Comprendre l'interaction entre régulations métaboliques et régulations géniques : L'exemple du métabolisme carboné d'E. coli – MetaGenoReg

1-Contexte scientifique et objectifs du projet : - Une des questions majeures en biologie des systèmes est de comprendre la coordination des réponses adaptatives d'un organisme face à des changements de l'environnement. Typiquement cette réponse implique à la fois une régulation métabolique liée aux propriétés cinétiques des enzymes, et une régulation génique affectant leurs concentrations. Or la régulation de l'expression des gènes dépend des concentrations des métabolites, et réciproquement les changements d'expression génique affectent l'activité des processus métaboliques. En conséquence la compréhension des modalités de la régulation cellulaire passe par l'intégration des réseaux de régulation génique dans le métabolisme cellulaire. - - Or à ce jour il y a eu peu de tentatives de combiner les deux types de régulation dans un modèle unifié. Il nous manque un cadre méthodologique qui puisse passer à l'échelle, qui nous permette de comprendre précisément la coopération entre régulation métabolique et régulation génique. L'ambition du présent projet est de contribuer à une telle méthodologie et de l'appliquer à un système modèle bien établi : la régulation du métabolisme carboné chez Escherichia coli. - - 2-Description du projet, méthodologie : - Dans un premier temps, un modèle benchmark sera élaboré sur la base d'équations différentielles décrivant les cinétiques enzymatiques classiques. Seule une partie de l'information nécessaire (en termes de paramètres cinétiques) est disponible dans la littérature, donc ce modèle constituera une première approche sommaire du système réel. Ce modèle sera également trop complexe pour une analyse systématique du comportement dynamique. Il est donc essentiel de réduire ce modèle et d'y introduire des approximations qui permettent de diminuer la dimension de l'espace des paramètres. En général on utilise des approximations différentes pour la régulation métabolique et la régulation des gènes. Dans le premier cas les réponses sont en général progressives et peuvent être approchées par différents types de linéarisation, alors que la régulation génique est souvent plus abrupte, permettant une approximation par des fonctions en escalier. Nous étudierons donc la faisabilité de modèles composites combinant ces deux types d'approximation, permettant d'intégrer les deux types de régulation dans un modèle simplifié. Le modèle benchmark servira à évaluer la qualité de ces méthodes de réduction et d'approximation. - - La dynamique du système biologique sera étudiée expérimentalement, à la fois au niveau métabolique et de l'expression des gènes, sur une adaptation bien caractérisée, la transition diauxique glucose-acétate. La mesure des concentrations et des flux métaboliques utilisera la RMN et la spectrométie de masse, alors que l'expression des gènes sera suivie par des microarrays, des gènes rapporteurs (GFP et luciférase) et certaines mesures spécifiques de mARNs et de protéines. Ces données serviront à l'estimation des paramètres du modèle simplifié et à sa révision, si nécessaire. Les prédictions les plus intéressantes en terme de comportement du système seront testées expérimentalement par la construction de souches appropriées et la comparaison des dynamiques prédites et observées. - - 3-Résultats attendus : - Le modèle simplifié permettra d'évaluer les contributions respectives de la régulation métabolique et de la régulation génique, à la fois qualitativement en termes de comportement dynamique et quantitativement en termes de coefficients de régulation. Cela permettra d'appréhender la logique de la répartition de la régulation entre le niveau métabolique et le niveau génique. Nous espérons ainsi prédire dans quelle mesure régulation métabolique et régulation génique sont ou non interchangeables. - - Un autre résultat important sera le développement de méthodes génériques de réduction et de modélisation composite de systèmes complexes, qui pourraient s'appliquer de manière très