L’orge (Hordeum vulgare L.) est l'une des céréales les plus importantes du monde et l’une des premières cultures domestiquées. Elle a été utilisée pendant des siècles pour l'alimentation humaine. Comme toutes les autres plantes, l'orge est dépendante de l'azote inorganique. L’efficacité de remobilisation de l'azote est donc très importante pour le remplissage des grains et pour la teneur en protéines du grain. L'objectif de ce travail est de donner une image du métabolisme des feuilles sénescence chez l'orge lorsque les plantes sont cultivées dans des conditions limitantes ou non en nitrates. Les analyses biochimiques, physiologiques et moléculaires de la sénescence des feuilles d'orge ont été réalisées. La gestion de l'azote pendant la sénescence des feuilles a été suivie par l'évolution des différents composés azotés au cours du vieillissement de la feuille. Une étude de profilage métabolique a été effectuée afin de déterminer les caractéristiques métaboliques de la sénescence des feuilles dans l'orge. En parallèle, les enzymes impliquées dans la remobilisation de l'azote ont été étudiées. Leurs activités et les niveaux de leurs transcripts ont été mesurés. Une attention particulière a été portée aux glutamine synthétases et asparagine synthétases et aux protéines de la machinerie de l'autophagie, processus connus pour jouer un rôle dans la remobilisation de l'azote pendant la sénescence des feuilles. A partir de toutes les données de séquences disponibles, ADNc, EST et séquences génomiques, cinq gènes codant pour les isoformes de glutamine synthétase cytosoliques (GS1), cinq gènes codant pour les isoformes d’asparagine synthétase (AS) isoformes et 19 gènes codant pour des protéines de la machinerie de l'autophagie ont été identifiés. Les expressions de tous les gènes identifiés ont été suivies au cours de la sénescence des feuilles et en fonction de l'alimentation en nitrates. La plupart de ces gènes sont sur-exprimés dans les feuilles sénescentes et de façon différentielle en fonction des conditions de nutrition. Toutes les données de séquences fournies par ce travail seront utiles à d'autres études translationelles et d'association génétique. / Barley (Hordeum vulgare L.) is one of the most important cereals in the world. It was one of the first domesticated crops and was used for centuries for human food. As all plants, barley has a fundamental dependence of inorganic nitrogen and nitrogen remobilization efficiency is very important for grain filling and grain protein content. The aim of this work was then to give a picture of the leaf-senescence metabolism in barley leaves when plants are grown under low or high nitrate conditions. Biochemical, physiological and molecular analyses of barley leaf senescence were performed. Nitrogen management during leaf senescence was monitored measuring changes in the different nitrogen pools during leaf ageing. In addition a large metabolite profiling study was performed in order to determine the metabolic hallmarks of leaf senescence in barley. In parallel enzymes involved in nitrogen remobilization were studied measuring their activity and the transcript levels of their coding genes. There was a special focus on glutamine synthetase and asparagine synthetase enzymes and for autophagy machinery that are known to play a role in nitrogen remobilisation during leaf senescence.From all the sequences data available, cDNA, EST and genomic sequences, we could identified five genes coding for cytosolic glutamine synthetase (GS1), five genes coding for asparagine synthetase (AS) and 19 genes coding for autophagy machinery proteins. Transcript levels of all the genes identified were monitored during leaf senescence and depending on nitrate nutrition. Most of these genes were over-expressed in senescing leaves and differentially expressed depending on nitrate conditions. In addition to the characterization of autophagy, GS1 and ASN genes, phylogenic and gene structures were analysed. All the sequences data provided by this work will be helpful to further translational and genetic association studies.

