Chirality is the property of objects, including molecules, which are not superimposable on their materialized mirror image. Chiral molecules are omnipresent in living organisms and the constituents of biological macromolecules (proteins and nucleic acids) are chiral. Amino-acids (constituting proteins), ribose and 2-deoxy-ribose (the only chiral constituent of RNA and DNA nucleotides respectively) are furthermore generally present in living organisms only under one of their enantiomeric forms. This is referred to as the homochirality of the living world. The origin of this homochirality is still unexplained, even if many partial scenarios have been proposed in the literature. All scenarios involve the creation of a small enantiomeric excess for certain molecules, amplification of this excess and chirality transfer to other chiral molecules. The origin of homochirality on Earth is closely related to the origin of life, and is currently supposed to have preceded life. As no-one will ever be able to directly observe the phenomena which lead to homochirality, and life, on our planet, the only scientific approach to try and help explain how this occurred is to build scenarios, and test them taking into account all available information on the physical and chemical conditions on the primitive Earth (Earth before life appeared). In our work, we investigated three scenarios related to the origin of homochirality on Earth. One of these scenarios also relates to a very precise step of the origin of life: the selection of beta-d-ribofuranose as component of RNA nucleotides.<p><p>Enantiomeric excesses (up to 15 %) of alpha-methylated alpha-amino-acids have been detected in meteorites which fell on Earth during the 20th century. No enantiomeric excess is detected for the corresponding alpha-hydroxy-acids in the same meteoritic samples and small (2% at most) or no enantiomeric excesses have been measured for non-methylated alpha-amino-acids. In the first part of our work, we investigated if photolysis by circularly polarized light (CPL) in space could be at the origin of the presence (or absence) of an enantiomeric excess for these compounds. Experiments to reproduce UV-CPL photolysis are difficult to undertake: they require high-energy circularly polarized photons, hence the use of a synchrotron. In our work, we used quantum mechanical calculations to obtain the electronic circular dichroïsm (ECD) spectra of two -methylated -amino-acids, their corresponding alpha-hydroxy-acids and one non-methylated alpha-amino-acid. Differences are observed between these spectra, and we propose a scenario to explain the experimental measurements reported here above: the enantioselective photolysis, in the gas phase at low temperatures (20K at most), of the alpha-amino-acids by UV-CPL with lambda>210 nm. Under these conditions no photolysis of the alpha-hydroxy-acids would occur. This scenario concerns the first step in the origin of homochirality on Earth: the creation of a small enantiomeric excess for some chiral molecules.<p><p>The second scenario that we investigated relates to the enantiomeric amplification step of the origin of homochirality on Earth, for which the role of the alpha-amino-acid serine has been suggested in the literature. Serine clusters have been observed in the gas phase by mass spectrometry. Among these clusters the octamer has been shown to be a magic number cluster and to have a preference for homochirality. An enantiomeric amplification via cycles of formation and dissociation of the octamer has been suggested. No complete scenario has however been proposed in the literature to explain how this could have occurred on the primitive Earth, but any scenario would most probably include an aqueous phase. We aimed at determining if the homochiral preference of serine octamers also exists in solution and therefore we first investigated if serine octamers exist in solution. For this study, we used nuclear magnetic resonance and infrared spectroscopies, which are well-adapted to the study of molecular assemblies in solution. We were able to demonstrate that most probably serine clusters are not present in solution, and if they are it could only be in extremely low concentration. The scenario suggested in the literature is discussed in the light of our results and of literature data on serine clusters.<p><p>As last hypothesis, we investigated a possible scenario for the selection of beta-d-ribofuranose as component of RNA nucleotides. The currently known prebiotic synthesis pathways to ribose also lead to the formation of many other carbohydrates, and ribose is only a minor product of these syntheses. Our hypothesis is that beta-d-ribofuranose could have been selected through favorable interactions with alpha-amino-acids already present on the primitive Earth under one enantiomeric form. Indeed, it is plausible that a peptidic world emerged before the presence of RNA and that homochiral alpha-amino-acids were present on Earth when RNA was synthesized. Under this hypothesis, we investigated the role that alpha-l-amino-acids could have played in the selection of alpha-d-ribofuranose as component of RNA nucleotides. This work is related to the last step of the origin of homochirality: chirality transfer. Our scenario was investigated via nuclear magnetic resonance studies of the interaction between alpha-amino-acids and carbohydrates. We were able to show that, in the systems that we studied, when an interaction occurs it is very weak (affinity constant less than 1M−1) and non enantioselective. Our results most probably discard the role that alpha-amino-acids alone could have played in the selection of beta-d-ribofuranose as component of RNA nucleotides, but does not discard the role that peptides could have played in this selection. