Les espèces réactives de l'oxygène ou ROS sont des molécules dérivées de l'oxygène produites " de manière professionnelle " par les NADPH oxydases (NOX). Ces enzymes utilisent l'oxygène comme accepteur d'électrons afin de les transférer à travers les membranes. Le produit de cette réaction est l'anion superoxyde. La famille des NADPH oxydases est composée chez l'Homme de 7 membres : NOX1, NOX2, NOX3, NOX4, NOX5, DUOX1 et DUOX2. Bien que les structures des différentes isoformes des NOX soient très homologues, leurs mécanismes d'activation et leurs distributions tissulaires, cellulaires et subcellulaires et en conséquence, leurs fonctions physiologiques sont très différents. Leurs rôles physiologiques mais aussi pathologiques ont été très souvent déterminés à l'aide de modèles murins transgéniques. Le travail présenté dans cette thèse a eu pour but de déterminer deux nouveaux rôles de NOX1 dans des pathologies humaines : l'hypertension artérielle et le syndrome de détresse respiratoire. Dans un second temps, nous avons également évalué le rôle anti-inflammatoire de NOX2 en utilisant comme modèle des souris déficientes en Nox2. NOX1 a été impliqué dans l'hypertension artérielle induite par l'angiotensine II. Dans cette étude, il a été démontré que les ROS générés par NOX1 sont impliqués dans la formation des anévrysmes aortiques induits par l'angiotensine II, en régulant l'activité des métallo-protéases ainsi que la fibrose. L'activation de NOX1 par l'angiotensine II via son récepteur AT1 est un phénomène bien connu. Nous avons démontré que NOX1 est capable également de réguler la présence du récepteur AT1 à la membrane plasmique. Ces données font de NOX1 une cible thérapeutique de plus en plus importante dans l'hypertension artérielle ainsi que dans les anévrysmes aortiques. Le syndrome de détresse respiratoire des prématurés est caractérisé par une immaturité pulmonaire nécessitant une ventilation mécanique et de fortes concentrations d'oxygène. Les poumons soumis alors à des conditions d'hyperoxie vont être exposés à des concentrations importantes de ROS favorisant et exacerbant les lésions pulmonaires. Lors de cette étude, nous avons démontré à l'aide de souris déficientes en Nox1 que cette NADPH oxydase uniquement est impliquée dans la génération des ROS au niveau des cellules épithéliales et endothéliales pulmonaires induite par l'hyperoxie. NOX1 est à nouveau une cible potentielle thérapeutique lors des syndromes respiratoires des prématurés particulièrement sensibles aux fortes concentrations de ROS. La maladie granulomateuse septique ou CGD est un syndrome d'immunodéficience dû à la présence de mutations essentiellement de gp91phox, gène codant pour NOX2. En conséquence, les patients atteints de CGD souffrent d'infections récurrentes mettant en jeu leur pronostic vital. Associées à ces infections, des réactions inflammatoires exacerbées sont observées et ont un impact sur la morbidité. Dans cette étude, nous avons déterminé qu'une des origines possibles de l'inflammation en l'absence de NOX2 est le beta-glycan. Ces polymères de glucose, composés majoritaires de la paroi des champignons, induisent une inflammation qui ne peut se résoudre en l'absence de NOX2. Mais bien que l'hyperinflammation observée dans un modèle inflammatoire cutané chez les souris déficientes en Nox2 soit associée à de fortes quantités de TNF-alpha, l'augmentation de cette cytokine pro-inflammatoire n'est pas le principal médiateur les lésions inflammatoires induites par les beta-glycans et l'absence de Nox2. Le traitement des patients CGD par des bloqueurs du TNF-alpha ne semblent donc pas recommandés. D'un autre côté, il semble que les molécules capables de bloquer les effets des beta-glycans sont à considérer comme des cibles potentielles pour la recherche de molécules anti-inflammatoires spécifiques et le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques et préventives pour les patients CGD.

