Pour des missions spatiales de longue durée, les plantes supérieures doivent faire partie des systèmes de support-vie. Le projet Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA, alternative de système de support-vie micro-écologique) de l'Agence Spatiale Européenne est basé sur un système clos de support vie qui inclut, autour d'un compartiment consommateur, des compartiments microbiens et des plantes supérieures. Les plantes consomment les déchets pouvant être recyclés (les eaux usées et du CO2) et produisent de la nourriture fraîche, de l'eau potable et de l'oxygène pour l'équipage. Un des points clé pour ce type d'étude est le maintien d'un système qui assure le recyclage de tous les éléments C, H, O, N, S, P, ... C'est pourquoi la base de l'étude repose sur une modélisation des stœchiométries de conversion qui doit traduire les échanges de matière et d'énergie en fonction des limitations physiques qui sont les paramètres de contrôle du système. L'étape préliminaire a été d'établir un modèle métabolique de feuille (un sous-modèle du modèle biochimique), comprenant le métabolisme central et utilisant les techniques métaboliques d'analyse des modes élémentaires (EFMA) et d'analyse des flux métaboliques (MFA) associé à une vision intégrée de l'énergétique du métabolisme central. En l'absence de données expérimentales suffisantes, le modèle métabolique de feuille a été construit à partir de la composition de la biomasse référencée par le Département Américain de l'Agriculture (USDA) et validé avec les données expérimentales de laitues (Lactuca sativa) cultivées dans l'installation de recherche des systèmes à environnement contrôlé (CESRF) de l'Université de Guelph (Canada). Pour la première approche, le modèle est satisfaisant et prometteur ; il peut prédire la production de biomasse une fois connecté aux facteurs physiques de la croissance de plante (lumière, disponibilité en CO2 et en eau, ...) au cours du temps et à la composition de la biomasse. Cependant, nos résultats souffrent d'un manque de données pour vérifier les modèles métaboliques ; ainsi, différents types de mesures pour des prédictions plus précises sont proposés. Le futur modèle doit être en mesure de contrôler la croissance de la plante pour la survie des humains, connaissant les flux provenant des autres compartiments de la boucle MELiSSA. Par ailleurs, l'approche décrite ici peut être utilisée de manière plus générale pour tous types d'études et modélisations du métabolisme, en particulier pour étudier le fonctionnement simultané et/ou consécutif des métabolismes photosynthétique et respiratoire.

Les graines de lin sont composées de teneurs élevées en huile (45 g d’huile/100g MS) stockées sous forme de triglycérides dans l’embryon (Venglat et al., 2011). Ces huiles hautement insaturées sont utilisées depuis de nombreuses années pour des applications industrielles (vernis, linoleum…). Toutefois, ces huiles riches en oméga-3 présentent également une grande importance pour la santé humaine. Pour cette raison, l’industrie alimentaire est particulièrement intéressée pour développer des produits enrichis en huile de lin. Pour répondre à cette demande, il est nécessaire de sélectionner des cultivars accumulant plus d’huile. Afin de sélectionner efficacement de telles plantes, il est nécessaire d'acquérir des connaissances sur les mécanismes de synthèse, d’accumulation et de régulation des huiles dans les graines oléagineuses (Sharma et Chauhan 2012). Pour comprendre les accumulations des huiles dans les graines de lin et leurs régulations, deux lignées de lin ayant des teneurs en huile différent ont été sélectionnées (Astral : 44,6 ± 0,2 g d’huile/100g MS ; 238 : 37,0 ± 0,7 g d’huile/100g MS). Dans