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Biologie Mol´ eculaire Mod` ele Math´ ematique Transcriptional Bursting Translational Bursting Le probl` eme limite Mod` eles stochastiques d’expression des g` enes Romain Yvinec Jinzhi Lei Michael C. Mackey Alexandre F. Ramos Marta Tyran-Kami´ nska and Changjing Zhuge June 21, 2012 Romain Yvinec Jinzhi Lei Michael C. Mackey Alexandre F. Ramos Marta Tyran-Kami´ nska and Changjing Zhuge Mod` eles stochastiques d’expression des g` enes

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Biologie MoleculaireModele Mathematique

Transcriptional BurstingTranslational Bursting

Le probleme limite

Modeles stochastiques d’expression des genes

Romain Yvinec Jinzhi Lei Michael C. Mackey Alexandre F.Ramos Marta Tyran-Kaminska and Changjing Zhuge

June 21, 2012

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Le probleme limite

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Biologie Moleculaire

Modele Mathematique

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Le probleme limite

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Central dogma

[Jacob et al.(1960)Jacob, Perrin, Snchez, and Monod] Loperon:groupe de genes a expression coordonnee par un operateur.

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Le probleme limite

Bifurcation analysis in Ordinary Differential Equation, voir[Goodwin(1965)] Oscillatory behavior in enzymatic control processes.Pour une revue,[Hasty et al.(2001)Hasty, McMillen, Isaacs, and Collins]Computational studies of gene regulatory networks: in numero molecular

biology

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Le probleme limite

Mise en evidence de la stochasticite en Biologie

[Eldar and Elowitz(2010)] Functional roles for noise in genetic circuits.

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Le probleme limite

New Central dogma

DNA

mRNA ProteinON

OFF

[Berg (1978)],[Peccoud(1995)],[Kepler and Elston(2001)],[Paulsson(2005)],

[Shahrezaei and Swain(2008)],[Paszek(2007)],[Lipniacki et al. (2006)]...

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Le probleme limite

Much more precise measurement

Bifurcation can be studied on the whole distribution [Becksei et al.

(2012)]

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Le probleme limite

The bursting phenomena

Question 1) Quand est-ce que le modele stochastique predit

l’apparition de Burst?

Question 2) Que peut-on dire dans ces cas la?

[Yu et al (2006)]

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Le probleme limite

Quelques ordres de grandeurs

[Golding et al. (2005)], [To and Maheshri (2010)] (bacterie) [Raj et al.(2006)], [Schwanhausser et al. (2011)] ( mammalian cells).

Gene stateActivation rate Inactivation rate

λa λi

(min−1) (min−1)0.01 − 10 0.1 − 100

mRNASynthesis rate Degradation rate Transcriptional efficiency

λ1 γ1λ1λi

(min−1) (min−1)

0.1 − 50 10−3-10−1 0.1 − 100Protein

Synthesis rate Degradation rate Transcriptional efficiency

λ2 γ2λ2γ1

(min−1) (min−1)

1 − 50 10−4-10−2 10 − 1000

Table: Parameters involved in the standard model of molecular biology.Note that we give all parameter values in molecule numbers, as they arerequired for stochastic modelisation. For typical cells like E. Coli, 1molecule per cell corresponds roughly([Thattai and van Oudenaarden(2001)]) to a concentration of 1

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Le probleme limite

Representation

En version discrete, comme processus de ”naissance” et ”mort”

X0(t) = X0(0) + Y1

(

t

0λa1{X0(s)=0}ka(X2(s))ds

)

− Y2

(

t

0λi1{X0(s)=1}ki (X2(s))ds

)

X1(t) = X1(0) + Y3

(

t

0λ11{X0(s)=1}k1(X2(s))ds

)

− Y4

(

t

0γ1X1(s)ds

)

X2(t) = X2(0) + Y5

(

t

0λ2X1(s)ds

)

− Y6

(

t

0γ2X2(s)ds

)

Ou en version continu, comme ”PDMP” (processus deterministepar morceaux)

X0(t) = X0(0) + Y1

(

t

0λa1{X0(s)=0}ka(x2(s))ds

)

− Y2

(

t

0λi1{X0(s)=1}ki (x2(s))ds

)

x1(t) = 1{X0(t)=1}λ1k1(x2) − γ1x1

x2 = λ2x1 − γ2x2

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Le probleme limite

Theorem (Crudu et al (2011) thm 6.1)

On suppose λi = λ1 = n → ∞, et, ki (x1) ≥ β, k1(x1) ≤ x1 + C,ka(x1) ≤ x1 + C Et ka ou k1 est borne

Xn0 (t) = X

n0 (0) + Y1

(

t

0λa1{Xn

0(s)=0}ka(x

n1 (s))ds

)

− Y2

(

t

0n1{Xn

0(s)=1}ki(x

n1(s))ds

)

xn1 (t) =

t

01{Xn

0(s)=1}nk1(x

n1(s))ds−

t

0γ1x

n1(s)ds

alors, dans L1([0,T ], {0, 1}), X n0 ⇒ 0 et xn1 cv vers le proc. stoch.

