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Biologie Computationnelle et Quantitative (CQB) - UMR 7238

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Coordination du pôle vie et santé :

- Vincent Mouly
- Jacqueline Capeau
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- Alain Chedotal
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Vie et santé

  • 1150 enseignants-chercheurs et chercheurs
  • 700 personnels d'appui à la recherche
  • 820 doctorants
  • 48 unités de recherche
  • 6 écoles doctorales

Biologie Computationnelle et Quantitative (CQB) - UMR 7238

L'unité "Génomique des microorganismes" devient "Biologie Computationnelle et Quantitative" (CQB) en janvier 2014.

Son objectif est d'organiser une coopération très étroite entre biologistes, bio-informaticiens/mathématiciens/physiciens autour des génomes comme langage commun.

 

Il s'agit d'un domaine scientifique très compétitif et en évolution très rapide. La complémentarité entre expérimentalistes (génomique expérimentale) et modélisateurs (développement de nouvelles approches à l'analyse des données génomiques, de méthodes de prédiction et de modélisation biophysique) forme l'une des bases de la nouvelle "Systems Biology" que beaucoup de grandes Universités étrangères développent actuellement.

Les recherches de l'unité sont centrées sur les microorganismes  qu'ils soient  procaryotes ou eucaryotes unicellulaires ou pluricellulaires n'ayant pas de mode de développement complexe (levures et monde fongique, diatomées et monde des algues, etc …).

Certains de ces organismes sont des systèmes expérimentaux modèles de longue date, d'autres sont des organismes peu ou pas étudiés, mais dont l'étude devient accessible par les méthodes modernes de la génomique.

On souhaite favoriser, d'une part, les études qui impliquent les interactions des « microorganismes » entre eux (communautés naturelles) ou avec des organismes pluricellulaires animaux ou végétaux (symbiose, commensalisme, parasitisme, infection) et, d'autre part, les études qui impliquent une dimension évolutive (génomique comparative, altération et modification des génomes, évolution des voies métaboliques, etc …).

Dans cette page

Activités de recherche

Les grandes axes thématiques que l’on veut développer concernent les microbes et leur environnement, l’évolution, la dynamique des génomes, les réseaux de régulation transcriptomique et post-transcriptomique, les réseaux d’interaction entre protéines.

Toutes questions sur comment les microbes s’adaptent, survivent, évoluent dans un environnement et leurs changements nous intéressent.

Une ouverture vers la metagénomique et le séquençage à large échelle est actuellement développée.

Mots-clés

Génomique comparée, génomique fonctionnelle, génomique des populations, réplication, recombinaison, réarrangements chromosomiques, évolution, interaction entre protéines, séquences, structures de protéines, miRNA, gènes essentiels, biais de codons, periodicité chromosomale, réseaux de transcription, levures, bactéries, diatomées, perception de la lumière, extinction des gènes.

Equipes et thématiques de recherche

L’unité est aujourd’hui constituée par 5 équipes et à partir du 1er février 2011 une nouvelle équipe de bioinformatique/biostatistiques la rejoindra à la suite des nouveaux recrutements.

 

Génomique Analytique - Alessandra Carbone (Professeur, Département d’Informatique, UPMC)

L’équipe travaille sur plusieurs problèmes reliés au fonctionnement et à l’évolution des systèmes biologiques. Des méthodes mathématiques provenant des statistiques et de la combinatoire, ainsi que des outils algorithmiques sont utilisés pour étudier les principes fondamentaux du fonctionnement cellulaire en partant de données génomiques. Nos projets sont tous conçus pour comprendre les principes de base de l’évolution et de la co-évolution des structures moléculaires dans une cellule. Ils sont intimement reliés l’un à l’autre. Trois projets concernent l’évolution et le développement d’outils bioinformatiques pour la détection de : 1. protéines éloignées ; 2. réseaux de résidus co-évolués impliqués dans l’allostericité et dans les fonctions ; 3. sites fonctionnels des complexes protéiques et partenaires protéiques potentiels,
et trois concernent l’évolution des séquences : 4. l’identification de gènes essentiels, la biologie synthétique et l’évolution des génomes
5. la prédiction de pre-miRNA/miRNA et d’amas de miRNAs dans les chromosomes d’organismes unicellulaires et multicellulaires ; liens entre amas de miRNAs et sites fragiles chez l’homme ; 6. la reconstruction de génomes ancestraux et de la dynamique des réarrangements chromosomiques.