La thèse intitulée Structures de biopolymères pour la reconstruction de tissus biologiques, structurée en 4 chapitres, présente la possibilité d'obtenir des structures biopolymériques qui peuvent être utilisées dans la reconstruction des tissus, notamment dans la reconstruction des tissus osseux. Les objectifs spécifiques suivants ont été définis et suivis dans les chapitres 2, 3 et 4: 1) L'obtention de structures basées sur le PHA et des fibres naturelles, pour leur utilisation médicale - films, fibres, structures compactes et/ou poreuses, 2) Modification physique ou chimique des structures obtenues pour améliorer leur biocompatibilité, 3) Caractérisation biologique in vitro et in vivo des matériaux; 4) Etude de l'influence des métaux sur la minéralisation du tissu osseux. Le Chapitre I résume les biomatériaux utilisés en génie tissulaire basé sur la littérature. Le Chapitre II présente les différentes structures biopolymériques étudiées: films, microparticules, fibres, tubes et structures microporeuses et l'évaluation des propriétés physiques, chimiques et mécaniques des PHA et fibres naturelles et une étude sur la porosité en utilisant le microCT. Le chapitre III traite de l'influence de la porosité sur l'adhésion cellulaire des films de PHA, une étude in vitro et le comportement in vivo des fibres de PHBV. La dernière partie inclut une étude sur la modification des fibres de fibroïne et de cellulose, pour améliorer leur minéralisation. Le chapitre IV traite l'influence de l'aluminium sur la minéralisation osseuse. Cette étude a été motivée par les conclusions alarmantes des effets nocifs de l'aluminium sur la minéralisation osseuse. La dernière section contient des observations finales et des perspectives.

Nous avons utilisé des anticorps polyclonaux dirigés contre la protéine T du complexe de la glycine décarboxylase (GDC) pour isoler un ADNc de 1430 pb codant pour la protéine T de pois. L'analyse de la séquence nucléotidique a montré que la protéine T était synthétisée sous forme d'un précurseur comportant un peptide de transit mitochondriale de 30 aminoacides précédant la protéine T mature qui comporte 378 aminoacides. La masse déduite de la séquence primaire est de 40 961 Da et correspond exactement à la valeur mesurée au spectromètre de masse, ce qui indique que le cofacteur de la protéine T, le tétrahydrofolate n'est pas fixé de manière covalente sur la protéine. La structure primaire de la protéine T a pu également être confirmée par analyse en HPLC-ESI/MS et par microséquençage des fragments générés par protéolyse chimique de la protéine T purifiée. Des homologies de séquences avec les protéines T de foie de poulet, de boeuf et de pomme de terre, nous ont permis de localiser des régions hautement conservées comportant des résidus chargés positivement qui pourrait être impliquées dans les intéractions avec le tétrahydrofolate. L'étude de l'expression de la protéine T par Northern et Western-blot a montré que la protéine T et les messagers correspondants était principalement présents dans les tissus foliaires et subissaient une forte induction (8 à 10 fois) à la lumière. Disposant de tous les outils moléculaires nécessaires à l'étude de la biogénèse de la GDC, nous avons étudié les modalités de mise en place du complexe au cours du développement de la feuille de pois. Nous avons observé que la capacité d'oxydation des mitochondries de tissus foliaires durant les premiers stades était négligeable pour augmenter de façon dramatique lorsque la feuille était pleinement ouverte (9 jours). En effet, contrairement à la Rubisco qui est présente dans les chloroplastes dès les tout premiers stades du développement, les protéines de la GDC se mettent en place beaucoup plus tardivement au sein de la matrice mitochondriale. Ce chargement en GDC des mitochondries est tellement important qu'il se traduit par une augmentation de leur densité. L'analyse des transcrits des gènes codant pour les protéines de la GDC (P, H et T) et la petite sous unité de la Rubisco révèle qu'ils sont exprimés dès le 4ième jour de croissance, stade où les mitochondries sont incapables d'oxyder la glycine. Cela suggère l'existence d'un contrôle post-transcriptionnel de l'expression des gènes codant pour les protéines P, H et T de la GDC. Nous avons isolé le gène codant pour la protéine T qui est composé de 4 exons et dont la taille approximative est de 3 kpb. Nous avons détecté deux démarrages de transcription dont l'un présente une séquence riche en pyrimidine proche de la séquence Inr (Initiator element). L'analyse de la région promotrice du gène révèle essentiellement trois régions consensus, découvertes chez les gènes nucléaires codant pour la petite sous-unité de la Rubisco et pour la protéine liant les chlorophylles a/b : une région riche en nucléotide AT, un motif GATA en tandem et la boîte II (GGTTAA). Ces séquences semblent être impliquées dans la réponse à la lumière et dans la spécificité tissulaire. L'incubation de la région riche en nucléotides AT et de la boîte II avec un extrait nucléaire provenant de feuilles vertes a permis de caractériser certains facteurs de transcription similaires à ceux présents chez rbcS3,6 et rbcS3A. Dans la perspective de l'étude structurale de la protéine T, nous avons réussi à surexprimer chez E. coli la protéine T, seule ou en tandem avec la protéine H. La présence de nombreux codons rares dans la séquence nucléotidique, nous a amené à construire des vecteurs coexprimant l'ARNt codant pour l'arginine, de façon à permettre la traduction de la protéine dans la bactérie.

