La médecine de précision (MP) est un nouveau paradigme qui révolutionne la pratique médicale actuelle et remodèle complètement la médecine de demain. La MP aspire à placer le patient au centre du parcours de soins en y intégrant les données médicales et biologiques individuelles tout en tenant compte de la grande diversité interindividuelle. La prédiction des états pathologiques chez les patients nécessite une compréhension dynamique et systémique. Les erreurs innées du métabolisme (EIM) sont des troubles génétiques résultant de défauts dans une voie biochimique donnée en raison de la déficience d'une enzyme, de son cofacteur ou d’un transporteur. Les EIM ne sont plus considérées comme des maladies monogéniques mais tendent à être plus complexes et multifactorielles. Le profil métabolomique permet le dépistage d’une pathologie, la recherche de biomarqueurs et l’exploration des voies métaboliques mises en jeu. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé l’approche métabolomique qui est particulièrement pertinente pour les EIM compte tenu de leur physiopathologie de base qui est étroitement liée au métabolisme. Ce travail a permis la mise en place d’une méthodologie métabolomique non ciblée basée sur une stratégie analytique multidimensionnelle comportant la spectrométrie de masse à haute résolution couplée à la chromatographie liquide ultra-haute performance et la mobilité ionique. La mise en place de la méthodologie de prétraitement, d’analyse et d’exploitation des données générées avec des outils de design expérimental et d’analyses multivariées ont été aussi établies. Enfin, cette approche a été appliquée pour l’exploration des EIM avec les mucopolysaccharidoses comme preuve de concept. Les résultats obtenus suggèrent un remodelage majeur du métabolisme des acides aminés dans la mucopolysaccharidose de type I. En résumé, la métabolomique pourrait être un outil complémentaire pertinent en appui à l’approche génomique dans l’exploration des EIM. / The new field of precision medicine is revolutionizing current medical practice and reshaping future medicine. Precision medicine intends to put the patient as the central driver of healthcare by broadening biological knowledge and acknowledging the great diversity of individuals. The prediction of physiological and pathological states in patients requires a dynamic and systemic understanding of these interactions. Inborn errors of metabolism (IEM) are genetic disorders resulting from defects in a given biochemical pathway due to the deficiency of an enzyme, its cofactor or a transporter. IEM are no longer considered to be monogenic diseases, which adds another layer of complexity to their characterization and diagnosis. To meet this need for faster screening, the metabolic profile can be a promising candidate given its ability in disease screening, biomarker discovery and metabolic pathway investigation. In this thesis, we used a metabolomic approach which is particularly relevant for IEM given their basic pathophysiology that is tightly related to metabolism. This thesis allowed the implementation of an untargeted metabolomic methodology based on a multidimensional analytical strategy including high-resolution mass spectrometry coupled with ultra-high-performance liquid chromatography and ion mobility. This work also set a methodology for preprocessing, analysis and interpretation of the generated data using experimental design and multivariate data analysis. Finally, the strategy is applied to the exploration of IEM with mucopolysaccharidoses as a proof of concept. The results suggest a major remodeling of the amino acid metabolisms in mucopolysaccharidosis type I. In summary, metabolomic is a relevant complementary tool to support the genomic approach in the functional investigations and diagnosis of IEM.