Un autre axe de recherche en développement concerne la mise au point de méthodes d’analyse des données fonctionnelles produites par le séquençage à haut débit (ChIP-Seq, RNA-Seq et reséquençage). En particulier, nous développons des méthodes de détection et d’estimation des niveaux d’expression des transcrits à partir des données de séquençage.
Les applications sont multiples et jouent un rôle dans la mutagenèse dirigée, la biologie synthétique, l’organisation des données de metagénomique, l’annotation des génomes.

 

Genophysique - Marco Cosentino Lagomarsino (CR1 CNRS)

L'équipe génophysique (genomic physics) applique les méthodes et les modèles de la physique statistique et de la matière molle à certains problèmes de biologie fondamentale des microorganismes. Notre approche vise une intégration maximale avec les expériences quantitatives et la bioinformatique. Actuellement, les thèmes principaux de notre recherche portent sur les relations entre la croissance, la régulation transcriptionelle et la conformation spatiale du génome dans la bacterie E.coli, l'initiation de la réplication et le cycle cellulaire chez E.coli, l'évolution des réseaux de transcription, et les lois de partitionnement des génomes entre homologie, fonction et régulation.

 

Structure, dynamique et évolution des réseaux génétiques – Fréderic Devaux (Professeur, Département de Sciences de la Vie, UPMC)

Notre équipe travaille sur le fonctionnement et l’évolution des réseaux de régulation de l’expression des gènes. Plus précisément, nous utilisons des analyses de transcriptomes pour comprendre comment s’organise la réponse de différentes espèces de levures à la présence de composés toxiques dans leur environnement. Nous utilisons l’imagerie de l’expression des gènes pour obtenir des données quantitatives sur le fonctionnement de ces réseaux. Ces données globales et quantitatives sont ensuite utilisées pour établir des modèles in silico de la structure, de la dynamique et de l’évolution des réseaux étudiés.

 

Génomique Fonctionnelle des Diatomées – Angela Falciatore (CR1 CNRS)

Les diatomées constituent un groupe de phytoplancton clé dans les océans contemporains. L'obtention récente des séquences génomiques complètes de deux espèces de diatomées a révélé que leur génome présente des caractéristiques distinctes, et leur étude fine promet d'identifier de nombreux aspects nouveaux. L'objectif majeur de notre équipe est de développer et d'exploiter les nouveaux outils moléculaires et génomiques pour rechercher les mécanismes régulateurs contrôlant la croissance et la distribution des diatomées dans les environnements marins.

Deux axes de recherche principaux sont développés:

- Caractérisation des mécanismes de perception de la lumière : La lumière est un signal environnemental clé pour les organismes photosynthétiques.  Récemment, les séquences complètes du génome de deux diatomées ont révélé la présence de photorécepteurs putatifs de la lumière bleue, de type Cryptochrome, et de la lumière rouge, Phytochrome, chez ces organismes. La caractérisation de leurs propriétés spectrales et enzymatiques, des voies de signalisation et de leur fonction in vivo utilisant des approches de génétiques inverse sont en cours au laboratoire. Nous explorerons également leurs rôles nouveaux dans la régulation de la composition de l'appareil photosynthétique, et plus généralement dans l'acclimatation en milieu océanique.

- Génomique fonctionnelle et interference à l'ARN chez les diatomées : Récemment, nous avons montré que les stratégies d'interférence à l'ARN peuvent être utilisées efficacement pour éteindre l'expression de gènes de diatomées in Phaeodactylum tricornutum, apportant l'évidence d'une machinerie de "silencing" chez ces organismes. Dans le but de caractériser ces mécanismes, nous étudions les petits ARNS non-codant endogènes (siRNA, miRNA, etc) et explorons leur rôle régulateur sous différentes conditions lumineuses.

 

Biologie des Génomes – Gilles Fischer (CR1 CNRS)

Notre équipe travaille sur le fonctionnement et l'évolution des génomes des levures. Nous développons une approche qui combine une dimension expérimentale reposant sur des compétences de génétique moléculaire et de génomique fonctionnelle et une dimension analytique qui nécessite l'utilisation et le développement d'outils bioinformatiques.