ce travail, nous avons déterminé les différences d’accumulation des composées de la graines entre les deux lignées dans les embryons, les téguments, la différence d’expression des gènes dans ces embryons et ces téguments, et analyser les flux métaboliques dans les embryons des deux lignées de lin durant la synthèse des acides gras. Ces études ont montré : (i) que les embryons de lin Astral qui accumule plus d’huile dans ses embryons accumule moins de protéines dans les embryons, (ii) que les téguments de lin Astral accumule moins de proanthocyanidines et de protéines que dans les téguments de la lignée 238, (iii) qu’aucun lien avec l’accumulation différente en huile dans les embryons et la différence d’accumulation dans les téguments n’a pu être mis en évidence, (iii) que le glucose est le précurseur carboné permettant la synthèse des acides gras, (iv) que le flux de carbone permettant la synthèse des acides gras passe majoritairement par la glycolyse cytosolique jusqu’au PEP cytosolique qui est transporté dans le plaste pour être convertie en pruvate puis acétylCoA, précurseur de la synthèse des acides gras, (v) que le flux permettant la synthèse de G3P est 29 fois plus élevée que dans les embryons de lin 238 que dans les embryons de lin Astral, (vi) : que la surexpression du gène codant pour la DHAP synthase (genolin_c54022 317) et la G3PDH (genolin_c10324 594) dans les embryons de la lignée Astral/238, pourraient induire une synthèse plus importante de G3P nécessaire à la formation des triglycérides. / Flax seeds are composed oh high levels of oil (45 g oil / 100 g DM) stored as triglycerides in their embryos (Venglat et al., 2011). These highly unsatured oils have been used for many years for industrial applications (varnish, linoleum,...). However, these oils rich in omega-3 are also a great importance to human health. for this reason, the food industry is particularly interesed to develop innovative products enriched in linseed oil. To meet these requirements, it is necessary to develop linseed cultivars that accumulate more oils. In order to select such plants, it is necessary to acquire knowledge on mechanisms, accumulation and regulation of oils synthesis in oilseeds (Sharma and Chauhan, 2012). To better understand oil accumulation in flaxseed, two linseed genotypes presenting different level in oil content were selected (Astral : 44,6 ± 0,2 g oil / 100 MS ; 238 : 37,0 ± 0,7 g oil / 100 g DM). In this work, we determined the differences in accumulation between the two lines in embryos, integumen, the difference in gene expression in the embryos and the integument, and we analysed the metabolic flux in the embryos of both flax lines during the synthesis of fatty acids. These studies have shown : (i) the flax embryos Astral accumulates more oil in its embryo accumulates less protein in embryos, (ii) that the Astal flax husks accumulates less proanthocyanidins and proteins in teguments of the line 238, (iii) no link with the different oil accumumation in embryos and the difference in accumulation the integument could be demonstrated, (iv) that the glucose is the carbon precursor for the synthesis of fatty acids, (v) thet the flow of carbon to the synthesis of fatty acids predominantly through cytosolic glycolysis to PEP cytosolic, that is transported into the plastic for conversion to pruvate then acetylCoA, precursor synthesis of fatty acids, (vi) the flow for the synthesis of G3P in Astral embryos is 29 times higher than in the 238 embryos, (vii) the overexpression of the gene encoding the DHAP synthase (genolin_c54022 317) and G3PDH (genolin-c10324 594) in embryos of the Astral / 238, could induce a higher synthesis G3P necessary for the triglycerides.