Le système circadien muti-oscillant est constitué de l'horloge suprachiasmatique (SCN), l'horloge principale dans l'hypothalamus antérieur, et de nombreuses horloges périphériques. L'horloge SCN synchronise les horloges périphériques situées dans chaque organe. L'horloge SCN est une horloge circadienne auto-entretenue qui maintient les rythmes quotidiens comportementaux, physiologiques et neuroendocriniens. Les donneurs de temps (zeitgebers), tels que lumière et nourriture, sont des synchroniseurs puissants, respectivement pour le SCN et les horloges périphériques. La thèse visait à mieux comprendre les interactions entre les horloges circadiennes et le comportement alimentaire chez les espèces nocturnes. Nous avons montré dans la première et la seconde partie que l'alimentation ultradienne affecte les horloges centrales et périphériques chez la souris et le rat. Dans la première étude, nous avons conclu que l'alimentation ultradienne chez la souris a un impact majeur sur la sortie de l'horloge SCN et sur l'horloge périphérique dans le foie, tandis que dans la seconde étude, l'alimentation ultradienne chez le rat n'a eu pas d'impact sur l'horloge SCN, mais il a modifié les horloges périphériques et le métabolisme des lipides. Dans la troisième partie, nous avons montré des effets différentiels du régime alimentaire et de la restriction alimentaire temporelle sur les horloges périphériques du tissu adipeux brun et du muscle squelettique. Dans la quatrième partie, nous avons démontré un rôle du gène d'horloge Rev-erbα dans le comportement alimentaire et le métabolisme énergétique en comparant des souris porteuses d’une délétion de Rev-erbα, soit globale, soit limitée au système nerveux central. L’ensemble de ces études révèle l'interdépendance des horloges circadiennes et du comportement alimentaire, ainsi que leurs effets sur le métabolisme énergétique. / The muti-oscillatory circadian system consists of the suprachiasmatic clock (SCN) the master clock, located above the optic chiasm of the anterior hypothalamus, and many peripheral clocks. The SCN clock synchronizes the other peripheral oscillators located in each organ. The SCN clock is a self-sustaining circadian oscillator maintaining the daily behavioural, physiological, and neuroendocrine rhythms. The zeitgebers such as light and food are potent synchronizers for the SCN and other peripheral clocks. The thesis was aimed to understand different aspects of the interactions between circadian clocks and feeding behaviour in nocturnal species. We showed in the first and second parts that the ultradian feeding affects the central and peripheral clocks in mice and rats. In the first part, we concluded that the ultradian feeding in mice has major impacts on the SCN clock output and the peripheral clock in the liver, while in the second part ultradian feeding in rats does not have impact on the SCN clock but it affects peripheral clocks and lipid metabolism. In the third part, we showed the differential effects of diet and time restricted feeding in brown adipose tissue and skeletal muscle peripheral clocks. In the fourth part, we showed the role of clock gene Rev-erbα on feeding behaviour and energy metabolism by comparing between global and brain specific knock-out mice. The present studies reveal the interdependency of the circadian clocks and feeding behaviour, and their effects on whole-body metabolism.

La glycogénose de type 1a (GSD1a) est une maladie métabolique rare liée à une absence d’activité glucose‐6 phosphatase (G6Pase). La G6Pase est une enzyme clé de la production endogène de glucose (PEG) catalysant l’hydrolyse du G6P en glucose avant sa libération dans le sang. Cette fonction est restreinte au foie, aux reins et à l’intestin. La GSD1a est caractérisée par des hypoglycémies chroniques, une hépatomégalie associée à une stéatose hépatique et une néphromégalie. A plus longterme, la plupart des patients développent des adénomes. Un modèle murin de GSD 1a existe mais les souris ne survivent pas après le sevrage. Nous avons donc généré un modèle original de GSD1a, en invalidant le gène de la sous‐unité catalytique de la G6Pase spécifiquement dans le foie, grâce à une stratégie CRE‐LOX inductible (souris L‐G6pc‐/‐). Dans ce travail, nous avons montré que les souris L‐G6pc‐/‐ sont viables et reproduisent parfaitement la pathologie hépatique de la GSD1a, y compris le développement d’adénomes hépatiques après 9 mois d’invalidation. La viabilité des souris nous a permis de débuter des traitements par thérapie génique ciblant le foie à l’aide de vecteurs lentiviraux et AAV. La survie de ces souris, qui ne peuvent pas produire du glucose par le foie, repose la question du rôle relatif de la production hépatique de glucose dans