Nous recherchons les mécanismes moléculaires à l'origine des réarrangements chromosomiques et de la modification de la composition en nucléotides des génomes. Nous étudions notamment les relations entre réplication/recombinaison et évolution du contenu et de l'organisation des génomes. Nous abordons l'étude de la dynamique des génomes par la recherche du polymorphisme génétique à différentes échelles, au niveau des cellules, des populations, et au niveau des souches et des espèces de levures.

Projets en cours
  • “Help Cure Muscular Dystrophy”, IBM-US, World Community Grid (2006-2011).
  • Marie Curie Initial Training Network - “COSI: Chloroplast Signals”. Call: FP7 (2008-2012). Contract number:  PITN-GA-2008-215174 (2008-2012)
  • Emergence UPMC – « Dynamique et évolution des réseaux génétiques », EME0908 - (2010-2012)
  • ATIP-CNRS - “Characterization of the molecular mechanisms regulating light responses in marine diatoms” (2010-2013)
  • ATIP-CNRS - “A multiscale approach to chromosome dynamics and genome evolution in yeasts” (2010-2013)
  • HFSP - Young Investigator Award - “Characterization of light-dependent rhythmic processes in the marine environment”  (2010-2013)
  • HFSP – Young Investigator Award - “Nucleoid proteins and DNA structure, global regulation of the bacterial transcription network » (2009-2012)
  • Ulysse - « Détection of structural variations in clonal populations » (Génoscope) (2010)
Avancées scientifiques, résultats marquants

Génomique Analytique (Alessandra Carbone).

Nous avons devéloppé : le premier algorithme de détection de biais de codons dominant qui est applicable à n’importe quel génome car basé sur une analyse purement statistique de la séquence génomique, sans utilisation d’information biologique ; une méthode de prédiction in silico de gènes essentiels pour les génomes bactériens ; un système de prédiction de sites d’interaction de protéines basé sur l’analyse évolutive des séquences de protéines ; une nouvelle approche (combinatoire) d’analyse de co-évolution de résidus  qui permet la détection de réseaux d’acides-aminés jouant un rôle dans l’allostéricité ; nous avons montré l’existence de deux réseaux de positionnement périodique de gènes chez Escherichia coli. Nous avons aussi développé une méthode de détection et de quantification des événements d’épissage alternatif à partir de données de séquençage du transcriptome.

 

Génophysique (Marco Cosentino-Lagomarsino).

La compréhension de la structure hiérarchique et de feedback des réseaux de transcription connus en termes d’évolution par duplication, divergence et transfert horizontale. Observation de propriétés communes dans le patrimoine de domaines protéiques des génomes et explication de ces "lois d'échelle" par un modèle quantitatif d'évolution. Compréhension de la synchronisation hydrodynamique des cils avec systèmes-modèles collodales et modélisation théorique.

 

Structure, dynamique et évolution des réseaux génétiques (Fréderic Devaux).

Reconstruction de la structure et de l’évolution de réseaux transcriptionnels impliqués dans la réponse au stress. Caractérisation de nouveaux rôles pour les facteurs de transcription régulant la résistance à de multiples drogues au sein de ces réseaux de régulation.

 

Génomique fonctionnelle des diatomées (Angela Falciatore).

La caractérisation des mécanismes de perception de la lumière chez les diatomées a déjà permis de révéler la présence de nouveaux photorecepteurs de la lumière bleue ainsi que des systèmes de photoprotection sophistiqués. Par ailleurs, l'étude du mécanisme d'interférence à l'ARN apporte de nouvelles opportunités pour l'utilisation d'approches de génétique inverse chez les diatomées. La caractérisation des petits ARNS non-codant endogènes est en cours au laboratoire et apporte des informations nouvelles sur leur rôle régulateur.

 

Biologie des génomes (Gilles Fischer).

Nous avons montré que les duplications segmentales se produisent à haute fréquence dans les génomes de levures et qu'elles résultent d'événements réplicatifs (MMIR: Microhomology/Microsatellite-Induced Replication). Nous étudions actuellement la dynamique des structures chromosomiques au sein de populations clonales de cellules. Nous recherchons également les mécanismes à l'origine des variations de la composition en nucléotides des génomes grâce à l'étude fonctionnelle du génome d'une nouvelle espèce modèle, Lachancea kluyveri.

