Au cours du développement, les modifications du métabolisme des monocarbones liées à une malnutrition peuvent être délétères autant pour la mère que pour le nouveau-né. De plus, les conséquences à long terme d'une carence en période gestationnelle et périnatale sont mal connues, notamment en ce qui concerne les pathologies cardiaques et hépatiques. Nous avons mis en oeuvre un modèle nutritionnel de rates adultes carencées en donneurs de groupements méthyles (vitamines B12, folates et choline) avant la gestation. Ces micronutriments participent à la régulation de différentes enzymes impliquées dans le métabolisme de l'homocystéine. Afin de se placer dans un contexte de physiopathologie, proche de la situation clinique évaluée, nous avons choisi d'alimenter les rates avec un régime carencé un mois avant la mise en accouplement et de poursuivre ce régime pendant la période d'allaitement. Nous avons évalué les répercussions métaboliques et fonctionnelles du régime sur les tissus myocardique et hépatique, chez le nouveau né à 21 jours. Nous avons étudié l'effet de cette carence en groupements méthyles sur le métabolisme énergétique lipidique et sur la carnitine. Conséquences de la carence au niveau myocardique : Le régime carencé en donneurs de méthyles induit une hypertrophie cardiaque avec une augmentation de l'épaisseur du myocarde et un agrandissement des cardiomyocytes. L'étude protéomique du myocarde et l'analyse des données par bioinformatique identifient PGC-1[alpha], PPAR[alpha] et ERR[alpha] comme principaux déterminants des variations d'expression des protéines du métabolisme oxydatif mitochondrial. Nous avons observé une diminution d'expression de PPAR[alpha] et ERR[alpha] et une inactivation de PGC1[alpha] par hypométhylation et hyperacétylation, en lien avec une diminution d'expression de PRMT1 et de SIRT1 et une augmentation de SAH. Conséquences de la carence au niveau du foie : La carence s'accompagne de l'apparition d'une stéatose hépatique microvésiculaire, avec une élévation des taux tissulaires de lipides et de triglycérides. De plus, nous avons observé une augmentation des marqueurs pro inflammatoires sans augmentation des marqueurs de fibrose. A cet égard, nos résultats ont montré qu'un déficit de synthèse de carnitine, impliquée dans la bêta-oxydation et le stockage des acides gras, jouerait un rôle déterminant dans la pathogenèse de la stéatose chez le nouveau-né. Il existe également une dérégulation du métabolisme oxydatif des acides gras, avec diminution d'activité des complexes I et II de la chaîne respiratoire, qui résulte d'une hypométhylation de PGC1 et d'une diminution d'expression de PPAR[alpha], ER[alpha] et ERR[alpha]. En conclusion, nos résultats montrent que la carence maternelle en donneurs de méthyles, induit des modifications sur la fonction de PGC-1[alpha]. Ces modifications sont associées à des altérations de l'oxydation des acides gras et sur la fonction mitochondriale pendant la période néonatale, ce qui entraîne l'accumulation de lipides dans les tissus myocardique et hépatique. Le lien entre la carence en donneurs de méthyles et l'altération de la méthylation de PGC-1[alpha] modifie les activités des enzymes impliquées dans la méthylation et l'acétylation de PGC-1. Ces enzymes sont aussi liées à des modifications épigénomiques qui modulent la fonction et l'expression des protéines. Nos résultats sont en accord avec les études de population de Barker et al, qui suggèrent que la nutrition maternelle pendant les étapes précoces de la vie est corrélée avec le risque de maladies cardio-vasculaires dans la vie adulte indépendamment des autres facteurs de risque / During development, changes in carbon metabolism related to malnutrition may be deleterious for both the mother and the newborn. In addition, long-term consequences of a methyl deficiency gestational and prenatal are poorly understood. We are particularly interested in studying these effects on the heart and liver. We have used a nutritional model of adult rats deficient in methyl donors (vitamin B12, folate and choline) before pregnancy. To be placed in a context of pathophysiology, close to the clinical situation, we chose to feed the rats with a methyl deficient diet one month before mating and continue this diet during the suckling period. We evaluated the metabolic and functional effects of this diet on myocardial and hepatic tissues, in the newborn pups in 21 days old. We studied the effects of methyl deficient diet on lipid and energy metabolism and carnitine. Consequences of the deficiency at the myocardial: The diet deficient in methyl donors induces cardiac hypertrophy with an increase in myocardial thickness and enlargement of cardiomyocytes. The proteomics analysis of the bioinformatics data identifies