric approach is introduced. Control diameters are used to control all strut size across the entire structure by utilizing a concept similar to control vertices and Bezier surface. This operation allows the number of design variables to change from the number of elements to a small set of coefficients. In lattice structure design, global optimization methods are popular and widely used. These methods use heuristic strategies to search the design space and thus perform, as oppose to traditional mathematical programming (MP) methods, a better global search. This work propose that although traditional MP methods find local optimum near starting point, given a quick convergence rate, it will be more efficient to perform such method multiple times to integrate global search than using a global optimization method. Particle Swarm Optimization and Levenburg-Marquardt are chosen to perform the experiments.

Le nucléole est le site de biogenèse des ribosomes, qui commence par la transcription des gènes d’ARN ribosomique (ARNr). Cependant, le nucléole est également impliqué dans d'autres processus cellulaires, comme l’organisation 3D du génome. Ainsi, des régions génomiques appelées NADs pour Nucleolus-Associated chromatin Domains, ont été identifiées dans des cellules animales et végétales. Ces régions sont surtout hétérochromatiques et les gènes associés ont tendance a être peu ou pas transcrits. Un des objectifs de ma thèse a été d’étudier l’implication du nucléole dans l’organisation de la chromatine au sein du noyau et la régulation transcriptionnelle de gènes transcrits par l’ARN Polymérase II chez Arabidopsis thaliana. Par ailleurs, parmi les centaines de copies de gènes d’ARNr, uniquement une fraction participe au processus de biogenèse des ribosomes. Dans un second temps, j’ai donc étudié le rôle de ces copies inactives. On a pu démontrer que l’absence des gènes d’ARNr inactifs n’engendre pas de changements majeurs dans la fonction nucléolaire. Par contre, ces copies participent à la stabilité du génome. En effet, en leur absence, des duplications génomiques allant jusqu’à plusieurs centaines de kilobases s’accumulent, entraînant des duplications de gènes et des différences du niveau d’expression de ces derniers. Finalement, les effets de ces changements structuraux sur la biologie de la plante sont discutés
The nucleolus is the site of ribosome biogenesis, which begins with the transcription of ribosomal RNA (rRNA) genes. However, the nucleolus is also involved in other cellular processes, such as the 3D genome organization. Thus, genomic regions called NADs for Nucleolus-Associated chromatin Domains, have been identified in animal and plant cells. These regions are mostly heterochromatic and the associated genes tend to be poorly transcribed. One of the objectives of my thesis was to study the involvement of the nucleolus in the 3D genome organization and the transcriptional regulation of genes transcribed by RNA Polymerase II in Arabidopsis thaliana. In addition, only a fraction of rRNA gene copies participates in the process of ribosome biogenesis. In a second time, I studied the role of the inactive rRNA gene copies. We show that in their absence, there is no major changes in the nucleolus function. However, these copies contribute to genome stability. Indeed, in their absence, up to several hundred of kilobases long duplication events accumulate, resulting in the duplication and the differential expression of hundreds of genes. Finally, the impact of these structural changes on the plant biology are discussed

Le vanillier a été importé en Polynésie française au XIXème siècle et multiplié par voie végétative mais les plants cultivés aujourd'hui sont différents des vanilliers supposés avoir été introduits (Vanilla planifolia G. Jacskon, Vanilla pompona Schiede). Dans le cadre du développement de la culture de la vanille en Polynésie et notamment la mise en place d'une Appellation d'Origine « Vanille de Tahiti» il est devenu primordial de définir l'origine du vanillier tahitien et de déterminer si la diversité morphologique observée est liée à une diversité génétique et quels ont pu être les mécanismes ayant conduit à cette diversité. Ces questions sont également indispensables pour la mise en place d'un programme d'amélioration du vanillier. Les données historiques et la comparaison de marqueurs génétiques ITS et AFLP indiquent que le vanillier tahitien Vanilla tahitensis J. W. Moore est d'origine hybride et que son parent maternel est Vanilla planifolia. Le second parent n'a pas pu être déterminé mais semble proche de l'espèce Vanilla odorata Presl. Tout comme son parent maternel, et malgré son origine hybride, Vanilla tahitensis présente des anomalies cytogénétiques : une forte aneuploïdie ainsi qu'une endoreduplication partielle et progressive. Toutefois les comptages chromosomiques dans les grains de pollen suggèrent un retour à une euploïdie au niveau de la formation des gamètes impliquant des processus de régulation complexes chez le vanillier. La cytométrie en flux et les comptages chromosomiques ont mis en évidence