Ecoles doctorales
  • Complexité du Vivant (CdV)
  • EDITE de Paris (École Doctorale Informatique, Télécommunications et Électronique)
Partenariats scientifiques
Nationaux

Ecole Normale Supérieure, Cachan, France

Institut de Biologie de l’Ecole Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique UMR8197, Paris, France

Laboratoire de Physiologie Végétale et Cellulaire, Centre National de la Recherche Scientifique UMR 5168, CEA Grenoble, Grenoble, France

Génoscope (Centre National de Séquençage, CEA)

Internationaux

CEFIPRA (Indo-french program), Inde

IBM-US, World Community Grid, Etats Unis

University of Minnesota, Etats Unis

Department of Radiation Biology and Medical Genetics, Graduate School of Medicine, Osaka University, Japon

University of Cambridge, Angleterre

Department of Genetics, Evolution and Environment, University College London, Angleterre

University of Nottingham, Angleterre

Università degli Studi di Torino, Italie

Università degli Studi di Milano, Italie

Laboratory of Ecology and Evolution of Plankton, Stazione Zoologica Anton Dohrn, Naples, Italie

Genetics & Experimental Bioinformatics, University Freiburg Institute of Biology, Freiburg, Allemagne

Freie Universität, Berlin, Allemagne

Max-Planck Institute für Molekular Genetik, Berlin, Allemagne

Max F. Peruz Laboratory, University of Vienna, Autriche

Principaux équipements

Plateforme transcriptome Agilent (scanner Axon et four à hybridaiton Agilent)

Principales publications
  • A.Mathelier, A.Carbone. Chromosomal periodicity and positional networks of genes in Escherichia coli. Molecular Systems Biology, 2010. In print.
  • J.Baussand, A.Carbone. A combinatorial approach to detect co-evolved amino-acid networks in protein families with variable divergence, PLoS Computational Biology, 5(9):e1000488, 2009.
  • S. Engelen, L.Trojan, S. Sacquin-Mora, R. Lavery, A. Carbone. Joint Evolutionary Trees: detection and analysis of protein interfaces, PLoS Computational Biology, 5(1): e1000267, 1--17, 2009.
  • A. Carbone. Codon bias is a major factor explaining phage evolution in translationally biased hosts, J Mol Evol, 66(3):210--23, 2008.
  • Richard, H.*, Schulz, M-H*, Sultan, M*, Nürnberger, A., Schrinner S., Balzereit D., Dagand E., Rasche A., Lehrach H., Vingron M., Haas S.A. and Yaspo M.-L. Prediction of alternative isoforms from exon expression levels in RNA-Seq experiments, Nucleic Acid Research, 2010, in print.
  • Sultan*, M., Schultz*, M. H., Richard*, H., Magen, A., Klingenhoff, A., Scherf, M., Seifert, M., Borodina, T., Soldatov, A., Parkhomchuk, D., Schmidt, D., O'Keeffe, S., Haas, S., Vingron, M., Lehrach, H., and Yaspo, M-L. A global view of gene activity and alternative splicing by deep sequencing of the human transcriptome, Science ,Vol. 321, n. 5891, 2008, p. 956-960.
  • Kotar J, Leoni M, Bassetti B, Cosentino  Lagomarsino M., Cicuta P. Hydrodynamic synchronization of colloidal oscillators. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Apr 27;107(17):7669-73
  • Cosentino Lagomarsino, M., Sellerio, A.L., Heijning, P.D. and Bassetti, B.  Universal features in the genome level evolution of protein domains.  Genome Biology 2009, 10:R12
  • Van den Heuvel M.G.L., Bondesan R., Cosentino Lagomarsino M., Dekker C.  Single-molecule observation of anomalous electro-hydrodynamic orientation of microtubules. Phys. Rev. Lett., Sep 12;101(11):118301 2008.
  • Cosentino Lagomarsino M., Jona. P. Bassetti, B., and Isambert, H., Hierarchy and feedback in the evolution of the E. coli transcription network.  Proc Nat Acad Sci USA 104(13), 5516 2007
  • Lelandais G, Tanty V, Geneix C, Etchebest C, Jacq C, Devaux F. Genome adaptation to chemical stress: clues from comparative transcriptomics in Saccharomyces cerevisiae and Candida glabrata. Genome Biol. 2008;9(11):R164. Epub 2008 Nov 24.