la régulation de la glycémie Nous avons montré que les souris L‐G6pc‐/‐ sont capables de réguler leur glycémie, même au cours d’un jeûne prolongé. Ce maintien de l’homéostasie glucidique est due à une induction rapide de la néoglucogenèse rénale et intestinale, principalement par un mécanisme dépendant du glucagon / Glycogen storage disease type 1a (GSD1a) is a rare metabolic disorder due to an absence of glucose‐6 phosphatase (G6Pase) activity. G6Pase is the key enzyme of endogenous glucose production (EGP) and catalyzes the last step before the glucose release into the bloodstream. This function to produce glucose is restricted to the liver, the kidneys and the intestine. GSD1a is characterized by chronic hypoglycemia, hepatomegaly associated with hepatic steatosis and nephromegaly. The longterm complications of G6Pase deficiency include hepatocellular adenomas. The available animal model of GSD1a rarely survive over three months of age and the study of mechanisms of hepatocellular adenomas development cannot be investigated. So, we generated an original mouse model of GSD1a with a liver‐specific invalidation of catalytic subunit of G6Pase gene by an inducible CRE‐LOX strategy (L‐G6pc‐/‐ mice). In this work, we demonstrated that L‐G6pc‐/‐ were viable and totally reproduced the liver pathology of GSD1a, including the late development of hepatocellular adenomas. Then, we have begun liver gene therapy treatment using lentiviral and AAV vectors to correct the hepatic pathology. Finally, concerning glucose homeostasis, we have demonstrated that L‐G6pc‐/‐ were able to regulate blood glucose, during prolonged fast, even in the absence of hepatic glucose production. Rapidly, L‐G6pc‐/‐ mice were able to induce renal and intestinal gluconeogenesis thanks to a key role of glucagon and the development of a metabolic acidosis. These results provide evidence that the major role of the liver for EGP during fasting requires re‐examination

La production de protéines hétérologues permet de développer une nouvelle génération de vaccins. La bactérie Escherichia coli est l’un des organismes hôtes les plus utilisés pour la production de protéines hétérologues, appelées également protéines recombinantes. Le déclenchement de la production de protéine altère la croissance bactérienne en réponse à la réallocation des ressources métaboliques vers la synthèse de la protéine ; ce qui peut conduire à l’arrêt complet de la croissance. Le maintien de la croissance bactérienne durant la production de la protéine recombinante est pourtant essentiel pour améliorer significativement la quantité et la fonctionnalité des protéines produites. Dans une démarche rationnelle visant à développer un système biologique robuste et performant pour la production d’une grande diversité de protéines recombinantes chez E. coli, les contraintes métaboliques liées à leur production ont été quantifiées. A partir de ces résultats, le système d’expression T7 a été intégré à la régulation métabolique et traductionnelle de la bactérie E. coli BL21 (DE3) afin d’adapter la vitesse de production avec les capacités métaboliques de la souche. Ce nouveau système biologique de production a ainsi permis d’augmenter considérablement les quantités de protéines produites et offre la possibilité de développer de nouveaux procédés performants de production semi-continus et continus en milieu chimiquement défini. / The production of heterologous proteins offers the ability to develop a new generation of vaccines. The most used organism for the production of heterologous proteins, also called recombinant proteins, is the bacterium Escherichia coli. However, the induction of the production often alleviates the bacterial growth by the new allocation of metabolic resources toward the production of the recombinant protein. Even, this may also lead to growth arrest. The production of high quantities of functional recombinant proteins requires a good balance between of bacterial growth and production of the recombinant protein.In order to rationally develop a robust and an efficient biological system for the production of a large variety of recombinant proteins in E. coli, the metabolic constraints associated to their production have been quantified. From this observation, the T7 expression system has been integrated into the metabolic and translational regulation of the E. coli BL21 (DE3) in order to adjust as perfect as possible the protein production rate to the metabolic capacities of the strain. This new biological production system has made it possible to significantly increase the quantities of proteins produced and opens up the possibility of developing performant semi-continuous and continuous production processes in a chemically defined medium.