de generateur

Aϕ(x1) = −γ1x1∂ϕ

∂x1+ λaka(x1)

0

(

ϕ(φ1(t, x1)) − ϕ(x1))

ki (φ1(t, x1))e−

∫ t0 ki (φ1(s,x1))dsdt

pour ϕ ∈ C 1b (R

+) et φ1(t, x1) la solution de

x(t) = x1 +

t

0k1(x(s))ds

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Le probleme limite

Idee de preuve

On montre la tension et la convergence de X0 base sur

nE[

∫ t

0

1{Xn0(s)=1}ki(x

n1(s))ds

]

≤ C + λaE[

∫ t

0

ka(xn1 (s))ds

]

E[

xn1 (t)]

≤ nE[

∫ t

0

1{Xn0(s)=1}k1(x

n1(s))ds

]

On identification le probleme martingale limite en prenant commefonction test f (0, x1) = ϕ(x1) et

f (1, x1) =

∫ ∞

0ϕ(φ1(t, x1))ki (φ1(t, x1))e

−∫ t0 ki (φ1(s,x1))dsdt

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Le probleme limite

”Bursting” model

On regarde maintenant

x1(t) = x1(0)−

∫ t

0

γ1x1(s−)ds +

∫ t

0

∫ ∞

0

∫ ∞

0

z1{r≤λ1k1(x2(s−))}N(ds, dz , dr)

x2(t) = x2(0) +

∫ t

0

λ2x1(s−)ds −

∫ t

0

γ2x2(s−)ds

avec N une mesure de Poisson d’intensite dsdrh(z)dz , E[

h]

< ∞et la reduction de ce modele quand γ1 → ∞, avec k1 borne.Dans le cas sans regulation

< x1 > =λ1E

[

h]

γ1

< x2 > =λ2λ1E

[

h]

γ2γ1

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Le probleme limite

Reduction adiabatique 2

TheoremSi γ1 = λ2 = n → ∞, k1 borne, et, en loi,xn1 (0) → 0,xn2 (0) → x2(0),

xn1 (t) = x

n1 (0) −

t

0nx

n1(s−)ds +

t

0

∫ ∞

0

∫ ∞

0z1{r≤λ1k1(x

n2(s−))}N(ds, dz, dr)

xn2 (t) = x

n2 (0) + n

t

0xn1(s−)ds −

t

0γ2x

n2(s−)ds

alors xn1 → 0 and xn2 → x2 (dans L1([0,T ],R+)) la solution de

x2(t) = x2(0) −

t

0γ2x2(s−)ds +

t

0

∫ ∞

0

∫ ∞

0z1{r≤λ1k1(x2(s−))}N(ds, dz, dr)

avec N une mesure de Poisson d’intensite dsdrh(z)dz, E[

h]

< ∞.

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Le probleme limite

Idee de preuve

On montre la tension et la convergence de x1 base sur

E[

xn1 (t)]

≤ E[

xn1 (0)]

− n

∫ t

0

E[

xn1(s)]

ds+ E[

h]

λ1t

E[

xn2 (t)]

≤ E[

xn2 (0)]

+ n

∫ t

0

E[

xn1(s)]

ds

On identification le probleme martingale limite en prenant commefonction test

f (x1, x2) = ϕ(

x2 +

∫ x1

0

λ2(u)

udu

)

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Le probleme limite

Reduction adiabatique 3

TheoremSi γ1 = n and hn(z) = 1

nh( z

n), n → ∞, et, en loi,

xn1 (0) → 0,xn2 (0) → x2(0),

xn1 (t) = x

n1 (0) −

t

0nx

n1(s−)ds +

t

0

0

0nz1{r≤λ1k1(x

n2(s−))}N(ds, dz, dr)

xn2 (t) = x

n2 (0) +

t

0xn1 (s−)ds −

t

0γ2x

n2 (s−)ds

alorsxn1n→ 0 and xn2 → x2 (dans L1([0,T ],R+)) la solution de

x2(t) = x2(0) −

t

0γ2x2(s−)ds +

t

0

0

0z1{r≤λ1k1(x2(s−))}N(ds, dz, dr)

avec N une mesure de Poisson d’intensite dsdrh(z)dz.

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Le probleme limite

Idee de preuve

On se ramene au cas precedent avec yn1 =xn1n!!