Pour des missions spatiales de longue durée, les plantes supérieures doivent faire partie des systèmes de support-vie. Le projet Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA, alternative de système de support-vie micro-écologique) de l’Agence Spatiale Européenne est basé sur un système clos de support vie qui inclut, autour d’un compartiment consommateur, des compartiments microbiens et des plantes supérieures. Les plantes consomment les déchets pouvant être recyclés (les eaux usées et du CO2) et produisent de la nourriture fraîche, de l’eau potable et de l’oxygène pour l’équipage. Un des points clé pour ce type d’étude est le maintien d’un système qui assure le recyclage de tous les éléments C, H, O, N, S, P, … C’est pourquoi la base de l’étude repose sur une modélisation des stœchiométries de conversion qui doit traduire les échanges de matière et d’énergie en fonction des limitations physiques qui sont les paramètres de contrôle du système. L’étape préliminaire a été d’établir un modèle métabolique de feuille (un sous-modèle du modèle biochimique), comprenant le métabolisme central et utilisant les techniques métaboliques d’analyse des modes élémentaires (EFMA) et d’analyse des flux métaboliques (MFA) associé à une vision intégrée de l’énergétique du métabolisme central. En l’absence de données expérimentales suffisantes, le modèle métabolique de feuille a été construit à partir de la composition de la biomasse référencée par le Département Américain de l'Agriculture (USDA) et validé avec les données expérimentales de laitues (Lactuca sativa) cultivées dans l’installation de recherche des systèmes à environnement contrôlé (CESRF) de l’Université de Guelph (Canada). Pour la première approche, le modèle est satisfaisant et prometteur ; il peut prédire la production de biomasse une fois connecté aux facteurs physiques de la croissance de plante (lumière, disponibilité en CO2 et en eau, …) au cours du temps et à la composition de la biomasse. Cependant, nos résultats souffrent d’un manque de données pour vérifier les modèles métaboliques ; ainsi, différents types de mesures pour des prédictions plus précises sont proposés. Le futur modèle doit être en mesure de contrôler la croissance de la plante pour la survie des humains, connaissant les flux provenant des autres compartiments de la boucle MELiSSA. Par ailleurs, l’approche décrite ici peut être utilisée de manière plus générale pour tous types d’études et modélisations du métabolisme, en particulier pour étudier le fonctionnement simultané et/ou consécutif des métabolismes photosynthétique et respiratoire. / For long term space missions, higher plants are necessary to be included in life support systems. The Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) project of European Space Agency (ESA) is based on a closed life support system where microbial and higher plant compartments support the consumer’s compartment. Plants consume the possible recycling wastes (waste water and CO2) and provide fresh food, potable water and oxygen to the crew. One of the key points for this kind of study is to maintain a system which recycles all the elements C, H, O, N, S, P, etc. That is why, the study is based on the modelling of conversion stoichiometries ; they are the results of the control parameters of the system (physical limitations of mass and energy exchanges). As a preliminary step, we have established leaf metabolic model (a sub model of the plant biochemical model) involving central carbon metabolism using metabolic techniques, elementary flux mode analysis (EFMA) and metabolic flux analysis (MFA). It is associated to an integrated approach of energetics and central metabolism. Due to data limitations, the leaf metabolic model was constructed taking the biomass composition of lettuce (Lactuca sativa) from United States Department of Agriculture (USDA) and validated with the experimental data where lettuce grown in controlled Environment Systems Research Facility (CESRF) of University of Guelph (Canada). For the first approach, the model is satisfying and promising ; it can predict the biomass production connecting the physical plant growth factors (light, CO2 and water availability, etc.) along with time course growth and biomass composition. However, our results show the lack of sufficient data ; hence, various kinds of measurements required for more accurate model predictions are proposed. The future model must be able to control and manage the plant growth for human survival knowing the fluxes from other compartments of MELiSSA loop. Further, the approach described here can be used more generically in all kinds of metabolic studies and modeling, especially for studying simultaneous and/or consecutive photosynthetic and respiratory metabolisms.

