Introduction 2 I. Présentation de l’Institut Pasteur 3

C.Modèle biologique

Le modèle biologique retenu concerne une série d’étapes bien caractérisées du cycle cellulaire qui assure un contrôle essentiel autorisant la division d’une entité cellulaire en deux cellules filles.

Les entités sont des protéines (cycline B et cdk1) qui s’associent pour créer un complexe (complexe MPF) qui pourra être activé par des modifications successives (phosphorylations) qui donnent lieu à des changements d’états . Au cours de ces modifications, le complexe acquiert des comportements différents de celui de ses composants.
Régulation du cycle cellulaire pour l’entrée en Mitose.
La régulation de l’activité du MPF nécessite sa modification mettant en jeu plusieurs protéines (Figure 12).

Figure 12 : Activation du MPF
Une kinase (TyrK15 ou kinase Wee1) phosphoryle Cdk1 sur la tyrosine 15 (acide aminé : Y15). Chez les eucaryotes supérieurs, une autre kinase associée à la membrane nucléaire phosphoryle Cdk1 sur la thréonine 14 (T14). Ces phosphorylations inhibent l'activité kinase du complexe MPF et empêchent une entrée prématurée en division de la cellule (mitose).

Ces inhibitions peuvent être levées par expression de la protéine Cdc25, une phosphatase qui déphosphoryle les positions T14 et Y15.

Toutefois, la levée de ces inhibitions n’intervient qu’après complète réplication de l'ADN, un mécanisme active TyrK15, et inhibe Cdc25 évitant toute entrée prématurée en phase M (mitose).

Ensuite, une thréonine kinase CAK (Cdk activating kinase, constituée d'une sous-unité catalytique Cdk7 et d'une sous unité régulatrice de type cycline H), phosphoryle Cdk1 sur la Thréonine 161. Cdk1 est alors activée tout autant qu'elle est associée à une cycline mitotique. Par ailleurs, le MPF devenu actif suractive par phosphorylation la Cdc25 et inhibe la kinase Tyr15.

Ces mécanismes autocatalytiques expliquent le passage très brutal en phase M tout en maintenant un contrôle de sécurité interdisant le passage en M si la réplication était incomplète. Cela montre le haut niveau de contrôle de l'entrée en phase M et de rétrocontrôle de l'achèvement de la phase réplicative.

L'activation du MPF initie les évènements successifs de la mitose. En effet, la kinase Cdk1 du complexe MPF actif phosphoryle de nombreux substrats : histone H1, lamine nucléaire, protéines du fuseau, protéines du nucléole…, ce qui permet l'entrée en mitose et son déroulement ultérieur. Cdk1 peut activer en cascade d'autres protéines kinases, lesquels vont à leur tour phosphoryler d'autres cibles.

La cycline Cdk1 associée à une cycline mitotique (B), constitue le véritable chef d'orchestre des phosphorylations déclenchant les évènements mitotiques.
Une description plus détaillée du cycle cellulaire est donnée dans l’annexe 1.

D.Conception

Pour mieux comprendre les relations entre les différentes classes actives, passives et protocoles, voici quelques diagrammes de classe.

Pour commencer, un diagramme général (Figure 13) nous montre le classe « cellule », qui est la capsule englobante délimitant le système. C’est pour cette raison que toutes les autres capsules ont une relation d’agrégation envers celle-ci. On remarque aussi que l’information contenue dans la classe passive « ListeAdresseProteine » est accessible à plusieurs capsules.



Figure 13 : La capsule englobante cellule.
Notre cellule est formée de différentes classes actives et passives. Les classes actives sont en relation par l‘intermédiaire de protocoles. La capsule computation (Figure 14) est composée de trois capsules et de deux protocoles.


Figure 14 : La computation, ses capsules englobées et leurs protocoles de communication.
Comme le montre la figure 15 un complexe comme le complexe cycB / cdk1 est composé de deux molécules (relation de composition) et peut entrer en complexe avec d’autres molécules pour former des complexes ternaires (ici avec cak). Ces complexes doivent avoir accès à des informations comprises dans des instances de classes passives avec lesquelles elles entretiennent une relation. Les classes passives servent à stocker, organiser et partager l’information.


Figure 15 : Relations de composition entre les complexes et les molécules qui les forment.

IV.Modélisation et simulation du processus de contrôle de la mitose

A.Description générale

Notre modèle vise à décrire l’activation du complexe MPF cycline B/cdk1 dans une cellule eucaryote au cours du cycle cellulaire.

La cellule est la capsule englobante principale à l’intérieur de laquelle se trouve l'ensemble du système et où auront lieu les créations et destructions de protéines (Figure 16).

A l’intérieur de la capsule « cellule » simplifiée, il faut distinguer:

• 
  les capsules représentant les protéines (cycline, cdk1, wee1, etc.) et les complexes protéiques (cycline/cdk1, cycB/cdk1/p21, etc.),
  
• 
  les capsules représentant des processus cellulaires tangibles (transcription, traduction, réplication, etc.) ou intangibles (computation), ces derniers figurant des activités de récepteurs (information_follow_up), de contrôleurs (concentration follow_up, etc.) et de processeurs (complex_follow_up).
  

Les processus de transcription et de traduction sont regroupés en une seule capsule appelée « protein_production » qui simule la fabrication d’une protéine. Cette capsule et la capsule « réplication », ont été très simplifiées. Ce sont en fait des boîtes noires dont on simule le fonctionnement sans le décrire compte tenu de leur complexité.

La capsule « computation » est le centre de décision de la cellule, elle regroupe par l’intermédiaire de sous-capsules, les mécanismes intracellulaires qui permettent :

• 
  la réception et la répartition d’un message à l’intérieur de la cellule : « Information_follow_up »
  
• 
  le processing (formation et destruction) d’un complexe protéique ainsi que la vérification des ressources correspondantes: « complex_follow_up »
  
• 
  le contrôle de la concentration : « concentration_follow_up »
  

Afin de pouvoir manipuler les capsules représentant les protéines et les complexes protéiques au cours de la simulation, il est indispensable de pouvoir récupérer et stocker leurs références. En effet, celle-ci sont nécessaires pour :

• 
  importer des protéines à l’intérieur d’un complexe.
  
• 
  détruire spécifiquement une capsule donnée
  

Lorsqu'une capsule est créée, l'opération d’incarnation renvoie la référence de celle-ci qui sera stockée dans une pile spécifique. Chaque protéine est indépendante, elle possède son propre diagramme d’états et une référence unique.

Figure 16 : Diagramme de structure de la capsule « cellule ».