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’imagerie moléculaire est devenue incontournable pour le diagnostic et le traitement de cancers. Cette discipline regroupe un ensemble de techniques telles que la tomodensitométrie (CT), l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), l’imagerie optique ou encore l’imagerie nucléaire (tomographie par émission de positons TEP, tomographie d’émission monophotonique TEMP). Chacune de ces techniques possède ses propres avantages et inconvénients et ne peut apporter à elle seule des informations anatomiques et fonctionnelles suffisantes. Les travaux actuels sont portés sur la conception de systèmes dits multimodaux afin de combiner les avantages de différentes techniques, voire de bénéficier d’un effet synergique. De par leur sensibilité comparable et leur complémentarité, coupler l’imagerie nucléaire à l’imagerie optique devient alors avantageux. La conception des systèmes monomoléculaires (MOMIA) contenant deux fonctions détectables par imagerie nucléaire (complexe de radiométaux) et imagerie optique (sonde fluorescente) nécessite en amont la mise au point d’outils de synthèses performants. La première partie de ce travail de thèse est consacrée à la synthèse d’agents chélatants bifonctionnels à base de polyamines macrocycliques, destinés à une utilisation en imagerie médicale. Ces agents doivent présenter d’excellentes propriétés de coordination vis-à-vis du métal visé, et posséder une fonction de greffage pour assurer le couplage avec une biomolécule vectrice. L’accès à de tels systèmes a nécessité le développement d’outils de synthèse efficaces de précurseurs macrocycliques dérivés du cyclène et du 13aneN4. L’introduction sélective de diverses fonctions de greffage visant principalement les résidus de type lysine a permis la préparation de plusieurs familles de composés, dont certains ont pu être « bioconjugués» à des peptides ou anticorps au sein du laboratoire ou dans le cadre de diverses collaborations. Plus particulièrement, la facilité d’utilisation du système « DOTAGA anhydride » a permis l’introduction aisée d’unités DOTA sur des nanoparticules ou des anticorps monoclonaux. Egalement, l’introduction d’une fonction alcyne a permis l’accès à de nouvelles briques moléculaires préparées par « click chemistry ». Dans une seconde partie sont présentés les travaux relatifs à la synthèse d’agents bimodaux originaux. Pour accéder à de tels systèmes, l’introduction d’un fluorophore de la famille des bodipys a été envisagée. L’absence de travaux antérieurs relatifs au couplage d’une polyamine cyclique et une entité bodipy a nécessité la préparation préalable d’un système modèle « DOTA bodipy », permettant de s’assurer par des études photophysiques que la présence des complexes métalliques macrocycliques ne va pas, ou peu, interférer avec les propriétés de fluorescence du bodipy. L’utilisation d’un espaceur « acide aminé » a alors permis d’accéder à de nouveaux bodipys porteurs de deux groupes fonctionnels en position méso. La fonctionnalisation a posteriori de ces briques de construction a permis l’introduction en dernier lieu d’unités macrocycliques N- et/ou C- fonctionnalisés. La préparation de système émettant dans le proche I.R. a été également envisagée. / Molecular imaging became a major tool for the diagnosis and the treatment of cancers. This research field includes different techniques, such as Tomography (CT), Magnetic Resonance Imaging (MRI), Optical Imaging or nuclear Imaging (PET Positron Emission Tomography, SPECT Single Photon Emission Computed Tomography). Each imaging modality has its own strengths and weaknesses, and thus, combining different and complementary systems can overcome inherent limitations associated with any one individual techniques and improve the accuracy of disease diagnosis and enhancing patient management. In particular dual-modality Optical/Nuclear imaging may find important preclinical and clinical applications. One possible approach seeks to fuse the two imaging systems into one molecule (MonOmolecular Multimodality Imaging Agent [MOMIA]) in order to ensure the same biodistribution of the two probes. Our strategy consists in combining a DOTA-like compound allowing complexation of radiometal for nuclear imaging (SPECT or PET) with a bodipy moiety, valuable probe those fluorescent properties can be finely adjusted. The first part of this work is dedicated to the synthesis of bifunctional chelating agents based on macrocyclic polyamines for medical imaging application. These compounds must show excellent coordination properties towards the aimed radiometal and possess a grafting function to allow the coupling with a biomolecule. Powerful and general routes for the synthesis of a wide range of N- and C-functionalized macrocycles derived from cyclen and 13aneN4 are described, which enable to access to a wide range of new BFCs by introduction of different functional groups reactive towards primary amines, such as carboxylic acid, isothiocyanate or anhydride function. Some compounds were conjugated to different biomolecules, such as peptides or antibodies. Morever, the introduction of an alkyne function yields a novel family of bifunctional agents allowing chemoselective attachment to functionalized biomolecules or to modified amino acids using « click chemistry ». In a second part, we focused on the introduction of a bodipy moeity to obtain new bimodal agents for dual Optical/Nuclear imaging. Interestingly, the attachment of the polyaminocarboxylate (DOTA derivative) to the bodipy makes it soluble in water and complexation of different metal cations of interest in the macrocyclic cavity does not significantly alter the luminescence properties of the whole system. In addition, the functionalization of the meso position by using an appropriate linker between the bodipy and DOTA-like units, i.e. a 4-nitrophenylalanine derivative, could provide a new bimodal tag for labeling antibodies or peptides. Optimisation of the second generation bodipy-DOTA, i.e. derivatization reaction to reach the near-IR range or introduction of C-functionalised macrocycles was also investigated.