Depuis plusieurs décennies, la médecine constate une augmentation des pathologies prolifératives, de surcharge lipidiques et neurodégénératives. Les maladies métaboliques sont les plus fréquentes, insulinorésistance, diabètes de type 2 ou encore obésités pathologiques. Il est évident que ces pathologies sont d'origine multifactorielle. Une cause environnementale est de plus en plus fréquemment évoquée, comme facteur causal ou comme facteur aggravant. Ces dernières décennies ont vu une inflation de d'utilisation des produits phytosanitaires dans des usages industriels ou agricoles. Ces xénobiotiques sont suspectés de favoriser les pathologies dites "environnementales". Il apparaît que même les doses faibles de ces produits induisent des effets métaboliques. Nous avons étudié l'effet de 2 organochlorés, le lindane et le chlordécone, sur la fonction mitochondrial et le métabolisme énergétique cellulaire. Cette étude a été menée sur des cellules HepG2, et des durées courtes avec des doses correspondant aux concentrations plasmatiques moyennes retrouvées dans les zones d'exposition. Ces molécules pesticides induisent un stress mitochondrial qui semble se résoudre sur une durée courte. Pourtant certaines perturbation des régulations métaboliques mitochondriales et du dialogue nucléo-mitochondrial perdurent sur des durées plus longues. Il en va ainsi de l'expression des facteurs régulateurs, anomalies favorisant des dysfonctionnements cellulaires pouvant être à l'origine de maladies "environnementales". Nous proposons que l'analyse de la fonction mitochondriale pourrait être une approche intéressante pour l'étude des effets toxiques des faibles doses de xénobiotiques.

Les avancées récentes dans l'étude des phénomènes aboutissant au cancer montrent que chaque tumeur possède des caractéristiques physiopathologiques qui lui sont propres. L'apport de biomarqueurs, permettant de réaliser des diagnostics moléculaires précis est donc un enjeu primordial. Une analyse protéomique quantitative globale basée sur l'utilisation du marquage iTRAQ TM a été réalisée sur des tumeurs colorectales congelées. Ces tumeurs ont été analysées en fonction de leur stade TNM d'une part, et de leur statut concernant l'oncogène KRAS d'autre part. Afin de compléter notre analyse nous avons également analysé le protéome de lignées cellulaires colorectales. Nous avons également examiné le stroma de ces tumeurs, et nous avons développé une technique d'analyse d'un sous-protéome : le glycoprotéome. L'ensemble de ces résultats nous a conduit à proposer une base de données des protéines identifiables dans ce modèle constituée de 3 168 protéines. 513 des protéines que nous avons identifiées sont susceptibles d'être sécrétées par les tumeurs et constituent une base de données de candidats biomarqueurs pour le cancer colorectal. Nous avons également validé l'un d'entre eux : l'OLFM4. Il s'agit d'un candidat biomarqueur potentiel pour la détection précoce des cancers colorectaux, et nous avons également mis en évidence que son niveau d'expression était modifié lorsque la tumeur était mutée sur l'oncogène KRAS. Nous nous sommes également intéressés à ses fonctions cellulaires, et nous avons montré qu'elle participait à la résistance des tumeurs aux traitements, et il est probable qu'elle joue un rôle dans la dissémination tumorale.