PGC-1[alpha], ERR[alpha] and PPAR[alpha] as major determinants of changes in protein expression of mitochondrial oxidative metabolism. We observed a decreased expression of PPAR[alpha] and ERR[alpha] and an inactivation of PGC1[alpha] by hypomethylation and hyperacetylation, in conjunction with a decrease in the expression of PRMT1 and SIRT1 and increased the level of SAH. Consequences of the deficiency at liver: Deficiency is accompanied by the appearance of microvesicular hepatic steatosis, with elevated tissue levels of lipids and triglycerides. Increase of inflammation was observed in this model with no changes in fibrosis score. In this respect, our results showed a deficiency of carnitine synthesis, involved in the beta-oxidation and storage of fatty acids, play a role in the pathogenesis of hepatic steatosis in the newborn. There is also a deregulation of the oxidative metabolism of fatty acids, with decreased activity of complex I and II of the respiratory chain, resulting in hypomethylation of PGC1 and decreased expression of PPAR[alpha], ER[alpha] and ERR[alpha]. In conclusion, our results show that maternal deprivation in methyl donors impaired the function of PGC-1[alpha]. These changes are associated with alterations in fatty acid oxidation and mitochondrial function during the neonatal period, with lipid accumulation in myocardial tissue and liver. The link between the methyl donor deficiency and impaired methylation of PGC-1[alpha] alters the activities of enzymes involved in methylation and acetylation of PGC-1[alpha]. These enzymes are also associated with epigenetic changes and the function and gene expression. Our results are consistent with population studies by Barker and colleagues, who suggest that maternal nutrition during early stages of life is correlated with the risk of cardiovascular disease in adult, independent of other risk factors

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la relation subtile qui existe entre lesstructures complexes des protéines et leurs fonctions encore plus raffinées que ces dernièreseffectuent. Basés sur deux descriptions différentes des protéines, à l’échelle de acide-aminé età l’echelle atomique, un de nos objectifs était de connecter des indicateurs structuraux calculésà partir de la topologie des protéines à des sites fonctionnels tels que les sites catalyiquesdans les enzymes. Un autre pan de la recherche de cette thèse était d’utiliser nos outils baséssur la structure et de mettre au point de nouvelles simulations numériques pour étudier lesdéterminants basiques structuraux et dynamiques de la communication intramoléculaire dansles protéines. Une première découverte fut de montrer comment l’analyse des modes normauxet la théorie des reseaux complexes conduisent à la prédiction des sites catalytiques dans lesenzymes. De plus, nous avons travaillé sur un groupe relativement peu connu de modes nor-maux qui ont la particularité d’être localisés à deux endroits très eloignés dans la structure desprotéines. Ces modes bilocalisés ont permis de réaliser des transferts d’énergie à des distancesconsidérables (plus de 70 Å). Finalement, des expériences de refroidissement effectuées sur unsystème protéine-eau décrit à l’échelle atomique ont dévoilé que le refroidissement induit unelocalisation spontanée d’énergie, indiquant certaines déformations des anneaux du benzenecomme possible centres de stockage de l’énergie dans les protéines. / In this thesis we have focused on the elusive relation that exists in proteins between theircomplex structures and the even more complex and sophisticated functions that they perform.Based on two different descriptions of proteins, at residue and atomistic scale, one of ouraims was to connect structural indicators computed from the topology of protein scaffoldsto hot spots in proteins such as catalytic sites in enzymes. Another goal of this thesis wasto employ our structure-based tools and set up original simulation scheme to investigate thebasic structural and dynamical determinants of intramolecular communication in proteins.As a first important finding, we have shown how normal mode analysis and specific graph-theoretical approaches lead to the prediction of catalytic sites in enzymes. Moreover, wehave concentrated our attention on an overlooked class of normal modes, that are stronglylocalized at two widely separated locations in protein scaffolds. These bilocalized modesturned out to efficiently mediate energy transfer even across considerable distances (morethan 70 Å). Finally, cooling experiments performed on a protein-water system described atatomic level have unveiled complex cooling-induced spontaneous energy localization patterns,pointing to specific deformation modes of benzene rings as potential energy-storage centers.