Cette thèse vise à étudier les nanoparticules d'or (NPOs) comme radio sensibilisateur et nano catalyseur afin d'améliorer la production d'espèces réactives de l'oxygène (EROS) et à fournir un aperçu de l'effet protecteur potentiel des acides aminés de base contre les effets des rayonnements ionisants afin d'étudier le mécanisme de dommages de l'ADN. En outre, il vise à améliorer notre connaissance des effets directs et indirects sur l'ADN plasmatique qui est une cible importante et sensible lors de l'étude des effets des rayonnements ionisants. Cette étude nécessite à la fois Ia bonne distribution et le contrôle de l'ADN déposé sur graphite HOPG. Nous avons procédé à la préparation de films (couches nanométriques à l’échelle) faite d'un complexe d'ADN avec des amines, ainsi que les acides aminés basiques. Nous avons caractérisé le déposé sec par microscopie a force atomique et par XPS. Nous avons montré que les couches contenant des acides aminés basiques sont très denses et que la protection contre les dommages de l'ADN après re-dissolution dans l'eau est très efficace. Ensuite, nous avons déposé l'ADN plasmatique à sec soul sur des feuilles minces de mylar et d'exposé ces films à un faisceau de protons à différentes énergies, Nous avons montré que, dans le value de pic de Bragg d'énergie a protons énergies inferieure a 500 keV il y a un rendement Cleve de protons a endommagé l'ADN. L'effet indirect a donc été étudié en exposant l'ADN plasmatique en solution aqueuse par rayons X ultra-mous. Nous avons procédé a de telles expériences en utilisant 100 lit de solution d'ADN plasmatique avec et sans différentes concentrations de 2-amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol, (Tris) et l'arginine (Arg) à température ambiante et sous agitation. Une très bonne procédure expérimentale. Nous avons montré que les rendements pour les pauses ADN simples brins ont permis au ratio indirect des effets directs à déterminer à 96% en bon accord avec la valeur de 97% découlant d’une étude basée sur l’irradiation aux rayons gamma de solutions congelées de l’ADN plasmatique. Nous analysons nos résultats et nous suggérons que les produits secondaires de Arginine réagissent avec les radicaux OH pour produire des effets secondaires; notamment en raison du fait que, contrairement au Tris, Arg est capable de liaison à l'ADN à l'extérieur et également à l'intérieur de la double hélice. Nous avons exposé également l'ADN de plasmide en solution aqueuse et complexe aux deux autres acides aminés basiques (lysine et histidine) par rayons X ultra-mous. Nous avons constaté que la présence de ces acides aminés augmente également la détérioration de l'ADN et suggère que les acides aminés sont donc également susceptibles de produire des effets secondaires. Enfin, nous avons étudié Ie rôle de nanoparticules d'or (NPO) dans le renforcement de la sensibilisation de la radio de l'ADN. En utilisant de nouveaux protocoles expérimentaux, nous avons fini à interpréter l'interaction du (NPOs) avec ionisation rayonnement dans des solutions aqueuses oxygénées. Pour obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de sensibilisation de radio par NPOs, nous avons utilisé une variété de espèces détritivores, spécifiques et réactives d'oxygène et l'ADN plasmatique comme sonde afin de favoriser les voies donnees et de determiner laquelle d'entre elles est la plus efficace dans l'ADN dommageable. Cette étude a démontré pour la première fois que les NPOs contribuent en permanence à l'amélioration de la production de OH en utilisant un stock potentiel maintenu sous la forme d'HO2 • / 02 • - et H202 produits de radiolyse de l'eau primaire. Nous avons montre en effet que H202 peut réagir avec NPOs pour produire • OH radicaux. / This thesis aims at studying the gold nanoparticles (GNPs) as radiosensitizer and nanocatalyst in order to enhance the generation of reactive oxygen species (ROSs) and at providing insight into the potential protective effect of basic amino acids against ionizing radiation effects in order to study the mechanism of DNA damage. Also, it aims at improving our knowledge of direct and indirect effect on plasmid DNA which is an important and sensible target when studying ionizing radiation effects. This study required both the good distribution and control of the DNA deposited on HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite). We carried out the preparation of films (nanometer scaled layers) made of complex of DNA with diamines as wel as basic amino acids. We have characterized dry deposited by AFM (Atomic Force Microscopy) and by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). We have shown that the layers containing basic amino acids are very dense and that the protection against DNA damage after re-dissolution in water is very effective. Then, we have deposited dry plasmid DNA alone on thin mylar foils and exposed those films to a proton beam at various energies. We have shown that in the Bragg-peak energy range i.e. at proton energies lower than 500 keV there is a high efficiency of protons to damage DNA. The indirec effect was thus studied by exposing plasmid DNA in aqueous solution by (USX). We carried out such experiments by using 100 pit of plasmid DNA solution with and without different concentrations of 2-Amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol (Tris) and arginine (Arg) at ambient temperature and under stirring. A very good agreement was found with the rare data dealing with DNA plasmid exposed to Al Ka photons at low temperature (T < 277 K), which therefore validated the experimental procedure. We showed that the yields for DNA single strand breaks determined enabled the ratio of indirect to direct effects to be determined at 96.2%; in good agreement with the value of 97.7% stemming from a study based on y-ray irradiation of frozen solutions of plasmid DNA. We analyze our results and suggest that secondary products of Arginine react with OH radicals to produce side effects; notably due to the fact that contrary to Tris, Arg is capable of binding DNA outside but also inside the double-helix. We exposed also the plasmid DNA in aqueous solution and complexed to the two other basic amino acids (histidine and lysine) by USX. We found that the presence of tilos amino acids also increases DNA damage and suggest that those amino acids are therefore also prone to produce side effects. Lastly, we studied the role of Gold Nano Particles (GNPs) in enhancing DNA radio sensitization. By using new experimental protocols, we achieved to interpret the interaction of GNPs with ionization radiation in oxygenated aqueous solutions. To get better insight into the mechanisms of radiosensitization by GNPs, we used a variety of specific reactive oxygen species scavengers and plasmid DNA as a probe in order to favor given pathways and to determine which of them is the most effective in damaging DNA. This study has demonstrated for the first time that the GNPs contribute permanently to the enhancement of ■OH production by using a potential stock kept under the form of 1102•/02•- and H202 primary water radiolysis products. We showed indeed that H202 ca react with GNPs to produce •0H radicals.

