Pr

1
LA BIO-INFORMATIQUE
EXPOSÉ

• - Présenter Les Concepts de Base
• comprendre le processus de régulation
• Connaître les Systèmes et les Approches de
  modélisation des RG
• Connaître les Perspectives

2
CONCEPTS DE BASE
3
La bio-informatique est un champ de recherche
multi-disciplinaire où travaillent de concert
biologistes, informaticiens, mathématiciens et
physiciens, dans le but de résoudre un problème
scientifique posé par la biologie. Le terme
bio-informatique peut également décrire (par abus
de langage) toutes les applications informatiques
résultant de ces recherches. Cela va de l'analyse
du génome à la modélisation de l'évolution d'une
population animale dans un environnement donné,
en passant par la modélisation moléculaire,
l'analyse d'image, le séquençage du génome et la
reconstruction d'arbres phylogénétiques
(phylogénie).
1.1 La Bio-informatique
4
1.2 La cellule
cytoplasme
Cellule dénominateur commun des êtres
vivants Exemples bactéries,virus, Rétrovirus
5
1.3 LADN
L'ADN, abréviation d'acide désoxyribonucléique,
se trouve dans le noyau de la plupart des types
de cellules. Il contient les instructions propres
à la cellule et détermine comment les traits
d'une personne seront transmis d'une génération à
l'autre.
1.4 Les Gènes et Les Nucléotides
Le langage de l'ADN, comprend des mots et des
phrases également! Chaque mot est une unité de
la molécule d'ADN, appelée nucléotide. Chaque
phrase est une longue chaîne de nucléotides,
appelée gène Équations ADNS gènes
gène S nucléotides
nucléotide ? A,C,G,T
6
1.5 Structure des nucléotides
Fig1 Structure interne
Liaison hydrogène (C-G ou A-T)
Fig2Liaison covalente
Légende (A) Adénine (T) Thymine (C) Cytosine
(G) Guanine
7
1.6 LARN
L'ARN est l'abréviation d'acide ribonucléique.
Tout comme l'ADN, les molécules d'ARN sont
fabriquées dans le noyau de la cellule.
Toutefois, contrairement à l'ADN, l'ARN ne se
limite pas au noyau et contient une nucléotide U
(uracile) au lieu de T
L'ARN a plusieurs fonctions et par suite on
distingue les appellations suivantes ARNm, ARNr
et ARNt
8
Les protéines sont les molécules biologiques qui
donnent aux cellules vivantes leurs formes et
fonctions diverses, les protéines comprennent une
ou plusieurs chaînes polypeptidiques
1.7 Les Protéines
Fonctions - Fonction structurale (poussée de
chevaux, cartilage,) - Catalyseur d'importantes
réactions chimiques (enzymes) -passage des
particules moléculaires vers ou hors de la
cellule -régulation des fonctions du corps
(hormones)
9
1.8 Le modèle clé-serrure
Les enzymes produisent des centaines de réactions
chimiques essentielles à notre survie.
Les enzymes se plient de telle façon qu'on
observe une échancrure ou une poche à leur
surface. On appelle cette poche site actif.
Le modèle clé-serrure repose sur le principe
selon lequel les formes des molécules réagissant
(les substrats) et le site actif de l'enzyme
s'emboîtent comme une clé dans la serrure pour
laquelle elle est conçue.
Site actif
10
2. PROCESSUS DE REGULATION
11
2.1 Synthèse des protéines
Le processus peut être divisé en deux phases la
Transcription, suivie de la Traduction.
12
2.1 Synthèse des protéines
1.coupure liaison H
2. Fabrication ARNc
3. Fabrication acides aminés
codon triplet de bases (combinaison de C,A,U et
G) Stopcodon fin traduction
13
2.2 Catalyse de la synthèse des protéines
- la CAP (catabolite activator protein) est une
molécule qui forme un complexe avec une autre
substance lAMP cyclique (AMP-c) se lient a la
molécule dADN et cette liaison a pour effet
daugmenter la transcription. Or, lAMP-c nest
présente que si le glucose vient a manquer.
(AMPCAP) joue un rôle dactivateur pour
lopéron.  
- Un opéron est un groupe de gènes structurels,
cest-a-dire des gènes codant pour des protéines
- une molécule dATP peut se dégrader en ADP
(adénosine diphosphate), ce qui libère une
certaine quantité dénergie utilisable
14
2.3 La régulation des réactions chimiques
Une enzyme possède plusieurs sites de liaison,
chaque type de liaison concerne un substrat
différent. On parlera deffet allostérique si la
liaison dun substrat S1 sur un site E1 modifie
laffinité dun autre site E2 pour son substrat
S2. S1 est appelé effecteur de S2, car il a sur
ce site un effet indirect il peut activer ou au
contraire inhiber la liaison du deuxième substrat
S2 avec le site E2. Si la liaison S1-E1 a pour
effet daugmenter laffinité entre S2 et E2,
alors S1 est appelé activateur de lenzyme. Si au
contraire elle a pour effet de diminuer cette
affinité, S1 est alors appelé inhibiteur de
lenzyme. ( Rétroaction négative)
15
2.4 Le rôle des enzymes