L’absence de réponse et la résistance des cellules cancéreuses mammaires aux thérapies actuelles justifient de développer de nouveaux traitements. Une stratégie prometteuse consiste à cibler le métabolisme énergétique des cellules cancéreuses. Dans ce contexte, des thiazolidinediones (TZD) présentent des effets antiprolifératifs qui pourraient résulter d’une atteinte du métabolisme énergétique. Notre laboratoire étudie des TZD dérivées de la troglitazone (TGZ). Durant cette thèse, nous avons cherché à déterminer si la Δ2-Troglitazone (Δ2-TGZ) modifie le métabolisme énergétique des cellules cancéreuses mammaires. Jusqu’à présent, les expériences menées au laboratoire étaient réalisées dans un milieu de culture contenant 1% de sérum de veau fœtal (SVF) qui crée un stress peu propice à l’étude du métabolisme. Nous avons donc d’abord caractérisé les effets de la Δ2-TGZ dans un milieu de culture contenant 10% SVF. Dans ces conditions, la Δ2-TGZ diminue toujours la prolifération des cellules cancéreuses mammaires, mais les doses requises sont plus élevées. En outre, la Δ2-TGZ induit des effets cytostatiques plutôt que l’apoptose. Nous avons ensuite montré que la Δ2-TGZ induit une perturbation du métabolisme énergétique, consistant en un blocage de la respiration mitochondriale que les cellules semblent compenser en stimulant la glycolyse. En parallèle, nous avons caractérisé le mode d’action du 2-désoxyglucose dont l’action antiproliférative dans les cellules cancéreuses mammaires est due à l’inhibition de la glycolyse et à la perturbation de la N-glycosylation des protéines. Il reste à déterminer la part des altérations métaboliques dans l’action anti-cancéreuse de la Δ2-TGZ / The absence of response and the resistance of cancer cells to therapies are strong arguments for the development of new therapeutic strategies. Data from the literature suggest that it could be interesting to target energy metabolism of cancer cells. In this context, thiazolidinediones (TZDs) display antiproliferative effects that could be the result of energy metabolism alteration. During this PhD, we aimed at determining if Δ2-Troglitazone (Δ2-TGZ) could modify energy metabolism of breast cancer cells. The experiments performed previously used a culture medium containing 1% of fetal calf serum (FCS) that is rather a stress inducing condition that can disturb cell metabolism. Thus, we first characterized the effects of Δ2-TGZ in a 10% FCS containing medium. In this case, Δ2-TGZ still decreases cell proliferation of breast cancer cells, but it requires high doses. Besides, Δ2-TGZ induces cell cycle arrest instead of apoptosis. Then, we have shown that Δ2-TGZ induced modifications of energy metabolism, which are due to a decrease in oxidative phosphorylation. We also observed an increase in glycolytic activity that is probably a compensatory mechanism. During this part of our work, we have also characterized the mechanisms involved in the anticancer activity of 2-deoxyglucose. We have shown that in breast cancer cells, this compound acts not only by glycolysis inhibition but also by protein N-glycosylation alteration. We have now to determine the part of metabolic alterations that are involved in the anti-cancer effects of Δ2-TGZ

Tout ce qui vit, naît, se nourrit, se reproduit et meurt. Pour le cerveau, la question se complexifie car à la survie des neurones s'ajoute le coût de l'activité cérébrale. La question de la gestion énergétique pour les neurones est particulière car les cellules de notre cerveau évoluent de manière concertée et non par compétition. On sait avec l'imagerie médicale que l'usine neuronale ne fonctionne pas uniquement grâce au glucose ; elle utilise d'autres apports énergétiques tels que le lactate ou le glutamate pour soutenir sa production. Lorsqu'une tumeur apparaît, elle change le métabolisme énergétique pour survivre et soutenir sa propre croissance. En particulier, les cellules cancéreuses se fournissent en lactate et choisissent leur substrat préféré en fonction de l'oxygène disponible. La modélisation mathématique des substrats énergétiques est un outil de