Cette étude a été menée dans le but d’explorer les nouvelles sources de protéines à valeur nutraceutique. Les graines de Ricinodendron heudelotii (Bail. Pierre ex Pax) et de Tetracarpidium conophorum (Müll. Arg) ont d’abord été cuites dans de l’eau bouillante pendant 90 et 30 min qui sont respectivement leurs temps optimums de cuisson. Après délipidation et tamisage des tourteaux, la fraction 400 - 500 µm s’est révélée la plus représentative avec plus de 70 % et riche en azote protéique (6–7% MS). Les concentrats et les isolats protéiques ont été préparés à partir des tourteaux respectivement dans l’eau distillée à pH 4,5 et dans une solution de NaOH à 0,2 % (R. heudelotii), une solution de NaCl 0,6 M (T. conophorum) à pH 11. Ces concentrats (65 – 75 % MS de protéines) et ces isolats protéiques (81 – 92 % MS de protéines) ont une composition physico-chimique différente (P < 0,05) de celle des tourteaux. Pour les deux Euphorbiacées, les capacités de rétention d’eau (367 – 467 g / 100 g d’échantillon), de rétention d’huile (256 – 410 g / 100 g d’échantillon) et moussante (68 – 71 %) sont maximales dans les isolats protéiques tandis que les capacités gélifiante (6 – 14 %) et émulsifiante (63 – 87 %) le sont dans les concentrats protéiques. Les teneurs en acides aminés essentiels des tourteaux de R. heudelotii et de T. conophorum sont comparables à celle de la protéine de référence. L’étude de la digestibilité enzymatique in vitro a montré que l’azote libéré après 6 h est supérieur à 90 % dans les concentrats et les isolats protéiques. La digestibilité protéique in vivo indique que le gain de poids des rats mâles âgés de 21 ± 3 jours durant 15 jours d’expérimentation ainsi que les paramètres de rétention azotée sont plus importants avec les régimes à base de l’aliment de référence (caséine) et du tourteau de T. conophorum. Les valeurs corrigées des paramètres de digestibilité par l’indice chimique des acides aminés laissent apparaître que le tourteau de T. conophorum renferme les protéines de très bonne qualité nutritionnelle, autant que la caséine / This study was conducted in order to look for alternative sources of proteins having nutraceutic value. The grains of Ricinodendron heudelotii (Bail.) and Tetracarpidium conophorum (Müll. Arg) were first cooked in boiled water at their optimal cooking time for 90 and 30 min respectively. After defating, sieving of the defatted cakes showed that samples with a granulometry of 400 - 500 µm were most representative (more than 70%), containing more proteic nitrogen (6–7 %). Protein concentrates and protein isolates were prepared from defatted cakes respectively in distilled water at pH 4.5 and in NaOH 0.2% (R. heudelotii) and NaCl 0.6M (T. conophorum) at pH 11. Physico-chemical properties of protein concentrates (65 – 75 % of proteins) and protein isolates (81–92 % of proteins) were different from those of the defatted cakes. Water holding (367 – 467 g / 100 g of sample), oil holding (256 – 410 g / 100 g of sample) and foaming capacities (68 – 71 %) were highest with protein isolates whereas gelling (6 – 14 %) and emulsion capacities (63 – 87 %) were highest with concentrates. The amounts of essential amino acids in both defatted flours were comparable to the value in FAO / WHO (2007) scoring pattern. Nitrogen liberated after 6 h of enzymatic digestibility was more than 90 % both in the proteins concentrates and isolates. In vivo studies carried out on 21 ± 3 days old Sprague Dawley male rats for 15 days showed that gain of weight and nitrogen retention parameters were higher for rats that consumed casein and T. conophorum defatted cake. Corrected values of nitrogen digestibility of the analysed samples showed that T. conophorum defatted cake contains protein source with good nutritional quality

Le système ubiquitine-protéasome représente une plateforme de signalisation cellulaire chez les eucaryotes et joue un rôle majeur dans la coordination des processus cellulaires. Des progrès récents suggèrent que l’ubiquitination joue un rôle important dans les phénomènes de séparation de phase liquide-liquide (LLPS), un processus permettant la localisation d’une quantité accrue de protéines dans un compartiment subcellulaire, afin de réaliser une fonction biologique. En effet, il a été démontré que l’ubiquitination joue un rôle central dans les mécanismes qui gouvernent la LLPS durant la formation des granules de stress dans le cytoplasme ou les foci de réparation de l’ADN dans le noyau. D’autre part, chez la levure, des travaux ont montré que le protéasome est capable de s’assembler sous forme de granules dans le cytoplasme suite à un