Les facteurs de transcription STAT3 sont activés et impliqués dans le développement tumoral par leurs effets sur la prolifération et la survie cellulaire. Lorsque STAT3 est phosphorylé sur la tyrosine 705, il semble impliqué dans la transformation cellulaire et dans l'échappement aux traitements classiques de chimiothérapie. Un second site de phosphorylation sur la sérine 727 a été décrit mais son implication dans la régulation de l'activité de STAT3 en réponse aux traitements a été peu étudiée. Nous nous sommes donc intéressés au rôle de la phosphorylation de la sérine 727 de STAT3 dans la réponse de lignées cellulaires colorectales aux agents génotoxiques et plus particulièrement aux inhibiteurs de topoisomérases de type I. Le traitement entraine une perte de la transcription de la cycline D1 et de myc, gènes cibles de STAT3 phosphorylée sur tyrosine 705 et une activation de la kinase cdk5. Cette dernière va phosphoryler STAT3 sur son résidu sérine 727 ce qui va lui permettre de se fixer sur le promoteur du gène de la protéine de réparation Eme1, pour activer sa transcription. Ceci permet la réparation des dommages de l'ADN induits par le Sn38 et entraine une diminution de la sensibilité au traitement. D'autre part, l'inhibition des topoisomérases entraine une perte de la protéine myc normalement liée au promoteur d'Aurora A en phase G2/M et qui, associée au recrutement des répresseurs mad et miz aboutit à l'inhibition de la transcription de la kinase Aurora A. Une inhibition de la séparation des centrosomes est alors observée et entraine un arrêt en phase G2/M. En plus de la régulation de l'activité transcriptionnelle de STAT3 phosphorylée sur la sérine, nous nous sommes intéressés aux partenaires protéiques du facteur de transcription en réponse à sa phosphorylation. Par l'intermédiaire de la technique du double hybride et de la spectrométrie de masse, nous avons pu mettre en évidence deux nouveaux partenaires potentiels de STAT3. D'abord DDB2, protéine impliquée dans l'entrée en sénescence et dans la méthylation de l'ADN. Puis, ASPP2, une protéine qui confère à p53 une meilleure affinité de fixation à certains de ses promoteurs. Nous pensons que la phosphorylation de STAT3 sur la sérine 727 pourrait être impliquée dans l'induction de la sénescence et dans la réparation des dommages de l'ADN et que la cellule tumorale détournerait ces processus de protection pour réparer son ADN afin de résister au traitement. Les cellules pourraient alors proliférer avec un matériel génétique abimé, ce qui rendrait ces cellules instables sur le plan génomique. La détection de cette phosphorylation de STAT3 pourrait etre utilisée comme un marqueur de résistance aux inhibiteurs de topoisomérase. Ceci pourrait ainsi permettre de mieux prédire la réponse des patients à ce traitement.

