Modélisation dynamique logique de la biogenèse des centres fer-soufre chez Escherichia coli

Logical dynamical modelling of Fe-S cluster biogenesis in Escherichia coli

• Auteur / Autrice : Firas Hammami
• Direction : Pierre Marques Mandin, Elisabeth Rémy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioinformatique et Génomique
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie bactérienne (LCB) (Marseille) - Institut de mathématiques de Marseille (I2M)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Van Helden
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Thieffry, Frédéric Barras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sarah Dubrac, Hidde de Jong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Escherichia coli

Homéostasie

Modèles mathématiques

Centres fer-soufre

Mots clés libres

Centres Fer-Soufre

Modélisation mathématique

Réseaux de régulation

Homéostasie

Équations logiques

Iron-Sulfur cluster

Mathematical modelling

Regulatory networks

Homeostasis

Logical equations

Résumé

Les centres Fer-Soufre (Fe-S) sont des cofacteurs essentiels ubiquitaires conservés dans tous les domaines du vivant. La biogenèse des centres Fe-S est extrêmement sensible à la carence en fer et au stress oxydant provoqué notamment par l’H2O2. Deux machineries, Isc et Suf, permettent l’assemblage et le transfert des centres Fe-S sur les apo-protéines cibles. Chez la bactérie modèle E.coli, Isc est considérée comme la machinerie utilisée en absence de stress, tandis que Suf est celle agissant dans des conditions de stress.Dans ce travail de thèse, nous proposons un modèle mathématique du réseau de régulation contrôlant la biogenèse des centres Fe-S, basé sur le formalisme logique, afin de mieux comprendre les mécanismes de régulation ainsi que la dynamique de ce processus en fonction des conditions environnementales que sont le fer et l’oxygène.Nous avons construit un graphe de régulation représentant les interactions entre les principaux acteurs de la biogenèse. Le graphe a ensuite été paramétré à l’aide de règles logiques décrivant le comportement dynamique du système.Ce modèle logique est centré sur trois modules décrivant la biogenèse des centres Fe-S, l’homéostasie du fer, et le stress oxydant centré sur l'H2O2. Les nœuds d’entrée du modèle représentent les conditions extracellulaires de fer et d’oxygène, tandis que les noeuds ErpA, NfuA (transporteurs de centres Fe-S) et Suf sont les nœuds de sortie du modèle.

Iron-sulfur (Fe-S) clusters are essential cofactors conserved in all domains of life. Fe-S biogenesis is extremely sensitive to stresses such as iron deprivation and oxidative stress, notably due to H2O2. Two machineries, Isc and Suf, allow the Fe-S assembly and their transfer to Fe-S proteins. In the model bacterium Escherichia coli, Isc is considered as the machinery used under optimal growth conditions, whereas Suf is used during stress.In this PhD thesis, we propose a logical mathematical model of the regulatory network controlling the Fe-S biogenesis process, in order to better understand the underlying regulatory mechanisms and the dynamics of the process depending on environmental factors such as iron and oxygen levels.In this PhD thesis, we propose a logical mathematical model of the regulatory network controlling the Fe-S biogenesis process, in order to better understand the underlying regulatory mechanisms and the dynamics of the process depending on environmental factors such as iron and oxygen levels.This logical model is centered on three modules describing the Fe-S biogenesis, the iron homeostasis module and the oxidative stress module centered on H2O2 response. The model inputs represent extracellular iron and oxygen environmental conditions, whereas ErpA, NfuA (Fe-S carrier proteins), and Suf are output nodes of the model.In addition to the enhancement of the crosstalks between the three modules mentioned above, the model provides several predictions such as the fact that perturbations of oxidative stress module affect iron homeostasis, but not vice versa.