Les cœurs univentriculaires sont des cardiopathies congénitales, non compatibles avec la vie. Fontan a transformé le pronostic de ces patients en restaurant une circulation pulmonaire passive. Malheureusement, le pronostic à long terme reste péjoratif. Pour diminuer la morbi-mortalité de ces patients, nous avons développé un protocole chirurgical de pré-conditionnement, permettant une totalisation de Fontan percutanée adaptative aux résistances pulmonaires et aux capacités de travail du ventricule. Nous avons pu observer que les chaînes respiratoires mitochondriales n’ont pas la possibilité d’adapter leur production énergétique face au travail. Le déséquilibre de la balance Nitroso-Redox engendrera le mitohormésis et l’hormésis, puis inéluctablement surviendra un remodelage myocardique mal adaptatif. La seule possibilité pour améliorer le pronostic à long terme de ces patients sera d’augmenter les capacités oxydatives myocardiques du ventricule unique ou de créer une pompe pulmonaire. / Univentricular hearts are congenital heart diseases, not compatible with life. Fontan transformed the prognosis of these patients by restoring a passive pulmonary circulation. Unfortunately, the long-term prognosis remains pejorative. To reduce the morbidity and mortality of these patients, we developed a surgical preconditioning protocol, allowing a percutaneous Fontan totalization, adaptive to pulmonary resistance and to the working capacity of the ventricle. We observed that the mitochondrial respiratory chains do not have the ability to adapt their energy production toward work. The desequilibrium of the Nitroso-redox balance will generate mitohormesis and hormesis, then will inevitably occur a poorly adaptive myocardial remodeling. The only way to improve the long-term prognosis of these patients is to increase the myocardial oxidative capacities of the single ventricle or to create a pulmonary pump.

Chez la drosophile, l’activation du récepteur Toll menant à une réponse antimicrobienne peut se faire par deux voies différentes. Ces deux voies sont activées soit par des récepteurs dédiés, les Pattern Recognition Receptors (PRRs) reconnaissant des motifs moléculaires microbiens, soit par la coupure d’une molécule circulante appelée Perséphone par des protéases microbiennes extrêmement diverses sécrétées pendant une infection. Cependant, le mécanisme par lequel Perséphone est activée demeurait ambigu. Nous avons identifié une région unique dans Perséphone fonctionnant comme un appât pour les protéases exogènes indépendamment de leur origine, type ou spécificité. Une coupure dans cette région constitue la première étape d’une activation séquentielle de Perséphone ; elle permet de recruter la cathepsine circulante 26-29-p, qui va générer la forme active de Perséphone.Ces travaux montrent comment un récepteur de l’immunité innée, Perséphone, peut être activé par un signal de danger, en l’occurrence des enzymes microbiennes, et non par la détection de motifs moléculaires qui peuvent être présents dans la flore microbienne hébergée par les animaux. / In Drosophila, the antimicrobial response against infections can be triggered by two different extracellular mechanisms that both lead to the activation of the Toll receptor. These two mechanisms are activated either by the recognition of specific microbial determinants by Pattern Recognition Receptors (PRRs), or by the cleavage of the circulating serine protease Persephone by a wide range of microbial proteases secreted during infections. However, the molecular mechanism underlying Persephone activation remained ambiguous. We identified a unique region in Persephone pro-domain that functions as a bait for exogenous proteases independently of their origin, type or specificity. Cleavage of Persephone in this bait region constitutes the first step of a sequential activation and licenses the subsequent maturation of Persephone to the endogenous circulating cysteine cathepsin 26-29-p. Our data establish Persephone itself as an immune receptor able to sense a broad spectrum of microbes through the recognition of danger signals rather than molecular patterns.