Le suivi de particules est une méthode de choix pour comprendre les mécanismes intra-cellulaires car il fournit des moyens robustes et précis de caractériser la dynamiques des objets mobiles à l'échelle micro et nano métrique. Cette thèse traite de plusieurs aspects liés au problème du suivi de plusieurs centaines de particules dans des conditions bruitées. Nous présentons des techniques nouvelles basée sur des méthodes mathématiques robustes qui nous permettent des suivre des particules sous-résolutives dans les conditions variées qui sont rencontrées en imagerie cellulaire. Détection de particules : nous avons tout d'abord traité le problème de la détection de particules dans les images fluorescentes contenant un fond structuré. L'idée clé de la méthode est l'utilisation d'une technique de séparation de sources : l'algorithme d'Analyse en Composantes Morphologiques (ACM), pour séparer le fond des particules en exploitant leur différence de morphologie dans les images. Nous avons effectué un certain nombre de modifications à l'ACM pour l'adapter aux caractéristiques des images biologiques en fluorescence. Par exemple, nous avons proposé l'utilisation du dictionnaire de Curvelet et d'un dictionnaire de d'ondelettes, avec des à priori de parcimonie différents, afin de séparer le signal des particules du fond. Une fois la séparation de sources effectuée, l'image sans fond peut être analysée pour identifier de manière robuste la position des particules et pour les suivre au cours du temps. Modélisation du problème de suivi : nous avons proposé un cadre de travail statistique global qui tient compte des nombreux aspects du problème de suivi de particules dans des conditions bruitées. Le cadre de travail probabiliste que nous avons mis au point contient de nombreux modèles qui sont dédiés à l'imagerie biologique, tels que des modèles statistiques de mouvement des particules en milieu cellulaire. Nous avons aussi défini la concept de perceiability d'une cible dans le cas des particules biologiques. Grâce à ce modèle l'existence d'une particule est explicitement modélisée et quantifiée, ce qui nous permet de résoudre les problèmes de création et de terminaison des trajectoires au sein même de notre cadre probabiliste de suivi. Le cadre de travail proposé bénéficie d'une grande flexibilité mais reste facile à adapter car chaque paramètre du modèle trouve une interprétation simple et intuitive. Ainsi, notre modèle probabiliste de suivi nous a permis de modéliser de manière exhaustive un grand nombre de systèmes biologiques différents. Mise au point d'un algorithme de suivi : nous avons reformulé l'algorithme de suivi nommé Multiple Hypothesis Tracking (MHT) pour qu'il inclue notre modèle probabiliste de suivi dédié aux particules biologiques, et nous avons proposé une implémentation rapide qui permet de suivre de nombreuses particules dans des conditions d'imagerie dégradées. L'\textit{Enhanced} MHT (E-MHT) que nous avons proposé tire pleinement partie du modèle de suivi en incorporant la connaissance des images futures, ce qui augmente significativement le pouvoir discriminant des critères statistiques. En conséquence, l'E-MHT est capable d'identifier automatiquement les détections erronée et de détecter les événements d'apparition et de disparition des particules. Nous avons résolu le problème de la complexité de la tache de suivi grâce à un design de l'algorithme que exploite la topologie en arbre des solution et à la possibilité d'effectuer les calculs de manière parallèle. Une série de tests comparatifs entre l'E-MHT et des méthodes existantes de suivi a été réalisée avec des séquences d'images synthétiques 2D et avec des jeux de données réels 2D et 3D. Dans chaque cas l'E-MHT a montré des performances supérieures par rapport aux méthodes standards, avec une capacité remarquable à supporter des conditions d'imagerie très dégradées. Nous avons appliqué les méthodes de suivi proposées dans le cadre de plusieurs projets biologiques, ce qui a conduit à des résultats biologiques originaux. La flexibilité et la robustesse de notre méthode nous a notamment permis de suivre des prions infectant des cellules, de caractériser le transport de protéines lors du développement de l'ovocyte de la drosophile, ainsi que d'étudier la trafic d'ARN messager dans l'ovocyte de drosophile.

Les interactions entre protéines sont un enjeu majeur en recherche. Hautement spécifiques, elles régulent l'organisation cellulaire, ainsi que les réponses aux stimuli extérieurs ; ce sont des cibles idéales des agents thérapeutiques. Diverses techniques d'étude sont disponibles, mais peu d'entre elles permettent d'analyser simultanément plusieurs interactions. L'objectif de ce travail est d'utiliser le double hybride bactérien pour découvrir de nouveaux partenaires de 2 régulateurs de la prolifération tumorale humaine, p21 et STAT3, et en parallèle pour déterminer la fonction de MtSAP1, impliquée dans la germination et la réponse aux stress abiotiques chez Medicago truncatula. L'analyse des partenaires potentiels de l'oncogène STAT3 et de l'inhibiteur p21 suggère l'existence de nouveaux mécanismes moléculaires de la tumorogenèse auxquels participerait STAT3, et permet d'envisager de nouvelles hypothèses quant au rôle de p21. Un nouveau complexe, p21/prohibitine2, est étudié mais sa fonction reste supposée : il pourrait agir comme corégulateur transcriptionnel et/ou réguler la protéolyse de p21. L'étude du gène MtSAP1 et des partenaires d'interactions suggèrent fortement que MtSAP1 serait induit par l'hypoxie : elle jouerait un rôle considérable dans la détoxification et la tolérance de la plante au stress. Ce travail, appuyé par la littérature, met en évidence un lien fonctionnel entre p21, STAT3 et MtSAP1 au cours de l'hypoxie dans les cellules cancéreuses humaines. La confirmation de cette hypothèse permettrait d'approfondir les mécanismes de protection cellulaire face à l'hypoxie, tant au sein des tumeurs humaines que lors de la tolérance de Medicago truncatula.