Le colza d’hiver (Brassica napus) est cultivé pour l’huile contenue dans ses graines ainsi que pour les tourteaux qui sont une source de protéines pour l’alimentation animale. La culture de colza demande de forts apports d’azote et cette espèce est caractérisée par sa faible efficacité d’utilisation de l’azote. Une forte proportion de l’azote absorbé est restituée au sol lors de la chute précoce des feuilles au stade végétatif. L’amélioration de la remobilisation de l’azote est donc de première importance pour améliorer le rendement de cette culture tout en satisfaisant le besoin de réduction des intrants. La glutamine et l’asparagine jouent un rôle important dans le transport de l’azote au sein de la plante, notamment au cours de la sénescence foliaire. Les deux familles multigéniques des glutamine synthétases cytosoliques (GLN1) et des asparagine synthétases (ASN) assurent leur synthèse. Ce travail de thèse s’est intéressé à ces enzymes chez deux Brassicacées : le colza et Arabidopsis thaliana. Dans un premier temps, l’expression des gènes GLN1 a été étudiée chez Arabidopsis par une combinaison d’approches de biologie moléculaire, cellulaire et de cytologie. Les spécificités d’expression de chacun des cinq gènes d’Arabidopsis ont été mises en évidence. L’identification des gènes BnaGLN1 chez Brassica napus a permis une analyse de leur expression en fonction de l’âge des feuilles et de la disponibilité en azote. Les profils d’expression observés chez le colza se sont révélés similaires à ceux des gènes homologues d’Arabidopsis, amenant l’hypothèse d’une conservation des fonctions chez les deux espèces. Le rôle des gènes GLN1 d’Arabidopsis dans la remobilisation de l’azote vers les graines a été étudié grâce à un marquage ¹⁵N effectué sur des mutants simples. Le rôle des gènes GLN1 dans la remobilisation de l’azote des tissus végétatifs vers les tissus reproducteurs a été mis en évidence sans toutefois cibler spécifiquement une isoforme. L’étude de la famille ASN chez Arabidopsis a permis de mettre en évidence des profils d’expression spécifiques en fonction des organes, de l’âge des tissus et de la disponibilité en azote pour chacun des trois gènes. Le marquage ¹⁵N a également révélé une implication des gènes ASN1 et ASN2 dans la remobilisation de l’azote de la rosette vers les tissus reproducteurs. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont une base pour de futures approches translationnelles vers le colza. / Winter oilseed rape (Brassica napus) is grown for its oil-rich seeds and for proteins, used in animal feed cake. It requires high nitrogen inputs due to the low efficiency of nitrogen utilization that characterizes this species. A large proportion of absorbed nitrogen is indeed returned to the soil when leaves fall. Improving nitrogen remobilization to promote seed filling is then required to improve yield and limit fertilizer use. Asparagine and glutamine are important amino acids for phloem translocation. This thesis focuses on the two multigenic families in charge of asparagine and glutamine synthesis: cytosolic glutamine synthetase (GLN1) and asparagine synthetase (ASN). Studies were performed on the two Brassicaceae, rapeseed and Arabidopsis thaliana. The GLN1 gene expressions were investigated in Arabidopsis by a combination of molecular biology and cytology. The five GLN1 genes are differentially expressed in Arabidopsis depending on ageing and nitrogen availability. The identified BnaGLN1 genes in Brassica napus also showed age and nitrogen dependent expressions. Interestingly, expression profiles were similar between homologous genes in Arabidopsis and rapeseed, suggesting that homologous genes share similar function in the two species. The role of Arabidopsis GLN1 genes for nitrogen remobilization to the seeds was monitored using ¹⁵N tracing experiments on individual mutants. The GLN1 genes play a role in the remobilization of nitrogen from the rosette leaves to the reproductive organs. However, their effect is weak and non-specific of one GS1 isoform. ASN genes also presented specific expression profiles depending on organs, age and nitrogen availability. The ¹⁵N tracing revealed that ASN1 and ASN2 are both involved in nitrogen remobilization from the rosette to the seeds. Our studies provide a basis for future translational approaches to improve oilseed rape.

La leucémie aiguë lymphoblastique (LAL) est le cancer pédiatrique le plus fréquent. Elle est la cause principale de mortalité liée au cancer chez les enfants due à un groupe de patient ne répondant pas au traitement. Les patients peuvent aussi souffrir de plusieurs toxicités associées à un traitement intensif de chimiothérapie. Les études en pharmacogénétique de notre groupe ont montré une corrélation tant individuelle que combinée entre les variants génétiques particuliers d’enzymes dépendantes du folate, particulièrement la dihydrofolate réductase (DHFR) ainsi que la thymidylate synthase (TS), principales cibles du méthotrexate (MTX) et le risque élevé de rechute chez les patients atteints de la LAL. En outre, des variations dans le gène ATF5 impliqué dans la régulation de l’asparagine synthetase (ASNS) sont associées à un risque plus élevé de rechute ou à une toxicité ASNase dépendante chez les patients ayant reçu de l’asparaginase d’E.coli (ASNase). Le but principal de mon projet de thèse est de comprendre davantage d’un point de vue fonctionnel, le rôle de variations génétiques dans la réponse thérapeutique chez les patients atteints de la LAL, en se concentrant sur deux composants majeurs du traitement de la LAL soit le MTX ainsi que l’ASNase. Mon objectif spécifique était d’analyser une association trouvée dans des paramètres cliniques par le biais d’essais de prolifération cellulaire de lignées cellulaires lymphoblastoïdes (LCLs, n=93) et d’un modèle murin de xénogreffe de la