choix pour décrire et prédire de tels flux. Coupler ces modèles à des données issues de l'IRM et de la SRM permet d'améliorer la prise en charge du patient présentant un gliome.Cette thèse propose l'approche de plusieurs dynamiques en substrat dans le cerveau sain et gliomateux en se basant sur des systèmes d'équations : échanges locaux en lactate (EDO, système lent-rapide), échanges globaux en substrats (EDO), cycle glutamate/glutamine (EDR) et échanges en lactate en dimensions supérieures (EDP). Ces modèles sont expliqués, décrits grâce aux mathématiques et permettent l'élaboration de simulations ajustées selon des données patient ou issues de la littérature.L'énergie est nécessaire au maintien de la vie. Mais si votre voisin consomme une partie de vos ressources, pouvez-vous encore espérer survivre ? / Everything that lives is born, eats, reproduces and dies. For the brain, the question is more complex because neurons have to survive and to support brain activity. Energy management is also particular because brain cells evolve together with no competition. Thanks to medical imaging, we know that neurons do not consume only glucose. They can use others energetic substrates such as lactate and glutamate as a power source.When a tumor appears, it changes the energetic metabolism to survive and support its own growth. In particular, cancer cells like to consume lactate. They also choose their favorite substrate based on the available oxygen. Modeling of energy substrates is useful to describe and predict energetic kinetics and changes. Mathematical models could get with clinical and medical results to describe, explain or predict low grade glioma dynamics. They can help to characterize and quantify a tumor evolution, then leading to improve their therapeutical management. Exchanges between mathematics and MRI (and MRS) enable to get accurate data and to build suitable mathematical models.This thesis deals with several approaches of substrates dynamics in healthy and gliomatous brains. These researches are based on systems of equations. We model local lactate exchanges (ODE, fast-slow systems), global substrates exchanges (ODE), glutamate/glutamine cycle (RDE) and local lactate exchanges in higher dimensions (PDE). We describe, analyze and give simulations of these models. Simulations are fitted on patient MRI data or literature data. Energy is necessary to live. But if your neighbor consumes a part of your resources, can you still survive ? / Tutto ciò che vive nasce, si nutre, si riproduce e muore. Per il cervello, la questione è più complessa perché i neuroni devono sopravvivere e sostenere l'attività cerebrale. La gestione energetica cerebrale è particolare anche perché le cellule cerebrali evolvono insieme, senza concorrenza. Inoltre, grazie alle immagini mediche, sappiamo che i neuroni non consumano solo del glucosio ma usano altri substrati energetici come il lattato o il glutammato.Quando un tumore si stabilisce, cambia il metabolismo energetico del cervello per sopravvivere e sostenere la propria crescita. In particolare, cellule tumorali consumano del lattato e scelgono il loro substrato preferito basandosi all'ossigeno disponibile.La matematica, e in particolare l'elaborazione di modelli matematici può aiutarci a ottimizzare i dati disponibili, che possono essere, di volta in volta, delle proprietà cellulare o delle lastre MRI o MRS. La modellizzazione dei substrati energetici potrebbe descrivere, spiegare o prevedere le dinamiche energetiche nel cervello.Questa tesi tratta di diversi approcci della dinamica dei substrati nei cervelli sani e gliomatosi. Queste ricerche si basano su sistemi di equazioni. Modellizziamo scambi locali di lattato (ODE, sistemi fast-slow), scambi globali di substrati (ODE), ciclo glutammato/glutammina (RDE) e scambi locali di lattato in dimensioni superiori (PDE). Descriviamo, analizziamo e diamo simulazioni di questi modelli. Le simulazioni sono adeguate su dati MRI paziente o dati di letteratura.Per vivere, l’energia è una necessità. Ma se i Suoi vicini consumassero le Sue risorse, riuscirebbe ancora a sopravvivere ?