des trois degrés de ploïdie parmi les différentes formes collectées dans les plantations traditionnelles : des formes diploïdes ('Tahiti', 'Rea rea', 'Parahurahu', 'Oviri'), triploïdes stériles et tétraploïdes ('Haapape', 'Tahiti long'). La comparaison des marqueurs AFLP et la carte génétique du morphotype le plus cultivé 'Tahiti' suggèrent que tous les morphotypes diploïdes sont issus d'autofécondations de 'Tahiti'. Le second type le plus cultivé et tétraploïde, 'Haapape', résulterait d'endoreduplication du type 'Tahiti' et les autres morphotypes tétraploïdes, d'autofécondations du type 'Haapape'. Ces études permettront de débuter un programme d'amélioration du vanillier tout en donnant des éléments pour mettre en place une protection des vanilliers tahitiens déjà existants. Ces résultats permettront à court et à moyen termes d'aider les agriculteurs polynésiens à développer la culture de la vanille dans un contexte durable
Vanilla was introduced in French Polynesia during the nineteenth century and has been propagated using vegetative reproduction, however today tahitian vanilla plants are different from vanilla plants supposed to have been introduced (Vanilla planifolia G. Jacskon, Vanilla pompona Schiede). With the French polynesian project to renew the tahitian vanilla production and with the implementation of an «Appellation d'origine Vanille de Tahiti» a marketing and quality control project, the tahitian vanilla origin has to be investigated. It is necessary to determine whether observed morphological diversity is related to genetic diversity and to elucidate processes which have lead to this diversity. These points are also necessary to further vanilla plant breeding. Historical reports and comparisons of ITS and AFLP markers between Vanilla species suggest that tahitian vanilla Vanilla tahitensis J. W. Moore is of hybrid origin and that its maternal parent is Vanilla planifolia. The second parent has not been found but seems to be closely related to the Vanilla odorata Presl. Species. As for its maternaI parent, and despite its hybrid origin, Vanilla tahitensis exhibits cytogenetical abnormalities: strong aneuploidy and progressive partial endoreduplication. However the pollen grain observations indicate a return to euploid chromosome number, indicating a complex regulation process. Flow cytometry and chromosome counts revealed three ploidy levels among the different morphotypes collected in traditional plantations: diploid ('Tahiti', 'Rea rea', 'Parahurahu', 'Oviri'), triploid ('sterile') and tetraploid ('Haapape', 'Tahiti long'). Comparing AFLP markers between tahitian vanilla accessions and the genetic linkage map of the most widely cultivated type 'Tahiti' suggest that all diploid types result from autopollination of the 'Tahiti' type. The second most cultivated type 'Haapape', which is tetraploid, should result from endoreduplication of the 'Tahiti' type and the other tetraploid types, and may result from autopollination of 'Haapape'. These results will allow the begining of a tahitian vanilla breeding program, while providing information to establish the protection of tahitian vanilla varieties. These results will permit a short-term and a mean-term assistance to tahitian growers in the sustainable development of vanilla

Chez la souris, une seule famille de longues sequences repetees a ete bien caracterisee: la famille l1. Les donnees actuelle suggerent que la dispersion des elements l1 ait eu lieu par retrotransposition, a partir des transcrits des copies progenitrices completes. Nous avons compare son organisation dans plusieurs especes apparentees. Deux mecanismes, la conversion et la retrotransposition, pourraient intervenir dans l'evolution concertee des repetitions l1. Des etudes prealables ont montre que plusieurs elements l1 complets possedent en 5 differents motifs repetes en tandem, a ou f. Leur sequence presente des analogies avec les promoteurs des genes housekeeping. Nous avons etudie l'association de ces motifs avec les elements l1. La plupart des copies completes ne possedent pas de telles repetitions en 5. Les motifs de type f ne sont pas toujours associes aux elements complets. Les sequences l1 de type a ont ete introduites plus recemment au cours de l'evolution que celles de type f. En effectuant la sequence de la region 5 de deux copies completes avec des repetitions f, nous avons verifie que celles-ci faisaient partie integrante des sequences l1. Une relation entre les deux types, a et f, de copies fondatrices et des sous-familles bien definies a ete recherchee: d'une part, les deux categories de sequences se distinguent en 5 par un site de restriction; d'autre part, les repetitions de l'orf1 sont organisees differemment dans chacune d'elles. Ces correlations indiquent que des sous-familles particulierement de sequences l1 sont issues de copies progenitrices de chaque type a et f