• lARN-polymérase ? copie de lADN pour aboutir à
  un ARNm

• La perméase ? enzyme transporteur Faire
  pénétrer les molécules de lactose du milieu
  extracellulaire a lintérieur de la cellule.
• La ß-galactosidase?enzyme qui favorise la
  transformation du lactose intracellulaire en
  glucose

16
3 MODELISATION DES RESEAUX DE REGULATION
GENETIQUE
17
3.1 Classification des modèles
Les différents modèles qui ont été proposés pour
tenter de donner une approche mathématique des
réseaux génétiques se rangent pour lessentiel
dans 3 catégories

• Les systèmes discrets
• Les systèmes continus
• Les systèmes hybrides

Remarque On peut trouver une classification
selon le déterminisme de lapproche Approche
déterministe et approche stochastique
18
3.2 Les systèmes discrets

• Entre autres on trouve
• Les réseaux dautomates booléens
• Les réseaux de pétri
• Les réseaux de neurones
• Les graphes

Principe général
gène
f1
transition
f3
f4
f2
fi Fonction de transition
19
3.3 Les réseaux dautomates booléens
- Un nœud automate ( 0 ou 1 ) çad gène activé
ou non
- Matrice dincidence Soit un graphe
dinteraction GI On définit la matrice
dincidence de GI comme étant la matrice
booléenne B de dimension n n telle que Pour
i, j ? 1, . . . , n , bij 1 si j influence i
, 0 sinon
- Fonction de transition globale du réseau
xi gène fi fonction logique
20
3.3 Les réseaux dautomates booléens
Modes opératoires - Mode parallèle
à chaque instant discret t, toutes les cellules
évoluent simultanément. - Mode série à chaque
instant t un seul automate est mis a jour. -
Mode mixte un groupe de cellules commence à
évoluer simultanément, puis un second groupe et
ainsi de suite jusquà ce que toutes les
cellules aient évolués une et une seule fois
21
3.4 Application en biologie
Activer
Inhiber
A..I gènes
22
3.5 Inférence dun réseau booléen
Il sagit de retrouver, a partir des transitions
entre les gènes , quelle est la topologie du
réseau (cest a dire comment sont connectés les
différents automates entre eux et quelles sont
les fonctions dactivation des automates).

• Algorithmes didentification (reverse engineering
  algorithms)
• Principe
• Reveal1 chercher les connectivités k de chaque
  fonction booléenne
• Reveal2 trouver les variables effectives des
  fonctions fi dont la connectivité réelle lt K.
• -Reveal3 identification partielle de la matrice
  ( mat. à grande taille)

23
3.6 Reveal1
24
3.7 Reveal2
25
3.8 Reveal3
26
3.9 Les équations différentielles
- Le formalisme le plus utilisé pour modéliser
les réseaux de régulation génétique est sans
aucun doute celui des équations différentielles.
Suivant cette approche, les concentrations des
composants moléculaires du système sont
représentées par des variables réelles positives
qui évoluent de manière continue au cours du
temps. la dérivée temporelle dune variable
(concentration)est fonction de la valeur des
autres variables.
- Équations de base de la cinétique enzymatique
SSubstrat, EEnzyme, Pproduit, Ki
constantes
27
3.9 Les équations différentielles
En notant respectivement s, e, c et p les
concentrations en substrat, en enzyme, en
complexe et en produit, la loi daction de masse
nous donne le système différentiel suivant
28
3.10 Les systèmes hybrides
- Dans un système hybride, les variations
rapides, ou bascules(switch), sont représentes
comme des évènements discrets, pour les nommer.
Ladjonction de ces évènements discrets à un
système classique déquations différentielles
ordinaires est a la base du concept de système
hybride.
- Un système hybride est un sextuplet H (Q,
E,D,F, G,R)
Q ensemble des nœuds ,E ensemble des
transitions DDomaine des valeurs, F ensemble
des fonctions G ensemble des gardes, R
Fonctions Reset
29
3.11 Modèle hybride de lopéron lactose

• En absence de lactose, lopéron est bloqué
• En présence de lactose et de glucose, lopéron
  est induit
• En présence de lactose et en absence de glucose
  lopéron est activé

V étant la fonction de Michaelis
30
3.11 Modèle hybride de lopéron lactose
Les points déquilibre sont les points ou le
système déquations sannule çad pour tout i,
fi0
Pour étudier léquilibre du système, il faut
calculer la matrice jacobienne de Fi
31
3.11 Modèle hybride et S-systèmes
Les S-systèmes sinscrivent dans un formalisme
ancien centré sur létude des lois de puissance
dans les équations algébriques et différentielles
les S-systèmes font partie de la classe plus
générale des systèmes quasi-monomiaux (QM)
Un S-système est présenté comme suit
(i1..n)
32
3.12 Approximation et recherche des points
déquilibres
33
3.13 Approche stochastique

• Approche probabiliste
• Équations maîtresses EDS
• Ajout dun bruit

34
4 PERSPECTIVES
35

• Tendance vers les systèmes hybrides
• Importance des s-systems
• Importance de lapproche stochastique en dépit
  des fluctuations des paramètres qui régissent les
  processus chimiques