S. aureus sécrète de nombreux facteurs de virulence qui lui permettent de lutter efficacement contre le système immunitaire, afin de favoriser la dissémination de la bactérie dans l’organisme hôte. Parmi ces molécules, les leucotoxines ciblent principalement les cellules myéloïdes comme les neutrophiles, les macrophages ou encore les monocytes, et sont formées par deux sous-unités : une de classe S et une de classe F. La Leucodine de Panton et Valentine (LPV) et l’Hémolysine γ HlgC/HlgB sont deux leucotoxines dont le composant de classe S se fixe sur l’un des récepteurs du système du complément, le C5aR. Naturellement activé par l’anaphylatoxine C5a, le C5aR voit son activité modifiée lors d’une interaction avec la LPV ou HlgC/HlgB, tout du moins pour la libération du calcium intracellulaire. Ces deux leucotoxines, à l’instar du C5a, sont internalisées dans le neutrophile humain et utilisent le transport rétrograde pour atteindre l’appareil de Golgi. Elles peuvent rester dans la cellule jusqu’à 3h sans susciter la mort pour le neutrophile. Plus tard, à 6h, seule la LPV induit de l’apoptose et de la NETose. / S. aureus secretes many virulent factors which allow to efficiently fight the immune system, in a way to promote the bacterial spreading inside the host. Among these molecules, the leukotoxins target myeloid cells such as neutrophils, macrophages and monocytes, and are composed of two subunits: one of class S and one of class F. Panton and Valentine Leukocidin (PVL) and γ-Haemolysin HlgC/HlgB are two leukotoxins whose S-component binds to the C5aR, one of the complement system receptors. Naturally activated by the C5a anaphylatoxin, the activity of the C5aR is modified by the PVL and HlgC/HlgB interaction, for the intracellular calcium release. These two leukotoxins, as C5a, are internalised inside the human neutrophils and use the retrograde transport to reach the Golgi apparatus. These can rest inside the cells until 3h without neutrophil dead. Later, at 6h, only PVL induces apoptosis and NETosis.

L’Ataxie de Friedreich est une maladie génétique récessive neurodégénérative. Elle est due à un déficit dans l’expression d’une protéine mitochondriale, la frataxine. Cette protéine est impliquée dans l’assemblage des protéines fer-soufre (FeS). Le premier axe de ma thèse a consisté à mieux caractériser le rôle de la frataxine au sein du complexe précoce de biosynthèse des clusters FeS (NFS1/ISD11/ISCU). Mes résultats m’ont permis de mettre en évidence l’importance de la frataxine dans le contrôle de l’entrée du fer au sein du complexe de biosynthèse, sur l’activité enzymatique de NFS1 et sur le transfert des clusters FeS vers les apo-protéines. Le second axe a été le développement du programme de bioinformatique (PredISC) nous permettant des candidats de protéines FeS. Ce programme a permis de générer une liste de candidat qui pourra être compilée sous la forme d’une base de données. Par la suite, des approches transversales y seront associées à afin d’affiner les listes de candidats. / Friedreich Ataxia (FA) is the most prevalent form of autosomal recessive ataxia in the Caucasian population. Frataxin is implicated in the biosynthesis of iron-sulfur (FeS). The first axis of my work was to better characterize the function of Frataxin in the “early” complex of FeS clusters biosynthesis (NFS1/ISD11/ISCU). I was able to show the crucial involvement of Frataxin in the control of iron entry in this complex, on the enzymatic activity of NFS1 and on the transfert of FeS cluster to apo-proteins. Thesecond axis was the development of a bio-informatic software (PredISC) that is able to predict potential iron-sulfur containing proteins. The software allows us to generate a list of candidates that will be compiled in a database. In the future transversal approaches have to be associated in order to reduced the number of candidates, and increase their interest.