Les mitochondries sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires essentiels tels que le catabolisme des nutriments, la phosphorylation oxydative, l'apoptose et la régulation des flux calciques. Elles ont une structure dynamique, qui s'adapte en permanence aux besoins cellulaires, et sont sous le contrôle de réseaux de régulation coordonnant leur masse, leur structure et leurs fonctions. Le protéome mitochondrial est ainsi composé d'une très grande diversité de protéines qui dérive en partie de l'ancêtre procaryote des mitochondries et résulte majoritairement d'une information codée par le génome nucléaire, mais aussi d'une information plus restreinte portée par le génome mitochondrial. Sept cents protéines mitochondriales ont été caractérisées chez l'homme, grâce à diverses approches de protéomique, de génomique et de bio-informatique, mais il est probable que les mitochondries en comportent un nombre bien supérieur. La caractérisation de ces protéines est essentielle à la compréhension des nombreuses maladies génétiques et communes associées à des dysfonctionnements mitochondriaux. Au cours de ce travail de thèse nous avons comparé in silico les séquences des protéines mitochondriales humaines avec celles des procaryotes, mettant en évidence que les protéines impliquées dans les pathologies sont majoritairement homologues à des protéines procaryotes. Nous avons ensuite développé une stratégie de recherche bio-informatique de nouvelles protéines mitochondriales basée sur leur origine procaryote et la présence d'une extension N-terminale caractéristique. L'ensemble des protéomes procaryotes connus a été comparé au génome humain et différents outils de filtrage ont été développés pour identifier de nouvelles protéines. Parallèlement à cette stratégie globale de criblage, nous nous sommes focalisés sur l'étude d'une des protéines participant à la fusion mitochondriale qui est associée à l'atrophie optique autosomique dominante, la protéine Opa1. Cette dynamine GTPase est impliquée dans le remodelage de la membrane interne mitochondriale, l'apoptose, la maintenance de l'ADN mitochondrial et le métabolisme énergétique. Nous avons développé une base de données internationale répertoriant les différents variants affectant Opa1 afin de caractériser son spectre mutationnel. Cet outil a secondairement servi à une étude clinique multicentrique portant sur près de mille patients porteurs d'une neuropathie optique. À travers ces deux approches, nous avons pu développer de nouveaux outils bio-informatiques qui devraient contribuer à une meilleure compréhension de la physiopathologie mitochondriale.

L'entrée des cellules en mitose se caractérise par l'augmentation d'expression de la kinase Aurora A. Nous avons caractérisé l'effet du sn38, métabolite actif de l'irinotecan utilisé dans le traitement du cancer colorectal sur l'expression de cette kinase. En absence de traitement, le facteur de transcription c-myc se lie au promoteur d'Aurora A et l'active. Cependant, le traitement des cellules avec du sn38 induit l'inhibition de c-myc et son absence du promoteur d'Aurora A s'accompagnant de l'induction du processus de sénescence. Nous avons également étudié l'effet de l'oncogène Ras sur la kinase Aurora A. Cet oncogène induit une diminution d'expression d'Aurora A par une modulation de l'activité des cofacteurs transcriptionnels de c-myc. En résumé, nos résultats indiquent qu' Aurora A est une cible des traitements de chimiothérapie et des mécanismes de contrôles oncogéniques. Le blocage de son expression constitue certainement une protection contre le développement tumoral.