stress métabolique. Toutefois, les mécanismes par lesquels le système ubiquitine-protéasome ainsi que ses régulateurs contrôlent les processus de LLPS restent à déterminer. Dans la première étude de cette thèse, nous avons investigué le mécanisme d’action de la déubiquitinase USP16, qui a été suggérée comme un régulateur négatif de la LLPS, empêchant la formation des foci de réparations de dommages à l’ADN. Cependant, nos résultats démontrent que USP16 est majoritairement cytoplasmique et que seulement une entrée forcée de USP16 dans le noyau empêche la formation des foci de réparation des cassures double brin induites par des radiations ionisagntes et ce en favorisant la déubiquitination de l’histone H2A. De plus, aucune translocation nucléaire de USP16 n’a été observée durant le cycle cellulaire ou suite à des dommages à l’ADN. Nos travaux montrent que USP16 est activement exclue du noyau via son signal d’export nucléaire et régulerait indirectement la LLPS menant à la formation des foci de réparation de l’ADN. Dans la deuxième étude, nous décrivons le comportement dynamique des protéines du protéasome lors d’une LLPS induite par un stress métabolique. Nos résultats indiquent que le protéasome forme des foci distincts dans le noyau des cellules humaines en réponse à une privation de nutriments. Nous avons constaté que ces foci sont enrichis en ubiquitine conjuguée et nous avons démontré que le récepteur d’ubiquitine Rad23B ainsi que l’absence des acides aminés non essentiels sont des éléments clés nécessaires à l’assemblage de ces foci du iv protéasome. De plus, des expériences de survie cellulaire montrent que la présence de ces foci est associée à la mort des cellules par apoptose. En conclusion, nos travaux mettent en lumière l’importance du système ubiquitine-protéasome dans la formation et la régulation des foci cellulaires suite à une LLPS. De même, cette étude aidera également à approfondir notre compréhension sur les mécanismes qui gouvernent l’homéostasie des protéines, la survie cellulaire et le développement du cancer. / The ubiquitin-proteasome system represents a major cell-signaling platform in eukaryotes and plays a pivotal role in the coordination of cellular processes. Recent studies provided evidence that ubiquitination plays a role in liquid-liquid phase separation (LLPS), a process that results in the localization of highly increased levels of a protein in a defined subcellular compartment, in order to achieve a biological function. Indeed, ubiquitination has been shown to play a central role in the mechanisms that govern LLPS and subsequent formation of stress granules in the cytoplasm or the DNA repair foci in the nucleus. On the other hand, several studies have shown that the proteasome itself is able to form granules in the cytoplasm following metabolic stress in yeasts. However, the mechanisms by which the ubiquitin-proteasome system and its regulators control LLPS processes remain to be determined. In the first study of this thesis, we investigated the mechanism of action of USP16 deubiquitinase, which has been suggested as a negative regulator of LLPS preventing the formation of DNA damage repair foci. However, our results demonstrate that USP16 is predominantly cytoplasmic and that only enforced nuclear entry of USP16 prevents the formation of repair foci after double strand breaks induced by ionizing radiation, and this by promoting the deubiquitination of histone H2A. In addition, no nuclear translocation of USP16 was observed during cell cycle or following DNA damage. Our study shows that USP16 is actively excluded from the nucleus via its nuclear export signal and would indirectly regulate LLPS that lead to DNA repair foci. In the second study, we describe the dynamic behavior of proteasome proteins during metabolic stress, a process that involves LLPS. Our results indicate that the proteasome forms distinct foci in the nucleus of human cells in response to nutrients deprivation. We found that these foci are enriched with conjugated ubiquitin and demonstrated that the ubiquitin receptor Rad23B as well as the absence of nonessential amino acids are the key elements necessary for the assembly of these proteasome foci. In addition, cell survival experiments show that the presence of these foci is associated with cell death by apoptosis. In conclusion, our work has shed new light on the importance of the ubiquitin-proteasome system in the formation and regulation of cell foci following LLPS. Likewise, this vi study will also help deepen our understanding of the mechanisms leading to protein homeostasis, cell survival and cancer development.

