Beyond hairballs: depicting complexity of a kinase-phosphatase network in the budding yeast

Les kinases et les phosphatases (KP) représentent la plus grande famille des enzymes dans la cellule. Elles régulent les unes les autres ainsi que 60 % du protéome, formant des réseaux complexes kinase-phosphatase (KP-Net) jouant un rôle essentiel dans la signalisation cellulaire. Ces réseaux caractérisés d’une organisation de type commandes-exécutions possèdent généralement une structure hiérarchique. Malgré les nombreuse études effectuées sur le réseau KP-Net chez la levure, la structure hiérarchique ainsi que les principes fonctionnels sont toujours peux connu pour ce réseau. Dans ce contexte, le but de cette thèse consistait à effectuer une analyse d’intégration des données provenant de différentes sources avec la structure hiérarchique d’un réseau KP-Net de haute qualité chez la levure, S. cerevisiae, afin de générer des hypothèses concernant les principes fonctionnels de chaque couche de la hiérarchie du réseau KP-Net.  En se basant sur une curation de données d’interactions effectuée dans la présente et dans d’autres études, le plus grand et authentique réseau KP-Net reconnu jusqu’à ce jour chez la levure a été assemblé dans cette étude. En évaluant le niveau hiérarchique du KP-Net en utilisant la métrique de la centralisation globale et en élucidant sa structure hiérarchique en utilisant l'algorithme vertex-sort (VS), nous avons trouvé que le réseau KP-Net possède une structure hiérarchique ayant la forme d’un sablier, formée de trois niveaux disjoints (supérieur, central et inférieur). En effet, le niveau supérieur du réseau, contenant un nombre élevé de KPs, était enrichi par des KPs associées à la régulation des signaux cellulaire; le niveau central, formé d’un nombre limité de KPs fortement connectées les unes aux autres, était enrichi en KPs impliquées dans la régulation du cycle cellulaire; et le niveau inférieur, composé d’un nombre important de KPs, était enrichi en KPs impliquées dans des processus cellulaires diversifiés. En superposant une grande multitude de propriétés biologiques des KPs sur le réseau KP-Net, le niveau supérieur était enrichi en phosphatases alors que le niveau inférieur en était appauvri, suggérant que les phosphatases seraient moins régulées par phosphorylation et déphosphorylation que les kinases. De plus, le niveau central était enrichi en KPs représentant des « bottlenecks », participant à plus d’une voie de signalisation, codées par des gènes essentiels et en KPs qui étaient les plus strictement régulées dans l’espace et dans le temps. Ceci implique que les KPs qui jouent un rôle essentiel dans le réseau KP-Net devraient être étroitement contrôlées. En outre, cette étude a montré que les protéines des KPs classées au niveau supérieur du réseau sont exprimées à des niveaux d’abondance plus élevés et à un niveau de bruit moins élevé que celles classées au niveau inférieur du réseau, suggérant que l’expression des enzymes à des abondances élevées invariables au niveau supérieur du réseau KP-Net pourrait être importante pour assurer un système robuste de signalisation. L’étude de l’algorithme VS a montré que le degré des nœuds affecte leur classement dans les différents niveaux d’un réseau hiérarchique sans biaiser les résultats biologiques du réseau étudié. En outre, une analyse de robustesse du réseau KP-Net a montré que les niveaus du réseau KP-Net sont modérément stable dans des réseaux bruités générés par ajout d’arrêtes au réseau KP-Net. Cependant, les niveaux de ces réseaux bruités et de ceux du réseau KP-Net se superposent significativement. De plus, les propriétés topologiques et biologiques du réseau KP-Net étaient retenues dans les réseaux bruités à différents niveaux. Ces résultats indiquant que bien qu’une robustesse partielle de nos résultats ait été observée, ces derniers représentent l’état actuel de nos connaissances des réseaux KP-Nets. Finalement, l’amélioration des techniques dédiées à l’identification des substrats des KPs aideront davantage à comprendre comment les réseaux KP-Nets fonctionnent. À titre d’exemple, je décris, dans cette thèse, une stratégie que nous avons conçu et qui permet à déterminer les interactions KP-substrats et les sous-unités régulatrices sur lesquelles ces interactions dépendent. Cette stratégie est basée sur la complémentation des fragments de protéines basée sur la cytosine désaminase chez la levure (OyCD PCA). L’OyCD PCA représente un essai in vivo à haut débit qui promet une description plus précise des réseaux KP-Nets complexes. En l’appliquant pour déterminer les substrats de la kinase cycline-dépendante de type 1 (Cdk1, appelée aussi Cdc28) chez la levure et l’implication des cyclines dans la phosphorylation de ces substrats par Cdk1, l’essai OyCD PCA a montré un comportement compensatoire collectif des cyclines pour la majorité des substrats. De plus, cet essai a montré que la tubuline- γ est phosphorylée spécifiquement par Clb3-Cdk1, établissant ainsi le moment pendant lequel cet événement contrôle l'assemblage du fuseau mitotique.

Keyphrases: Réseau des kinases-phosphatases, Complexité des réseaux, Structure hiérarchique des réseaux, Algorithmes de décomposition de réseaux, Propriétés topologiques, Intégration de données multi-omiques, Essai de complémentation des fragments de protéine basé sur la cytosine désaminase chez la levure, Kinase cycline-dépendante de type 1 et la tubuline-gamma