Réseaux biologiques: inférence, évolution et adaptation

Responsable: Olivier MARTIN

Les réseaux biologiques sont omniprésents et forment le coeur de la biologie systémique. De nombreuses études, souvent inspirées de la physique, révèlent des propriétés topologiques et structurales non triviales dans les réseaux métaboliques, génétiques, ou de protéines. Mais ce sont les réseaux d'interactions entre gènes qui sont les plus adaptables car les sites de fixation sur l'ADN des différents facteurs de transcription peuvent évoluer rapidement. Sans régulation, point de réactivité, or toute cellule ou organisme réagit aux changements d'environnement et exécute ses programmes génétiques en fonction de son histoire et du présent. C'est la possibilité de changement de programme qui permet d'ajuster le niveau d'expression de chaque gène et de réorienter la cellule vers la différentiation, la prolifération, l'apoptose etc. Les possibilités de régulation semblent infinis et sont sans doute la source principale de complexification lors du passage des procaryotes aux eucaryotes. Cependant la dynamique de ces programmes doit être robuste à deux types de perturbations : les modifications modérées des conditions extérieures, et les changements génétiques (mutations, brassage des gènes). En absence de cette robustesse, le plan de développement embryonique échouera et les descendants d'une population verront leurs phénotypes devenir délétères. Toutes les données biologiques semblent indiquer qu'à l'échelle évolutionnaire, ces réseaux génétiques s'adaptent pour rendre le phénotype résistant au bruit moléculaire et aux mutations. Ceci est maintenant assez bien compris jusqu'au niveau moléculaire pour les horloges circadiennes dont la période de 24 heures ne doit pas trop varier avec la température, mais beaucoup reste à faire pour l'ensemble des réseaux de régulation génétique inventés par le monde vivant. En collaboration directe avec des biologistes, nous cherchons à comprendre les principes d'organisation ou d'architecture de tels réseaux avec des implications en évolution et sur les conceptions de réseaux artificiels (biologie synthétique). Nos approches sont mathématiques, physiques, informatiques et algorithmiques, nous permettant de considérer l'évolution de populations. Celles-ci sont soumises à des pressions de sélection, avec des mutations qui peuvent être ou pas neutres (théorie de Kimura), avec des analogies assez directes avec les paysages d'énergie de systèmes complexes physiques. Parmi les problèmes ouverts sont: les mécanismes d'innovation dans de tels réseaux; les compromis réalisés entre robustesse et flexibilité, l'importance du brassage des gènes par la recombinaison génétique; l'avantage sélectif du sexe qui à priori intervient avec un coût élevé comparé à la reproduction non sexuée.