Roberto ORNELAS GUEVARA - Faculté des Sciences

Titre de la thèse: Mechanistic Insights in Calcium Signalling and the Unfolded Protein Response Through Data-Driven Computational Models 
Résumé:
Le calcium (Ca²⁺) est un messager intracellulaire clé impliqué dans de nombreux processus physiologiques, notamment la division cellulaire, la fécondation, le métabolisme mitochondrial et la régulation de l’expression génique. Sa régulation précise est essentielle au maintien de l’homéostasie cellulaire, et des perturbations de sa dynamique sont associées à diverses pathologies. Les signaux calciques sont régulés dans l’espace et le temps par un réseau de pompes, échangeurs et canaux aux interactions non linéaires complexes. L’étendue spatiale de ces signaux concerne aussi bien des microdomaines entre le réticulum endoplasmique (RE) et la membrane plasmique (MP) que la cellule entière, ou un groupe de cellules. Les modèles mathématiques et computationnels constituent des outils idéaux pour explorer leur régulation et leurs impacts physiologiques. 
Cette thèse décrit les modèles mathématiques et computationnels utilisés pour investiguer, en collaboration étroite avec l’expérience, trois problèmes-clefs liés à la signalisation calcique. 
Le premier projet examine les propriétés de diffusion de l’inositol 1,4,5-trisphosphate (IP₃), le messager principal initiant la signalisation calcique. Des études in vitro estimaient son coefficient de diffusion à 280 µm²/s, tandis que des observations in vivo couplées à un modèle simplifié à une dimension spatiale suggéraient des valeurs bien plus faibles (3–10 µm²/s). Un modèle hybride stochastique et déterministe, intégrant une géométrie cellulaire réaliste, a estimé un coefficient effectif d’environ 100 µm²/s et montré que la diffusion de l’IP₃ est facilitée dans des cellules allongées.
Le deuxième projet explore les microdomaines calciques dans l’activation des cellules T, notamment les microdomaines dépendants de l’adhésion (ADCMs) aux jonctions RE-MP. Par des simulations détaillées des flux de Ca²⁺ et de la dynamique stochastique des clusters de récepteurs à l’IP3, le modèle reproduit les amplitudes, durées et l'étendue spatiale des ADCMs observés expérimentalement, offrant un éclairage sur la signalisation calcique initiale dans l’immunité.
Le troisième projet étudie l’impact des variations du Ca²⁺ du RE sur l’activation des senseurs de la réponse aux protéines mal repliées (UPR) : IRE1α, PERK et ATF6α. Au moyen d’imagerie calcique, d’analyses biochimiques et de modélisation mathématique, nous avons montré que l’activation des trois branches de l’UPR est hautement sensible au taux de diminution du [Ca²⁺] du RE. Nos analyses révèlent une activation non linéaire de la branche IRE1α, tandis que PERK et ATF6α s’activent progressivement. Les simulations ont prédit une désactivation rapide des voies IRE1α et PERK après un retour à des [Ca2+] élevées dans le RE, ce qui a été confirmé expérimentalement.
Enfin, une méthodologie de couplage entre COMSOL Multiphysics et MATLAB a été développée pour simuler des scénarios hybrides stochastiques-déterministes. Les études présentées dans ce travail fournissent des exemples clairs de la manière dont les modèles computationnels et mathématiques, étroitement fondés sur des données expérimentales, peuvent être utilisés non seulement pour tester des hypothèses et approfondir la compréhension des systèmes biologiques, mais aussi pour faire des prédictions en lien avec la signalisation du Ca²⁺.