UFR de Physique

Présentation des enseignements

PBM - EC: Dynamique des Biosystemes

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Modules

    UE non présente en Module M1
    UE présente en Module M2

Volume horaire

  • Cours : 20
  • Cours/TD : 25
  • TD : 0
  • TD/TP : 0
  • Stage : 0
  • Projet : 0
  • ATE : 0
  • TP : 6

Contenu du module

Les cours, dont le programme est détaillé ci-dessous, seront accompagnés de travaux pratiques où les étudiants pourront simuler numériquement, un certain nombre de modèles mathématiques représentatifs du cours. En complément, les étudiants seront invités à participer aux séances de « journal club » physique-biologie du laboratoire PhLAM.

Introduction. Génotype et phénotype. Mécanismes de base de l'expression génique (transcription, traduction,...). Régulation de la transcription : grands principes, activation, répression. Régulation de l'activité des protéines et de leur stabilité. Réseaux de régulation. Motifs élémentaires dans des réseaux de régulation et leurs propriétés dynamiques : boucles de rétroaction positive ou négative, boucles « feed-forward » cohérentes ou incohérentes.

Illustrations de phénomènes dynamiques typiquement non linéaires (oscillations, bistabilité,...) dans quelques systèmes biologiques : NF-B, p53-Mdm2, sporulation chez bacillus subtilis, oscillations circadiennes, cycle de division cellulaire, commutation lactose-glucose chez E. Coli, etc.

Notions de dynamique non linéaire : équations différentielles, espace des phases, nullclines, diagrammes de bifurcation. Comportements complexes : oscillations et bistabilité. Réduction de modèles. Quelques remarques sur les modèles mathématiques. Du réseau au système dynamique sous-jacent, déterministe ou stochastique.

Description de la cinétique des principaux processus intervenant dans les réseaux de régulation : traduction, transcription, dégradation. Sources de non linéarités : régulation, complexation, contrôle enzymatique de la dégradation, modifications covalentes. Combinatoire de la régulation transcriptionnelle. Saturation ou ultrasensibilité. Cascades de signalisation. Coefficients de Hill.

Bistabilité. Comportements universels. Biologie synthétique : exemples de boucles positives à un ou deux gènes. Exemples biologiques : maturation des œufs de Xénope. Cycle cellulaire (système Cycline B/Cdk1). Switch glucose/lactose chez E. Coli. Déclenchement de l'apoptose.

Oscillations dans des réseaux de régulation. Horloges circadiennes : quelques exemples, couplage d'oscillateurs, synchronisation à un cycle externe. Segmentation des somites. Réparation des dommages à l'ADN : l'oscillateur p53-Mdm2. Oscillations dans le système NF-B et multiplexage de l'information biologique. Oscillateurs en biologie synthétique. Cycle de division cellulaire : l'oscillateur MPF-APC, oscillations de relaxation, points de contrôle, excitabilité.

Ingrédients dynamique des oscillations : délai temporel, non-linéarités dans la régulation et la dégradation. Analyse mathématique d'un petit modèle de gène auto-reprimé.

Un exemple de traitement de l'information par un système biologique : la chimiotactie chez E. Coli. Systèmes adaptatif.

Aspects stochastiques de la dynamique de réseaux biologiques. Fluctuations dans les systèmes de réactions biochimiques et leur propagation. Modèles stochastiques de l'expression génique. Notions de bruit intrinsèque et extrinsèque. Rafales transcriptionnelles. Bruits à l'échelle de l'individu et de la population. Bruit en tant que générateur de diversité phénotypique. Stochasticité et robustesse. Adaptation d'une population à un environnement fluctuant.

Approches mathématiques des systèmes biologiques stochastiques. Processus aléatoires. Processus Markoviens. Algorithmes de simulation numérique de Gillespie et Gibson-Bruck. Equation maîtresse. Corrections aux équations du bilan par des approches perturbatives : approximation du bruit linéaire, équation de Langevin, développement en cumulants. Bifurcations en présence de bruit. Un exemple : oscillations induites par le bruit dans un gène auto-reprimé.

Robustesse des systèmes biologiques. Robustesse par rapport aux fluctuations des variables, des constantes cinétiques. Analyse de sensibilité. Un exemple de robustesse à l'échelle du réseau : la compensation en température dans les horloges circadiennes, théorèmes de sommation.

Responsable

marc Lefranc
Phlam
Adresse Mel : Marc.Lefranc@univ-lille1.fr
Téléphone : 03 20 33 64 50

Documents

Les enseignants peuvent mettre des cours et documents à disposition de leurs étudiants.

Ceux-ci sont centralisés sur la plateforme pédagogique Moodle de l'Université.

Plateforme pédagogique Moodle