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Mechanistic Insights in Calcium Signalling and the Unfolded Protein Response Through Data-Driven Computational Models

par Ornelas Guevara, Roberto
Président du jury Gonze, Didier
Promoteur Dupont, Geneviève
Publication Non publié, 2025-04-18

Thèse de doctorat

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Résumé :

Calcium (Ca2+) is a crucial intracellular messenger involved in numerous physiological processes, including cell division, fertilisation, energy production, and regulation of gene expression. The precise regulation of Ca2+ is essential for maintaining cellular homeostasis, and disruptions in its dynamics are implicated in various disease conditions. Ca2+ signals are highly organised, regulated in both space and time by a network of pumps, exchangers, and channels that exhibit intricate non-linear interactions. These signals occur across a broad range of scales: from localised Ca2+ elevations in nanometric regions such as Endoplasmic Reticulum-Plasma Membrane (ER-PM) junctions, where they mediate physiological outcomes like NFAT translocation, to cell-wide signals and intercellular waves propagating between cells. Disruptions in these signalling mechanisms are associated with various disease states, such as Endoplasmic Reticulum (ER) stress. This multi-scale and complex nature makes mathematical and computational models ideal tools to investigate the underlying mechanisms controlling Ca2+ signalling and its relationship with health and disease.This thesis explores the application of data-driven mathematical and computational models to address three distinct challenges in the Ca2+ signalling field.The first project examines the diffusion properties of inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3), an essential messenger in calcium signalling. Traditional estimates of its diffusion coefficient were based on in vitro studies, yielding values of 280 µm²/s. However, more recent in vivo observations suggested much lower values (3–10 µm²/s), which were derived from a simplified 1D model and assumed a linear relationship between [IP3] and Ca2+ puffs probability. To resolve this, a hybrid mathematical model combining stochastic and deterministic methods was developed, accounting for the nonlinear relationship between IP3 concentration and Ca2+ puffs occurrence. The model, which incorporated a realistic 3D cell geometry, estimated the effective IP3 diffusion coefficient to be around 100 µm2/s. Additionally, it showed that while the ER can hinder IP3 movement, its effect on diffusion is minimal, and that diffusion is significantly enhanced in cells with elongated geometries. This work provides new insights into IP3 dynamics and offers a practical framework for integrating stochastic and deterministic modelling approaches.The second project explores the underlying mechanisms of Ca2+ microdomains in T cell activation, focusing on Adhesion Dependent Ca2+ Microdomains (ADCMs) that arise at ER-PM junctions. These microdomains, which form through Store-Operated Ca2+ Entry (SOCE) via the ORAI/STIM system, are difficult to study experimentally due to their nanometric scale. The study combines detailed simulations of Ca2+ fluxes at the ER-PM junction with stochastic dynamics of IP3R clusters. Such conditions allow the reproduction of the amplitude, duration and spatial extent of the observed ADCMs. By integrating computational techniques with insights from experimental studies, our approach provides valuable information on the mechanisms governing early Ca2+ signalling in T cell activation, paving the way for a deeper understanding of Ca2+-related immune responses.The third project investigates how changes in ER Ca2+ concentrations affect the activation of the Unfolded Protein Response (UPR) sensors IRE1α, PERK, and ATF6α. Through a combination of Ca2+ imaging, biochemical analyses, and mathematical modelling, we found that the activation of the 3 branches of the UPR pathway are highly sensitive to the extent of Ca2+ decrease of the ER. The study also uncovers a nonlinear rate of activation of the IRE1α branch of UPR, as compared to the PERK and ATF6α branches that become activated gradually with time and are sensitive to more important ER Ca2+ depletions. The modelling predicted that both IRE1α and PERK rapidly deactivate upon Ca2+ replenishment. This prediction was experimentally validated, showing that ER Ca2+ refilling leads to the swift reversion of IRE1α and PERK phosphorylation within 15 minutes. Together, these findings reveal a dose-sensitive activation and deactivation of the UPR that could play a crucial role in determining cell fate during stress responses.In this thesis, a methodology for linking COMSOL Multiphysics with MATLAB was developed to simulate hybrid stochastic-deterministic scenarios, expanding the tools available for the computational modelling community. The studies presented in this work provide clear examples of how computational and mathematical models, closely based on experimental data, can be employed not only to test hypotheses and gain a deeper understanding of biological systems but also to make predictive advances in Ca2+ signalling research.

Le calcium (Ca2+) est un messager intracellulaire clé impliqué dans de nombreux processus physiologiques, notamment la division cellulaire, la fécondation, le métabolisme mitochondrial et la régulation de l’expression génique. Sa régulation précise est essentielle au maintien de l’homéostasie cellulaire, et des perturbations de sa dynamique sont associées à diverses pathologies. Les signaux calciques sont régulés dans l’espace et le temps par un réseau de pompes, échangeurs et canaux aux interactions non linéaires complexes. L’étendue spatiale de ces signaux concerne aussi bien des microdomaines entre le réticulum endoplasmique (RE) et la membrane plasmique (MP) que la cellule entière, ou un groupe de cellules. Les modèles mathématiques et computationnels constituent des outils idéaux pour explorer leur régulation et leurs impacts physiologiques. Cette thèse décrit les modèles mathématiques et computationnels utilisés pour investiguer, en collaboration étroite avec l’expérience, trois problèmes-clefs liés à la signalisation calcique. Le premier projet examine les propriétés de diffusion de l’inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3), le messager principal initiant la signalisation calcique. Des études in vitro estimaient son coefficient de diffusion à 280 µm²/s, tandis que des observations in vivo couplées à un modèle simplifié à une dimension spatiale suggéraient des valeurs bien plus faibles (3–10 µm²/s). Un modèle hybride stochastique et déterministe, intégrant une géométrie cellulaire réaliste, a estimé un coefficient effectif d’environ 100 µm²/s et montré que la diffusion de l’IP₃ est facilitée dans des cellules allongées.Le deuxième projet explore les microdomaines calciques dans l’activation des cellules T, notamment les microdomaines dépendants de l’adhésion (ADCMs) aux jonctions RE-MP. Par des simulations détaillées des flux de Ca2+ et de la dynamique stochastique des clusters de récepteurs à l’IP3, le modèle reproduit les amplitudes, durées et l'étendue spatiale des ADCMs observés expérimentalement, offrant un éclairage sur la signalisation calcique initiale dans l’immunité.Le troisième projet étudie l’impact des variations du Ca2+ du RE sur l’activation des senseurs de la réponse aux protéines mal repliées (UPR) : IRE1α, PERK et ATF6α. Au moyen d’imagerie calcique, d’analyses biochimiques et de modélisation mathématique, nous avons montré que l’activation des trois branches de l’UPR est hautement sensible au taux de diminution du [Ca²⁺] du RE. Nos analyses révèlent une activation non linéaire de la branche IRE1α, tandis que PERK et ATF6α s’activent progressivement. Les simulations ont prédit une désactivation rapide des voies IRE1α et PERK après un retour à des [Ca2+] élevées dans le RE, ce qui a été confirmé expérimentalement.Enfin, une méthodologie de couplage entre COMSOL Multiphysics et MATLAB a été développée pour simuler des scénarios hybrides stochastiques-déterministes. Les études présentées dans ce travail fournissent des exemples clairs de la manière dont les modèles computationnels et mathématiques, étroitement fondés sur des données expérimentales, peuvent être utilisés non seulement pour tester des hypothèses et approfondir la compréhension des systèmes biologiques, mais aussi pour faire des prédictions en lien avec la signalisation du Ca2+.