Si les différentes composantes du syndrome métabolique (SM) sont susceptibles d’affecter le métabolisme protéique et des acides aminés (AA), les données disponibles sont peu nombreuses et souvent contradictoires, du fait de l’hétérogénéité de présentation de ce syndrome et des limites des approches classiques d’investigation du métabolisme azoté. Ce travail de thèse met à profit une nouvelle approche isotopomique, s’appuyant sur la mesure de l’abondance naturelle des isotopes stables de l’azote (δ15N) et du carbone (δ13C) dans les protéines et AA tissulaires pour identifier les altérations du métabolisme protéique survenant lors de l’induction nutritionnelle d’un SM chez le rat. Nos résultats permettent dans un premier temps de valider expérimentalement les prédictions d’un modèle multi-compartimental développé dans le laboratoire et montrant que les δ15N reflètent l’orientation différentielle des AA entre les voies anaboliques (protéosynthèse) et cataboliques (oxydation). Nous avons également montré que sous certaines conditions, les δ13C permettent d’estimer la part des carbones des AA et protéines tissulaires provenant respectivement des protéines, glucides et lipides alimentaires, renseignant ainsi sur la flexibilité métabolique des individus. Les mesures de δ15N et δ13C dans les protéines et AA, seules ou combinées à la mesure des taux de synthèse protéique après administration d’eau deutérée, nous ont ensuite permis de mettre en évidence les modifications du métabolisme protéique et des AA survenant lors de l’exposition périnatale et post-sevrage à un régime gras et sucré, ainsi que celles associées à des différences de sensibilité individuelles à l’induction d’un syndrome métabolique par ce même type de régime. Ces altérations sont tissu-spécifiques et diffèrent selon qu’elles proviennent uniquement de différences de sensibilité individuelle au régime ou qu’elles sont également attribuables à des différences d’équilibre glucido-lipidique dans l’alimentation. L’ensemble de nos résultats montrent que l’apparition d’un SM est associée à des réorientations du métabolisme des AA entre les voies anaboliques et d’oxydation, affectant de façon différente le foie, le muscle, l’intestin et le tissu adipeux, et à une altération de la flexibilité métabolique dans le muscle. Ces travaux ouvrent la voie à des études chez l’Homme, s’appuyant sur les mesures de δ15N et δ13C dans des pools accessibles. / Although the different components of the metabolic syndrome (MS) are likely to affect protein and amino acid (AA) metabolism, the available data are few and often contradictory, due to the heterogeneity of presentation of this syndrome and the limitations of classical approaches to investigate nitrogen metabolism. The present thesis work uses a novel isotopomic approach, based on the measurement of the natural abundance of stable isotopes of nitrogen (δ15N) and carbon (δ13C) in tissue proteins and AA to identify alterations in protein metabolism occurring during the nutritional induction of MS in rats. Our results allow to validate experimentally the predictions of a multi-compartimental model developed in the laboratory and showing that the δ15N reflects the differential orientation of AA between anabolic (proteosynthesis) and catabolic (oxidation) pathways. We have also shown that under certain conditions, the δ13C can allow to estimate the proportion of carbons in AA and tissue proteins issuing from dietary proteins, carbohydrates and lipids respectively, thus providing information on the metabolic flexibility of individuals. The measurements of δ15N and δ13C in proteins and AA, alone or combined with the measurement of protein synthesis rates after administration of deuterated water, then allowed us to highlight the changes in protein and AA metabolism occurring during perinatal and post-weaning exposure to a high-fat high-sugar diet, as well as those associated with individual differences in sensitivity to the induction of a MS by the same kind of diet. These alterations are tissuespecific and differ according to whether they result solely from differences in individual sensitivity to diet or whether they are also attributable to differences in the carbohydrate/lipid balance of the diet. Altogether, our results show that the development of MS is associated with changes in AA metabolic partitioning between the anabolic and oxidative pathways, differently affecting the liver, muscle, intestine and adipose tissue, and with an altered metabolic flexibility in muscle. This work opens the way to human studies, based on the measurements of δ15N and δ 13C in accessible pools.

Hyperexcitabilité est l'un des changements les plus importants observés dans de nombreuses maladies neuro-dégénératives telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la maladie d'Alzheimer. De nombreuses recherches études se sont concentrées sur la réduction de l'hyperexcitabilité, soit en inactivant les canaux sodiques ce qui va réduire la génération de potentiels d'action, soit en prolongeant l'ouverture des canaux potassiques ce qui va qui ramener la membrane à son état de repos et réduire l’activité des neurones. Ainsi, pour cibler l'hyperexcitabilité, il faut tout d’abord comprendre les différents aspects de la fonction des canaux ioniques au niveau. Les objectifs des travaux présentés dans cette thèse consistent à déterminer le mécanisme d'inactivation dans les canaux potassiques Shaker. Les canaux Shaker Kv s'inactivent rapidement pour culminer le potentiel d'action et maintenir l'homéostasie des cellules excitables. L'inactivation de type N est causée par les 46 premiers acides aminés situés de l'extrémité N-terminale du canal, encore appelé, peptide d'inactivation (IP). De nombreuses études mutationnelles ont caractérisé l'inactivation de type N au niveau fonctionnel, cependant, la position de l'IP à l'état de repos et leur transition lors de l'inactivation est encore débattue. L'objectif de la première étude consiste à évaluer le mouvement des IP pendant leur inactivation à l'aide de la fluorométrie en voltage imposé. En insérant un acide aminé non naturel, la 3-[(6-acétyl-2-naphtalényl) amino]-L-alanine (Anap), qui est sensible aux changements d'environnement, nous avons identifié séparément les mouvements de la boule et de la chaîne. Nos données suggèrent que l'inactivation de type N se produit dans un mouvement biphasique en libérant d'abord le IP, ce qui va bloquer le pore du côté cytoplasmique. Pour affiner davantage la position de repos des IP, nous avons utilisé le transfert d'énergie de résonance à base de lanthanide et le métal de transition FRET. Nous proposons que le IP se situe dans la fenêtre formée par le canal et le domaine T1, interagissant avec les résidus acides-aminés du domaine T1. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que le ralentissement de l'inactivation de type N observé dans la première étude est causée par une expression élevée des canaux Shaker. En effet, l'extrémité C-terminale du canal interagit avec les protéines d'échafaudage associées à la membrane pour la formation d'amas. Nous avons aussi montré qu'en tronquant les quatre derniers résidus C-terminaux impliqués dans la formation des amas, nous empêchons également le ralentissement de la cinétique d'inactivation dans les canaux Shaker. Nous avons également démontré que l'inactivation lente de type N n'est pas affectée par l'accumulation des cations potassiques [K+] externe ou toute diaphonie entre les sous-unités voisines. Cette étude élucide non seulement la cause du ralentissement de l'inactivation, mais montre également que les canaux modifient leur comportement en fonction des conditions d'expression. Les résultats trouvés au niveau moléculaire ne peuvent donc pas toujours être extrapolés au niveau cellulaire. / Hyperexcitability of neurons is a major symptom observed in many degenerative diseases such as ALS and Alzheimer’s disease. A lot of research is focused on reducing hyperexcitability, either by inactivating sodium channels that will reduce the generation of action potentials, or by prolonging the opening of potassium channels which will help to bring the membrane back to resting state and thus, reduce firing frequency of neurons. At the molecular level, it is important to understand different aspects of ion channel function to target hyperexcitability. The aim of this thesis was to investigate in two projects the inactivation mechanism in Shaker potassium channels. Shaker Kv channels inactivate rapidly to culminate the action potential and maintain the homeostasis of excitable cells. The so-called N-type inactivation is caused by the first 46 amino acids of the N-terminus of the channel, known as the inactivation peptide (IP). Numerous mutational studies have characterized N-type inactivation functionally, however, the position of the IP in the resting state and its transition during inactivation is still debated. The aim of the first project was to track the movement of IP during inactivation using voltage clamp fluorometry. By inserting an unnatural amino acid, 3-[(6-acetyl-2-naphthalenyl) amino]-L-alanine (Anap), which is sensitive to changes in environment, we identified the movements of ball and chain separately. Our data suggests that N-type inactivation occurs in a biphasic movement by first releasing the IP, which then blocks the pore from the cytoplasmic side. To further narrow down the resting position of the inactivation peptide, we used Lanthanide-based Resonance Energy transfer and transition metal FRET. We propose that the inactivation peptide is located in the window formed by the channel and the T1 domain, interacting with the acidic residues of the T1 domain. In a follow-up study, we explored the reason underlying slow inactivation kinetics observed during the study of N-type inactivation in the first project. High expression of Shaker channels results in slowing of the N-type inactivation. The C-terminus of the channel interacts with membrane associated scaffold proteins for cluster formation. In this study, we have shown that by truncating the last four C-terminal residues involved in cluster formation, and hence preventing channel clustering, we also prevent slowing of the inactivation kinetics in Shaker channels. We also showed that slow N-type inactivation is not affected by accumulation of external [K+] or any crosstalk between the neighboring subunits. The second project not only elucidates the cause of the inactivation slow-down but illustrates that the channels alter their behavior dependent on the expression conditions. Results found on the molecular level can thus not always be extrapolated to the cellular level.

Le déclin développemental de la sensibilité musculaire à 1'insuline est associé à une réduction de l'anabolisme protéique durant la période néonatale. Certaines études montrent que la sensibilité musculaire à l'insuline du métabolisme du glucose est améliorée par l'incorporation d'acides gras n-3 à longue chaîne (20 carbones et plus) dans les membranes musculaires. Le présent mémoire montre qu'un enrichissement des phospholipides membranaires des muscles de 31 % à 186 % en acides gras n-3 à longue chaîne chez les bouvillons en croissance améliore la sensibilité musculaire à l'insuline du métabolisme des acides aminés (+108 %) et du glucose (+37 %). Ceci est accompagné par une activation de la voie de signalisation insulinique initiant la synthèse protéique musculaire concomitante à une réduction des voies oxydatives corporelles (-82 %).

Le rôle important joué par la mitochondrie dans la cellule eucaryote est admis depuis longtemps. Cependant, la composition exacte des mitochondries, ainsi que les processus biologiques qui sy déroulent restent encore largement inconnus. Deux facteurs principaux permettent dexpliquer pourquoi létude des mitochondries progresse si lentement : le manque defficacité des méthodes didentification des protéines mitochondriales et le manque de précision dans lannotation de ces protéines. En conséquence, nous avons développé un nouvel outil informatique, YimLoc, qui permet de prédire avec succès les protéines mitochondriales à partir des séquences génomiques. Cet outil intègre plusieurs indicateurs existants, et sa performance est supérieure à celle des indicateurs considérés individuellement. Nous avons analysé environ 60 génomes fongiques avec YimLoc afin de lever la controverse concernant la localisation de la bêta-oxydation dans ces organismes. Contrairement à ce qui était généralement admis, nos résultats montrent que la plupart des groupes de Fungi possèdent une bêta-oxydation mitochondriale. Ce travail met également en évidence la diversité des processus de bêta-oxydation chez les champignons, en corrélation avec leur utilisation des acides gras comme source dénergie et de carbone. De plus, nous avons étudié le composant clef de la voie de bêta-oxydation mitochondriale, lacyl-CoA déshydrogénase (ACAD), dans 250 espèces, couvrant les 3 domaines de la vie, en combinant la prédiction de la localisation