Les systèmes d'information géographique (SIG) sont employés couramment pour la représentation, la gestion et l'analyse des données spatiales dans un grand nombre de disciplines, notamment les sciences de la terre, l'agriculture, la sylviculture, la météorologie, l'océanographie et plusieurs autres. Plus particulièrement, les géoscientifiques utilisent de plus en plus ces outils pour l'intégration et la gestion de données dans différents types d'applications environnementales, allant de la gestion des ressources en eau à l'étude du réchauffement climatique. Au delà de ces possibilités, les géoscientifiques doivent modéliser et simuler des champs spatiaux dynamiques et 3D et intégrer aisément les résultats de simulation à d'autres informations spatiales associées afin d'avoir une meilleure compréhension de l'environnement. Cependant, les SIG demeurent extrêmement limités pour la modélisation et la simulation des champs spatiaux qui sont habituellement tridimensionnels et dynamiques. Ces limitations sont principalement reliées aux structures de données spatiales actuelles des SIG qui sont bidimensionnelles et statiques et ne sont pas conçues pour aborder le 3D et les aspects dynamiques des champs spatiaux 3D. Par conséquent, l'objectif principal de ce travail de recherche est d'améliorer la capacité actuelle des SIG concernant la modélisation et la simulation des champs spatiaux dynamiques et 3D par le développement d'une structure de données spatiale 3D cinétique. Selon notre revue de littérature, la tetraèdrisation Delaunay dynamique 3D (DT) et sa structure duale, le diagramme Voronoi 3D (VD), ont un potentiel intéressant pour manipuler la nature tridimensionnelle et dynamique de ce genre de phénomène. Cependant, en raison de l'échantillonnage particulier des données utilisées dans les applications en géosciences, la tetraèdrisation Delaunay de telles données est souvent inadéquate pour l'intégration et la simulation numériques de champs dynamiques. Par exemple, dans une simulation hydrogéologique, les données sont réparties irrégulièrement i.e. verticalement denses et horizontalement clairsemées, ce qui peut résulter en une tessellation inadéquate dont les éléments seront soit très grands, soit très petits, soit très minces. La taille et la forme des éléments formant la tessellation ont un impact important sur l'exactitude des résultats de la simulation, ainsi que sur les coûts de calcul qui y sont reliés. Par conséquent, la première étape de notre travail de recherche est consacrée au développement d’une méthode de raffinement adaptative basée sur la structure de données Delaunay dynamique 3D et à la construction d’une tessellation 3D adaptative pour la représentation et la simulation de champs dynamiques. Cette tessellation s’ajuste à la complexité des champs, en considérant les discontinuités et les critères de forme et de taille. Afin de traiter le comportement dynamique des champs 3D dynamiques dans SIG, nous étendons dans la deuxième étape de cette recherche le VD 3D dynamique au VD 3D cinématique pour pouvoir mettre à jour en temps réel la tessellation 3D lors des procédés de simulation dynamique. Puis, nous montrons comment une telle structure de données spatiale peut soutenir les éléments en mouvement à l’intérieur de la tessellation ainsi que leurs interactions. La structure de données cinétique proposée dans cette recherche permet de gérer de manière élégante les changements de connectivité entre les éléments en mouvement dans la tessellation. En outre, les problèmes résultant de l'utilisation d’intervalles de temps fixes, tels que les dépassements et les collisions non détectées, sont abordés en fournissant des mécanismes très flexibles permettant de détecter et contrôler différents changements (événements) dans la tessellation Delaunay 3D. Enfin, nous étudions le potentiel de la structure de données spatiale cinétique 3D pour la simulation de champs dynamiques dans l'espace tridimensionnel. À cette fin, nous décrivons en détail les différentes étapes menant à l'adaptation de cette structure de données, de sa discrétisation pour des champs 3D continus à son intégration numérique basée sur une méthode événementielle. Nous démontrons également comment la tessellation se déplace et comment la topologie, la connectivité, et les paramètres physiques des cellules de la tessellation sont localement mis à jour suite à un événement topologique survenant dans la tessellation. Trois études de cas sont présentées dans la thèse pour la validation de la structure de données spatiale proposée, et de son potentiel pour la simulation de champs spatiaux 3D et dynamiques. Selon nos observations, pendant le procédé de simulation, la structure de données est préservée et l'information 3D spatiale est gérée adéquatement. En outre, les résultats calculés à partir des expérimentations sont très satisfaisants et sont comparables aux résultats obtenus à partir d'autres méthodes existantes, pour la simulation des mêmes champs dynamiques. En conclusion, certaines des limites de l'approche proposée liées au développement de la structure de données 3D cinétique et à son adaptation pour la représentation et la simulation d'un champ spatial 3D et dynamique sont discutées, et quelques solutions sont suggérées pour l'amélioration de l'approche proposée.