  • Rougemaille M, Dieppois G, Kisseleva-Romanova E, Gudipati RK, Lemoine S, Blugeon C, Boulay J, Jensen TH, Stutz F, Devaux F, Libri D. THO/Sub2p functions to coordinate 3'-end processing with gene-nuclear pore association. Cell. 2008 Oct 17;135(2):308-21.
  • Salin H, Fardeau V, Piccini E, Lelandais G, Tanty V, Lemoine S, Jacq C, Devaux F. Structure and properties of transcriptional networks driving selenite stress response in yeasts. BMC Genomics. 2008 Jul 15;9:333.


  • Saint-Georges Y, Garcia M, Delaveau T, Jourdren L, Le Crom S, Lemoine S, Tanty V, Devaux F, Jacq C. Yeast mitochondrial biogenesis: a role for the PUF RNA-binding protein Puf3p in mRNA localization. PLoS ONE. 2008 Jun 4;3(6):e2293.

  • V. De Riso, R. Raniello, F. Maumus, A. Rogato, C. Bowler and A. Falciatore. Gene silencing in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum. Nucl. Acids Res. 37:e96, 2009.
  • S. Coesel, M. Mangogna, T. Ishikawa, M. Heijde, A. Rogato, G. Finazzi, T. Todo, C. Bowler and A. Falciatore. Diatom PtCPF1 is a new Cryptochrome/Photolyase Family member with DNA repair and transcription regulation activity. EMBO Reports. 10:655-61, 2009.
  • C. Bowler, A.E. Allen, J.H. Badger, J. Grimwood, K. Jabbari, A. Kuo, U. Maheswari, C. Martens, F. Maumus, R.P. Otillar, E. Rayko, A. Salamov, K. Vandepoele, B. Beszteri, A. Gruber, M. Heijde, M. Katinka, T. Mock, K. Valentin, F. Verret, J.A. Berges, C. Brownlee, J.P. Cadoret, A. Chiovitti, C.J. Choi, S. Coesel, A. De Martino, J.C. Detter, C. Durkin, A. Falciatore, J. Fournet, M. Haruta, et al. The Phaeodactylum genome reveals the evolutionary history of diatom genomes, Nature. 456:239-44, 2008.
  • S. Coesel, M. Oborník, J. Varela, A. Falciatore and C. Bowler. Evolutionary origins and functions of the carotenoid biosynthetic pathway in marine diatoms. PLoS ONE. 3(8):e2896, 2008.
  • Payen C., Fischer G., Marck C., Proux C., Sherman D.J., Coppée J.-Y., Johnston M., Dujon B., Neuvéglise C. Unusual composition of a yeast chromosome arm is associated with its delayed replication. (2009) Genome Research 19(10):1710-1721
  • Payen C, Koszul R, Dujon B and G Fischer, Segmental duplications arise from Pol32-dependent repair of broken forks through two alternative replication-based mechanisms (2008) PLoS Genetics Sep 5;4(9):e1000175
  • Fischer G, Rocha EP, Brunet F, Vergassola M and B Dujon. Highly variable rates of genome rearrangements between Hemiascomycetous yeast lineages. (2006) PloS Genetics, 2(3):e32, 253-61
  • Koszul R., Caburet S., Dujon B. and G. Fischer. Eucaryotic genome evolution through the spontaneous duplication of large chromosomal segments. (2004) The EMBO Journal, 23, 234-43
Coordonnées
Coordonnées
Directeur
Carbone Alessandra
01 44 27 73 45
alessandra.carbone@upmc.fr
Adresse physique
15 rue de l'Ecole de médecine 75006 Paris

Courriel du laboratoire
Site web
http://www.lcqb.upmc.fr/
Adresse postale
15 rue de l'Ecole de médecine 75006 Paris

Contact communication
Bourliaud Claire
01 44 27 73 38
claire.bourliaud@upmc.fr
Contact administratif
Bourliaud Claire
01 44 27 73 38
claire.bourliaud@upmc.fr


Effectifs
Enseignants-chercheurs :
4

Chercheurs :
3

Personnels d'appui à la recherche :
3

Post-doctorants :
3

Doctorants :
5

Surface :
500 m2



10/11/15