subcellulaire avec la classification en sous-familles et linférence phylogénétique. Notre étude suggère que les gènes ACAD font partie dune ancienne famille qui a adopté des stratégies évolutionnaires innovatrices afin de générer un large ensemble denzymes susceptibles dutiliser la plupart des acides gras et des acides aminés. Finalement, afin de permettre la prédiction de protéines mitochondriales à partir de données autres que les séquences génomiques, nous avons développé le logiciel TESTLoc qui utilise comme données des Expressed Sequence Tags (ESTs). La performance de TESTLoc est significativement supérieure à celle de tout autre outil de prédiction connu. En plus de fournir deux nouveaux outils de prédiction de la localisation subcellulaire utilisant différents types de données, nos travaux démontrent comment lassociation de la prédiction de la localisation subcellulaire à dautres méthodes danalyse in silico permet daméliorer la connaissance des protéines mitochondriales. De plus, ces travaux proposent des hypothèses claires et faciles à vérifier par des expériences, ce qui présente un grand potentiel pour faire progresser nos connaissances des métabolismes mitochondriaux. / The important role of mitochondria in the eukaryotic cell has long been appreciated, but their exact composition and the biological processes taking place in mitochondria are not yet fully understood. The two main factors that slow down the progress in this field are inefficient recognition and imprecise annotation of mitochondrial proteins. Therefore, we developed a new computational tool, YimLoc, which effectively predicts mitochondrial proteins from genomic sequences. This tool integrates the strengths of existing predictors and yields higher performance than any individual predictor. We applied YimLoc to ~60 fungal genomes in order to address the controversy about the localization of beta oxidation in these organisms. Our results show that in contrast to previous studies, most fungal groups do possess mitochondrial beta oxidation. This work also revealed the diversity of beta oxidation in fungi, which correlates with their utilization of fatty acids as energy and carbon sources. Further, we conducted an investigation of the key component of the mitochondrial beta oxidation pathway, the acyl-CoA dehydrogenase (ACAD). We combined subcellular localization prediction with subfamily classification and phylogenetic inference of ACAD enzymes from 250 species covering all three domains of life. Our study suggests that ACAD genes are an ancient family with innovative evolutionary strategies to generate a large enzyme toolset for utilizing most diverse fatty acids and amino acids. Finally, to enable the prediction of mitochondrial proteins from data beyond genome sequences, we designed the tool TESTLoc that uses expressed sequence tags (ESTs) as input. TESTLoc performs significantly better than known tools. In addition to providing two new tools for subcellular localization designed for different data, our studies demonstrate the power of combining subcellular localization prediction with other in silico analyses to gain insights into the function of mitochondrial proteins. Most importantly, this work proposes clear hypotheses that are easily testable, with great potential for advancing our knowledge of mitochondrial metabolism.

Les triacylglycérols d'algues (TAG) représentent une source prometteuse de biocarburants. Les principales étapes de la synthèse des acides gras et du métabolisme du TAG des algues ont été déduites de celles des plantes terrestres, mais on en sait peu sur les sources de carbones et d’énergie intervenant dans la synthèse de lipides de réserve. Nous avons donc étudié la synthèse des acides gras chez l’algue modèle Chlamydomonas reinhardtii en utilisant une combinaison d'approches génétiques, biochimiques et microscopiques. Plus précisément, j'ai d'abord examiné la localisation subcellulaire de gouttelettes de lipides dans des cellules d'algues exposées à une forte lumière, conditions où une plus grande quantité de pouvoir réducteur est produite. J'ai ensuite contribué à mettre en évidence que la bêta-oxydation des acides gras est un processus peroxysomal, et que pendant une carence en azote réalisée en conditions photoautotrophe, des mutants dépourvus de la malate déshydrogénase 2 peroxysomale (mdh2) accumulent 50% plus TAG que les souches parentales. Ces résultats nous ont permis de mettre en évidence l'importance du contexte redox cellulaire sur la synthèse lipidique. Cette étude a également permis de révéler l’existence d'un échange d’énergie entre le peroxysome et le chloroplaste. Enfin, en caractérisant des mutants déficients dans la dégradation des acides aminés à chaîne ramifiée (BCAA), j'ai montré que le catabolisme des BCAAs joue un double rôle dans la synthèse de TAG en fournissant des précurseurs carbonés et de l'ATP. L'ensemble de ces travaux ouvert de nouvelles pistes pour l'amélioration génétique future de souches d'algues pour la production de biocarburants. / Algal triacylglycerols (TAG) represent a promising source for biofuel. The major steps for fatty acid synthesis and TAG metabolism have been deduced based on that of land plants, but little is known about carbon and energy sources. To address this question, we investigated fatty acid synthesis in algal cells using a combination of genetic, biochemical and microscopic approaches in the model microalga Chlamydomonas reinhardtii. Specifically, I first examined subcellular localization of lipid droplets in algal cells exposed to high light, a condition favoring production of reducing power. Secondly, I contributed to put on evidence that the beta-oxidation of fatty acids is a peroxisomal process, and that during photoautotrophic nitrogen starvation, knock-out mutants of the peroxisomal malate dehydrogenase 2 (mdh2) made 50% more TAG than parental strains, highlighting the importance of cellular redox context on lipid synthesis. This study also revealed for the first time the occurrence of an energy trafficking pathway from peroxisome to chloroplast. And finally, by characterizing mutants defected in degradation of branched-chain amino acids (BCAAs), I showed that BCAA catabolism plays a dual role in TAG synthesis via providing carbon precursors and ATP. Taken together, this work highlighted the complex interplay between carbon and energy metabolism in green photosynthetic cells, and pointed future directions for genetic improvement of algal strains for biofuel productions.