RemarkOn peut montrer qu’il y a convergence sur D(R+,R+) muni de la

topologie de Jakubowski

Pour xn1 , on peut montrer que ∀ε,T > 0, ∃K > 0,

supn

∫ T

0P{

xn1 (s) > K}

ds ≤ ε

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Le probleme limite

RemarkOn peut identifier (plus facilement) la limite en utilisant lesfonctionnelles caracteristiques (cas k1 = 1),

Cξ[f ] = E

[

e∫∞0

if (t)ξtdt]

(1)

Pour la mesure de Poisson,

CN [f ] = exp

[

λ1

∫ ∞

0

∫ ∞

0

(e izf (t) − 1)h(z)dzdt

]

,

et (voir [Caceres and Budini(1997)])

Cx1 [f ] = e i f1(0)x01G

N[f1(t)], Cx2 [f ] = e i f2(0)x

02Gx1 [λ2 f2(t)],

avec

fi (t) =

∫ ∞

t

e−γi (s−t)f (s)ds, (i = 1, 2)

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Le probleme limite

On regarde le probl‘eme suivant

dx = −γ(x)dt + dN(λ(x), h)

On definit les operateurs suivant sur L1(R+). ∀t ≥ 0,

P0(t)u(x) = u(φ−tx)γ(φ−tx)γ(x) , ie

B

P0(t)u(x)dx =

∫ ∞

0

1{B}(φtx)u(x)dx

et S(t)u(x) = P0(t)u(x)e−

t

0 λ(φr x)dr , ie

S(t)u(x) = eQ(φ−tx)−Q(x)P0(t)u(x)

Q(x) =

∫ x

x

λ(z)

γ(z)dz

enfin J de noyau h,∫

BJu(x)dx =

0

Bh(x, z)u(z)dzdx

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Le probleme limite

L’equation d’evolution sur la densite peut se voir comme leprobleme de Cauchy suivant

du

dt= Cu = A0u − λu + J(λu)

avec A0 le generateur de P0. On note A = A0 − λ.

TheoremSi S(t) est un semi-groupe contractant fortement continu(sous-stochastique), alors il existe un semi-groupe Psous-stochastique minimal genere par une extension de (C ,D(A)),de resolvente caracterise par

RPσu = lim

n→∞RSσ

n∑

k=0

(J(λRSσ))

ku

De plus, P est stochastique ssi, pour un σ > 0

limk→∞

||J(λRSσ))

k|| = 0

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Le probleme limite

En particulier, si K = limσ→0 J(λRSσ ) est ergodique en moyenne,

alors P est stochastique.

RemarkPour tout u ∈ D(A),

BP(t)u(x)dx =

0P{

x(t) ∈ B, t < t∞|x(0) = x}

u(x)dx

et si Q(0) = ∞, K est stochastique et est l’operateur detransition associe a la chaine de Markov discrete donne par les”position apres saut”.

Pour conclure l’etude asymptotique, on utilisera

LemmaSi P(t) est stochastique et partiellement integrable, et possede uneunique densite invariante alors P(t) est asymptotiquement stable.

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Le probleme limite

Application a notre cas

On note G (x) =∫ x

x1

γ(x) et Q(x) =∫ x

xλ(z)γ(z)dz .

Si γ is a continuous function, λ is a nonnegative measurablefunction with λ/γ being locally integrable on (0,∞) and

γ(x) > 0 for x > 0,

∫ x

0

dx

γ(x)= +∞,

∫ x

0

λ(x)

γ(x)dx = +∞,

(2)for some x > 0, S est sous-stochasique, et on peut calculerexplicitement la resolvante

RSσ v(x) =

∫ ∞

x

1

γ(x)eQσ(y)−Qσ(x)v(y)dy

ou Qσ = σG + Q. Finalement K a pour noyau

k(y , x) =

∫ y

0

h(z , x)λ(z)

γ(z)eQ(y)−Q(z)dz

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Le probleme limite

Application a notre cas

Si les sauts sont additifs vers le haut, ie h(z , x) = h(x − z) etexponentiellement distribue de moyenne b, un candidat pour ladensite invariante de K est v∗(x) = e−x/b−Q(x), x > 0, et donc un

candidat pour P(t) est u∗ =RS0 v

||RS0 v

∗||= 1

cγ(x)e−x/b−Q(x). Pour

avoir de bonnes conditions d’integrabilite, on peut supposer que(toujours en plus de G (0) = Q(0) = ∞)

limx→∞

λ(x)

γ(x)<

1

b,

et

lim supx→∞

γ(x) > 0, limx→0

e−Q(x)

γ(x)r< ∞, and

∫ δ

0

γ(x)r−1dx < ∞

for some δ, r > 0.

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Bifurcation

Il est facile de voir que le nombre de maximum de u est donne parles solutions de

λ(x)

γ(x)=

1

b+

γ′(x)

γ(x)2

3

3.5

3.8

4

4.44

5

5.5

0 1 2 3 4 5 6 7 86

x

κb

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Le probleme limite

Travail en cours

I Probleme inverse

I Taux de convergence

I Modele ”switch+bursting”

I Caracteriser les oscillations dans le modele 2D

I Dynamique de population (division cellulaire)

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Le probleme limite

merci

merci de votre attention

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Review of On-Off model without regulation, gene state,mRNA, protein, effective protein and so on. Deterministicformulation, stochastic one. Moment and noise calculation,interpretation in terms of burst. Noise calculation followseither by exact moment equations or Fluctuation-Dissipation

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