La Poly(ADP-ribosyl)ation est une modification post-traductionnelle de protéines, impliquée dans un grand nombre de processus biologiques, dont la réparation de l’ADN. Alors que la fonction et le mode d’action de la Poly(ADP-ribose) (PAR) Polymérase 1 (PARP1), activée en réponse aux dommages de l’ADN sont bien compris, on en sait beaucoup moins sur la fonction et la régulation de l’enzyme de dégradation du PAR, la Poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG). Dans le contexte de ce projet de thèse, nous décrivons de nouvelles lignées U2OS stables, déficientes pour toutes les isoformes de PARG, permettant la complémentation inductible avec chacun des isoformes de PARG. Ces modèles nous ont permis d’évaluer les contributions relatives des isoformes à la réparation de dommages à l’ADN. Nous avons identifié un nouveau partenaire cellulaire de PARG : la protéine-kinase dépendante des dommages à l’ADN (DNA-PK). Nous explorons l’interaction fonctionnelle de ces deux protéines dans le contexte de la réponse cellulaire à la camptothécine (CPT), un agent anticancéreux inhibant la topoisomérase I et provoquant l’activation simultanée de PARP1 et DNA-PK. / Poly (ADP-ribosyl) ation is a post-translational modification of proteins involved in a large number of biological processes, including DNA repair. While the function and mode of action of Poly (ADP-ribose) (PAR) Polymerase 1 (PARP1), activated in response to DNA damage, is well understood, much less is known about the function and regulation the PAR degrading enzyme, Poly (ADP-ribose) glycohydrolase (PARG). In the context of this thesis project, we describe new stable U2OS lines, deficient for all PARG isoforms, allowing the inducible complementation with each of the PARG isoforms. These models allowed us to evaluate the relative contributions of the isoforms to DNA damage repair. We have identified a new cellular partner of PARG: the DNA-dependent protein kinase-dependent kinase (DNA-PK). We explore the functional interaction between these two proteins in the context of the cellular response to camptothecin (CPT), an anticancer drug that inhibits topoisomerase I and induces the simultaneous activation of PARP1 and DNA-PK.

La première partie de mon travail de thèse a été de définir le rôle joué par le récepteur nucléaire Rev-erb alpha dans les mécanismes de synchronisation par la nourriture d’une horloge circadienne putative, non encore localisée, appelée « horloge alimentaire ». La seconde partie de mon travail a consisté à étudier la participation de Rev-erb alpha dans les régulations des métabolismes glucidique et lipidique. L’ensemble de nos données indique que le répresseur transcriptionnel Rev-erb alpha joue un rôle charnière dans les fonctions circadiennes ainsi que dans le métabolisme. En effet, d’un point de vue circadien, l’absence de Rev-erb alpha altère la synchronisation à l’heure des repas – démontré par une réduction des sorties comportementales et physiologiques de l’horloge alimentaire, ainsi que par l’absence d’ajustement du rythme de la protéine d’horloge PER2 dans l’oscillateur cérébelleux. Sur le plan métabolique, la délétion de ce gène modifie notamment le métabolisme des lipides – démontré par une accumulation excessive de tissu adipeux, une utilisation préférentielle des acides gras, ainsi qu’une perte de contrôle de l’expression de la Lipoprotéine lipase. / The work performed during this PhD thesis aimed at investigating the role of the transcriptional silencer Rev-erbα in both the circadian clockwork of the food-entrainable oscillator and metabolic regulations. Firstly, by evaluating food-anticipatory components in animals fed once a day at the same time, we showed that mice lacking Rev-erbα display a reduction in locomotor activity prior to food access compared to littermate controls. Accordingly, the rises in body temperature and corticosterone that anticipate mealtime are also diminished. Interestingly, daily p-ERK expression in hypothalamic regions and daily PER2 expression in the cerebellum of Rev-erbα KO mice are not phase-adjusted to feeding time. These results indicate that Rev-erbα participates in the integration of feeding signals and in food-seeking behaviors. Secondly, by investigating energy balance in fasted, normal chow or high-fat fed animals, we revealed that Rev-erbα KO mice exhibit greater reliance on lipid fuels as energy substrates, contributing to a mild hyperglycemic state. We also found that Lipoprotein lipase (Lpl) expression, is strongly up-regulated in peripheral tissues of Rev-erbα KO mice, predisposing mice to obesity. In this regard, we uncovered a new molecular pathway that ties clock-driven Lpl expression to energy homeostasis. These findings highlight the significance of daily Rev-erbα oscillations to prevent the appearance of the metabolic syndrome.In conclusion, we provide evidence that REV-ERBα may be a part of the food-entrainable oscillator clockwork that triggers food-anticipatory components, and represents a pivotal player to link the core clock machinery to metabolic pathways.