Geographic information systems (GIS) are widely used for representation, management and analysis of spatial data in many disciplines including geosciences, agriculture, forestry, metrology and oceanography etc. In particular, geoscientists have increasingly used these tools for data integration and management purposes in many environmental applications ranging from water resources management to global warming study. Beyond these capabilities, geoscientists need to model and simulate 3D dynamic spatial fields and readily integrate those results with other relevant spatial information in order to have a better understating of the environment. However, GIS are very limited for modeling and simulation of spatial fields which are mostly three dimensional and dynamic. These limitations are mainly related to the existing GIS spatial data structures which are 2D and static and are not designed to address the 3D and dynamic aspects of continuous fields. Hence, the main objective of this research work is to improve the current GIS capabilities for modeling and simulation of 3D spatial dynamic fields by development of a 3D kinetic data structure. Based on our literature review, 3D dynamic Delaunay tetrahedralization (DT) and its dual, 3D Voronoi diagram (VD), have many interesting potentials for handling the 3D and dynamic nature of those kind of phenomena. However, because of the special configurations of datasets in geosciences applications, the DT of such data is often inadequate for numerical integration and simulation of dynamic field. For example, in a hydrogeological simulation, the data form highly irregular set of points aligned in vertical direction and very sparse horizontally which may result in very large, small or thin tessellation elements. The size and shape of tessellation elements have an important impact on the accuracy of the results of the simulation of a field as well as the related computational costs. Therefore, in the first step of the research work, we develop an adaptive refinement method based on 3D dynamic Delaunay data structure, and construct a 3D adaptive tessellation for the representation and simulation of a dynamic field. This tessellation is conformed to represent the complexity of fields, considering the discontinuities and the shape and size criteria. In order to deal with the dynamic behavior of 3D spatial fields in a moving framework within GIS, in the second step, we extend 3D dynamic VD to 3D kinetic VD in the sense of being capable of keeping update the 3D spatial tessellation during a dynamic simulation process. Then, we show how such a spatial data structure can support moving elements within the tessellation and their interactions. The proposed kinetic data structure provides an elegant way for the management of the connectivity changes between moving elements within the tessellation. In addition, the problems resulting from using a fixed time step, such as overshoots and undetected collisions, are addressed by providing very flexible mechanisms to detect and manage different changes (events) in the spatial tessellation by 3D DT. Finally, we study the potentials of the kinetic 3D spatial data structure for the simulation of a dynamic field in 3D space. For this purpose, we describe in detail different steps for the adaption of this data structure from its discretization for a 3D continuous field to its numerical integration based on an event driven method, and show how the tessellation moves and the topology, connectivity, and physical parameters of the tessellation cells are locally updated following any event in the tessellation. For the validation of the proposed spatial data structure itself and its potentials for the simulation of a dynamic field, three case studies are presented in the thesis. According to our observations during the simulation process, the data structure is maintained and the 3D spatial information is managed adequately. Furthermore, the results obtained from the experimentations are very satisfactory and are comparable with results obtained from other existing methods for the simulation of the same dynamic field. Finally, some of the limitations of the proposed approach related to the development of the 3D kinetic data structure itself and its adaptation for the representation and simulation of a 3D dynamic spatial field are discussed and some solutions are suggested for the improvement of the proposed approach.