Dynamique et modularité de la voie Mitogen Activated Protein Kinase dans les ovocytes de Xénope : modélisation et approches expérimentales

par Christophe Russo

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Jean-François Bodart et de Ralf Blossey.

Soutenue le 14-12-2009

à Lille 1 .


  • Résumé

    Le contexte scientifique de cette thèse considère l’étude de la voie de signalisation Mos-MEK-MAPK dans l’ovocyte de Xenopus laevis au cours de la transition G2/M du cycle cellulaire. Une approche interdisciplinaire a conduit à l’élaboration d’une analyse, tant expérimentale que théorique de la voie Mos-MEK-MAPK. Une étude bibliographique du sujet a permis d’identifier des articles de référence dans ce domaine. Les articles de Huang, Ferrell (1998) et Angeli et al. (2004) ont procuré une base théorique pour la description des interactions au sein de la voie. Une approche critique du modèle proposé par Angeli et collaborateurs a été produite, au moyen d’une résolution analytique des équations différentielles qui le constitue. Ainsi, l’importance du choix du type de cinétique et des termes qui composent les équations a été démontrée, en particulier pour représenter l’évolution temporelle de Mos. De plus, nous avons démontré que le comportement de la cascade Mos-MEK-MAPK peut être interprété via une approche analytique dans un cadre particulier de valeurs de paramètres. En outre, des résultats inédits quant à l’évolution temporelle de Mos sur de longues périodes de culture après stimulation par la progestérone, ont été observés en présence d’un inhibiteur de MEK, l’U0126. Par ailleurs, la maturation des ovocytes de Xenopus laevis a été stimulée par injection de cytoplasme contenant du MPF en présence ou non de U0126. Des analyses par western blot ont permis d’évaluer l’accumulation au cours du temps de la protéine Mos, et des états de phosphorylation de MEK, MAPK, ainsi que de la cycline B2. Il a été mis en évidence l’importance de l’activation du MPF pour l’accumulation de Mos. Le MPF peut être activé en absence de MAPK et jouer un rôle prépondérant pour l’initiation de la voie de signalisation. Aussi, suite à ces observations expérimentales et l’analyse des modèles existants, un nouveau modèle de la cascade a été proposé, qui prend en compte trois formes différentes de la protéine kinase Mos : une forme inactive instable, une forme active instable et une forme active stable. Aux côtés de la boucle de rétro-contrôle de MAPK qui stabilise la forme active instable, l’interaction entre la forme active instable de Mos et le MPF, qui le stabilise, a été considérée. Cette dernière n’avait jamais pas été utilisée auparavant pour la modélisation de la cascade Mos-MEK-MAPK. Cette approche constitue la première proposition de modèle biologiquement et physiquement réaliste de ce réseau. La paramétrisation du modèle s’est fondée sur trois sources distinctes : (1) des mesures expérimentales trouvées dans la littérature, (2) un choix arbitré par la connaissance du comportement du modèle, (3) des estimations théoriques, à partir de plages fixées expérimentalement. Une analyse des équilibres du modèle par bifurcation a permis de discuter de l’influence des valeurs des paramètres sur le comportement de la cascade. Cette approche permet de produire une prédiction sur le comportement de la cascade en fonction de la variation de concentration de MPF ainsi que sur l’influence de l’intensité de l’interaction entre MAPK et la forme active instable de Mos. Les résultats de simulation obtenus avec le modèle ont été confrontés aux observations issues des expériences. Une bonne corrélation a été observée dans une optique qualitative.

  • Titre traduit

    Dynamics and modularity of the Mitogen Activated Protein Kinase signaling pathway in Xenopus oocytes : modeling and experimental approaches


  • Résumé

    The scientific context of this thesis is based on the study of the signaling pathway Mos-MEK-MAPK in Xenopus laevis ovocytes during the G2/M transition of the cell cycle. An interdisciplinary approach from the biological and physical sciences led us to an experimental and theoretical analysis of the pathway. A bibliographical study identified the key articles related to this field. The articles of Huang, Ferrell (1998) and Angeli et al. (2004) gave us a theoretical basis to describe the interactions within the pathway. A critical analysis of the latter paper has been performed by means of an analytical solution of the differential equations defining the model proposed by Angeli and colleagues. Thus, the importance of the kinetic formulation type and the choice of the mathematical terms of the equations has been underlined ; especially in regard to the time variation of the Mos protein. Moreover, we have proposed an interpretation of the Mos-MEK-MAPK cascade behavior via an analytical approach within the context of the experimental parameter values given by Angeli. In addition, new results regarding to the long time evolution of Mos protein have been recovered when the ovocytes are stimulated with progesterone in presence of MEK inhibitor U0126. Furthermore, ovocytes of Xenopus laevis were stimulated by MPF in presence or absence of U0126. Western blot analysis gave information about the time evolution of Mos accumulation and the states of MEK, MAPK and cyclin B2 phosphorylation. Data showed the importance of MPF in Mos accumulation. In absence of MAPK, MPF is produced and plays an important role in the initiation of the signaling pathway. In contrast to other models, our model has been proposed to take into account three forms of the Mos protein : an unstable inactive state, an unstable active state and a stable active state. The model considers the influence of either MPF and MAPK on the accumulation of the active stable of Mos. The influence of MPF has never been used in previous model of the Mos-MEK-MAPK signaling pathway. Our model is based on a biological and physical point of view. The parametrization of the model is based on : (1) experimental values found in literature, (2) arbitrary values constraints by the known system behavior, (3) theoretical estimations from interval of experimental values. Bifurcation analysis of the system indicated the influence of the parameters values on the system behavior and equilibrium states. This approach produces a prediction for the behavior of the cascade in function of the MPF concentration value. It produces also a discussion for the strength of the interactions between MAPK and the active non-stable form of Mos protein. Simulation results from our model were compared with the experimental observations from our experiments. A good qualitative agreement was found.


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