LAL. Une variation génétique dans le polymorphisme TS (homozygosité de l’allèle de la répétition triple 3R) ainsi que l’haplotype *1b de DHFR (défini par une combinaison particulière d’allèle dérivé de six sites polymorphiques dans le promoteur majeur et mineur de DHFR) et de leurs effets sur la sensibilité au MTX ont été évalués par le biais d’essais de prolifération cellulaire. Des essais in vitro similaires sur la réponse à l’ASNase de E. Coli ont permis d’évaluer l’effet de la variation T1562C de la région 5’UTR de ATF5 ainsi que des haplotypes particuliers du gène ASNS (définis par deux variations génétiques et arbitrairement appelés haplotype *1). Le modèle murin de xénogreffe ont été utilisé pour évaluer l’effet du génotype 3R3R du gène TS. L’analyse de polymorphismes additionnels dans le gène ASNS a révélé une diversification de l’haplotype *1 en 5 sous-types définis par deux polymorphismes (rs10486009 et rs6971012,) et corrélé avec la sensibilité in vitro à l’ASNase et l’un d’eux (rs10486009) semble particulièrement important dans la réduction de la sensibilité in vitro à l’ASNase, pouvant expliquer une sensibilité réduite de l’haplotype *1 dans des paramètres cliniques. Aucune association entre ATF5 T1562C et des essais de prolifération cellulaire en réponse à ASNase de E.Coli n’a été détectée. Nous n’avons pas détecté une association liée au génotype lors d’analyse in vitro de sensibilité au MTX. Par contre, des résultats in vivo issus de modèle murin de xénogreffe ont montré une relation entre le génotype TS 3R/3R et la résistance de manière dose-dépendante au traitement par MTX. Les résultats obtenus ont permis de fournir une explication concernant un haut risque significatif de rechute rencontré chez les patients au génotype TS 3R/3R et suggèrent que ces patients pourraient recevoir une augmentation de leur dose de MTX. À travers ces expériences, nous avons aussi démontré que les modèles murins de xénogreffe peuvent servir comme outil préclinique afin d’explorer l’option d’un traitement individualisé. En conclusion, la connaissance acquise à travers mon projet de thèse a permis de confirmer et/ou d’identifier quelques variants dans la voix d’action du MTX et de l’ASNase qui pourraient faciliter la mise en place de stratégies d’individualisation de la dose, permettant la sélection d’un traitement optimum ou moduler la thérapie basé sur la génétique individuelle. / Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most frequent malignancy of childhood. It is the principal cause of cancer–related mortality in children due to a persistent group of patients who does not respond to standard anti-cancer treatment. Susceptible patients may also suffer from number of toxicities associated with intensive chemotherapy treatment. Pharmacogenetic studies of our group, showed that particular genetic variants of the folate dependent enzymes, particularly, dihydrofolate reductase (DHFR) and thymidylate synthase (TS), major targets of methotrexate (MTX), correlate both individually and combined with increased risk of relapse in patients with childhood ALL. Furthermore, variations of ATF5 gene involved in asparagine synthetase (ASNS) regulation and of ASNS gene were associated with higher risk of ALL relapse or with ASNase related toxicity in patients who received E.coli asparaginase (ASNase). The major goal of my doctoral research project was to further understand from the functional point of view the role of genetic variations underlying therapeutic responses of childhood ALL, by focusing on two major components of ALL treatment, MTX and ASNase. My specific goal was to analyze associations found in clinical setting using cellular proliferation assay in lymphoblastoid cell lines (LCLs, n=93) and xenograft mice model of ALL. Genetic variation in TS polymorphism (homozygosity for triple repeat allele, 3R) and of DFHR haplotype *1b (defined by particular allelic combination derived from six polymorphic sites in the major and minor promoter of DHFR), on MTX sensitivity was assessed using cellular proliferation assay. Similar in vitro assay in response to E.coli ASNase was used to access the T1562C variation in the ATF5 5’UTR and particular haplotypes of ASNS gene (defined by two genetic variation and arbitrarily named haplotype *1). Xenograft mouse model was used to access the effect of TS 3R3R genotype. Analysis of additional polymorphisms in ASNS gene revealed diversification of haplotype *1 of ASNS gene in 5 subtypes, two polymorphisms (rs10486009 and rs6971012,) defining particular subtypes correlated with in vitro sensitivity to ASNase and one of them (rs10486009) seems particularly important for reducing sensitivity to ASNase in vitro, possibly providing mechanistic explanation for lower sensitivity of haplotype *1 observed in clinical setting. No association between ATF5 T1562C variation and cellular proliferation assay in response to E.coli ASNase was found. We did not observe genotype-related association when in vitro sensitivity to MTX in LCLs was analyzed. In contrast, in vivo results using xenograft mouse model demonstrated the relationship between the TS 3R/3R genotype and the resistance to MTX treatment in dose-dependent manner. Obtained results provided function explanation for the significantly higher risk of relapse seen in 3R/3R ALL patients and suggest that these patients might benefit from increase dose of MTX. Through these experiments we also showed that xenogeneic mice model can serve as a preclinical tool to explore individualized treatment options. In conclusion, the knowledge acquired through my doctoral work confirmed and/or identified some functional variants in MTX and ASNase action pathway which may facilitate dose individualization strategies, allowing for optimal treatment selection or tailoring childhood ALL therapy based on individual genetics.