L’acétyl-coA occupe une place centrale dans le métabolisme intermédiaire. Il constitue le point de jonction de plusieurs voies métaboliques telles que la .-oxydation, la glycolyse, le catabolisme de certains acides aminés, la cétolyse, la cétogenèse et la synthèse d’acides gras. Il est également impliqué dans d’autres processus tels que l’acétylation des protéines. Au cours de mon travail de thèse, je me suis attachée à étudier différents aspects du métabolisme de l’acétyl-coA. La première partie de mon travail a porté sur la modulation pharmacologique de la .- oxydation dans le but de corriger des déficits de cette voie métabolique. L’intérêt de traitements par 400µM de bézafibrate ou 75µM de resvératrol dans les formes modérées de déficit en VLCAD et en CPT2 avait été montré précédemment. Par des méthodes de référence et grâce à la mise au point de nouvelles techniques, j’ai pu montrer sur des fibroblastes de patients déficitaires en LCHAD que des traitements par une combinaison de 35µM de bézafibrate et 30µM de resvératrol permettent d’augmenter les capacités d’oxydation du palmitate en stimulant la synthèse protéique. L’effet de cette combinaison était comparable à celui d’un traitement par 400µM de bézafibrate. Dans un second temps, je me suis intéressée à deux cofacteurs impliqués dans le métabolisme de l’acétyl-coA : l’acide lipoïque, cofacteur de quatre .-cétoacides déshydrogénases (PDHc, BCKDHc, .- KGDHc et GCS) et la riboflavine, cofacteur d’acyl-coA déshydrogénases de la .-oxydation et de déshydrogénases impliquées dans le catabolisme des acides aminés ramifiés. Ainsi, j’ai participé à la description d’anomalies du métabolisme de l’acide lipoïque, un nouveau groupe de maladies héréditaires du métabolisme caractérisé par un déficit combiné en .-cétoacides déshydrogénases. Par ailleurs, j’ai pu montrer qu’une hyperprolinémie constitue un biomarqueur intéressant pour le diagnostic d’acidurie glutarique de type II primaire ou secondaire, ces dernières pouvant se rencontrer en cas d’anomalie du métabolisme de la riboflavine. J’ai également évalué l’utilisation d’un mélange racémique de L,D-3-hydroxybutyrate afin de corriger les déficits énergétiques induits par un déficit en PDHc ou GLUT1. Via la cétolyse, le L,D-3- hydroxybutyrate génère de l’acétyl-coA. De façon surprenante, l’administration de ce composé s’est traduite par une amélioration de l’état clinique des patients atteints de déficits en PDHc, alors qu’une dégradation a été observée chez les patients atteints de déficits en GLUT1. Cette évolution différente pourrait souligner l’importance de l’anaplérose chez les patients déficitaires en GLUT1. Enfin, la dernière partie de mon travail de thèse porte sur la description d’un patient atteint d’une forme modérée de déficit en pyruvate carboxylase, cette enzyme étant régulée par l’acétyl-coA. Les difficultés diagnostiques rencontrées devant ces formes modérées sont rapportées, ainsi que des essais de traitement par des composés anaplérotiques et par le bézafibrate, malheureusement sans bénéfice net que ce soit in vitro ou in vivo. En conclusion, le métabolisme de l’acétyl-coA est altéré dans de nombreuses maladies héréditaires du métabolisme, dont certaines sont de description récente. Il peut être modulé par différentes approches pharmacologiques. Le développement de nouvelles techniques et notamment les analyses de flux métaboliques fournissent des outils utiles à son exploration et à l’étude de nouveaux traitements. / Acetyl-CoA is crucial for intermediary metabolism. It is at the crossroad of several metabolic pathways such as beta-oxidation, glycolysis, aminoacid catabolism, ketolysis, and fatty acid synthesis. It is also involved in other processes such as protein acetylation. In this document I studied different aspects of acetyl-CoA metabolism. First, I tried to correct fatty acid oxidation defects through pharmacological approach. Thanks to well- known methods and new ones, I showed that a combination of 30µM resveratrol and 35µM bezafibrate increased fatty acid oxidation capacities by increasing protein synthesis, as well as 400µM bezafibrate. Acetyl-CoA metabolism is also altered due to cofactors defects such as lipoic acid or riboflavine deficiency. I was involved in new diseases description and research for new biomarkers in this context. PDHc and GLUT1 deficiency are two different diseases with the same consequence : a defect in acetyl- CoA production from glucose. In order to improve patients’ quality of life, I evaluated the substitution of ketogenic diet with a racemic mix of L,D-3-hydroxybutyrate in PDHc and GLUT1 deficiency. The clinical evolution of patients was strikingly different, with an improvement in PDHc patients, whereas a degradation was noticed in GLUT1 patients. This difference might underline the role of anaplerosis in GLUT1 deficiency. Finally, I evaluated anaplerotic treatment and bezafibrate treatment in pyruvate carboxylase deficiency, an enzyme allosterically regulated by acetyl-CoA. To conclude, acetyl-CoA metabolism is altered in numerous inherited errors of metabolism, some of them being recently described. It can be modulated by pharmacological approaches. The development of new techniques such as metabolic flux analysis are useful for its study and for new treatments evaluation.