Le système de sécrétion de type II (T2SS) est largement exploité par les bactéries à Gram négatif pour sécréter divers facteurs de virulence depuis le périplasme vers le milieu extra-cellulaire. La bactérie phytopathogène Dickeya dadanti (ex. Erwinia chrysanthemi) utilise ce système, appelé Out, pour la sécrétion de pectinases responsable de la maladie de la pourriture molle chez de nombreuses plantes. Les deux composants essentiels du système Out, la protéine de membrane interne OutC et la sécrétine OutD, formant un pore dans la membrane externe, sont impliqués dans la spécificité de sécrétion. L'interaction entre OutC et OutD pourrait assurer l’intégrité structurelle et fonctionnelle du système de sécrétion en reliant les deux membranes. Nous avons entrepris une étude structure-fonction de ces deux composants afin d’identifier et caractériser leurs sites d’interaction et de mieux comprendre leurs rôles. Nous avons appliqué une approche intégrative impliquant une analyse in vivo par cystéine-scanning et pontage disulfure, une analyse in vitro par GST pull down et une analyse structurale d’OutC et OutD et de leurs interactions par RMN. Nos résultats indiquent la présence d'au moins trois sites d'interaction entre les régions périplasmiques d’OutC et d’OutD et suggèrent que ces interactions s’établissent par un mécanisme d’addition des brins β. Nous avons démontré qu’un site situé sur le domaine HR d’OutC pouvait interagir avec deux sites distincts d’OutD suggérant un mode d’interaction alternatif. La présence d’exoprotéines et/ou des composants de membrane interne du système OutE-L-M, modifie différemment l’affinité de ces trois sites d'interaction entre OutC et OutD. Nous proposons que ces interactions alternatives entre divers sites d’OutC et OutD pourraient refléter une succession d’étapes fonctionnelles lors du processus de sécrétion. Pour étudier le mécanisme d’adressage et d’assemblage de la sécrétine OutD dans la membrane externe, nous avons exploité les interactions entre OutD et deux composants auxiliaires du T2SS, la protéine de la membrane interne OutB et la lipoprotéine de la membrane externe OutS. Nous avons montré une interaction directe entre le domaine périplasmique d’OutB et le domaine N0 d’OutD. Une analyse structure-fonction du complexe OutS-OutD a révélé que la pilotine OutS interagit fortement avec 18 résidus à l’extrémité C-terminale de la sécrétine, entraînant la structuration sous forme hélicoïdale de cette région initialement non structurée. Ce travail nous permet de mieux comprendre le mécanisme d’assemblage et de fonctionnement du système de sécrétion de type II. / The type II secretion system (T2SS) is widely exploited by Gram-negative bacteria to secrete diverse virulence factors from the periplasm into the extra-cellular milieu. The phytopathogenic bacterium Dickeya dadanti (ex. Erwinia chrysanthemi) uses this system, named Out, to secrete several cell-wall degrading enzymes that cause soft-rot disease of many plants. The two core components of the Out system, the inner membrane protein OutC and the secretin OutD, which forms a secretion pore in the outer membrane, are involved in secretion specificity. The interaction between OutC and OutD could assure the structural and functional integrity of the secretion system by connecting the two membranes. To understand structure-function relationships between these two components and characterize their interaction sites, we applied an integrative approach involving in vivo cysteine scanning and disulfide cross-linking analysis, truncation analysis of OutC and OutD combined with in vitro GST pull-down, and structural analysis of these proteins and of their interactions by NMR. Our results indicate the presence of at least three interacting sites between the periplasmic regions of OutC and OutD and suggest a β-strand addition mechanism for these interactions. We demonstrated that one site of the HR domain of OutC can interact with two distinct sites of OutD suggesting an alternative mode of their interactions. The presence of exoproteins or/and the inner membrane components of the system OutE-L-M differently alters the affinity of the three OutC-OutD interacting sites. We suggest that successive interactions between these distinct regions of OutC and OutD may have functional importance in switching the secretion machinery between different functional states. To study the mechanism of the targeting and assembly of the secretin OutD into the outer membrane, we exploited the interactions between OutD and two auxiliary proteins, i.e., the inner membrane protein OutB and the outer membrane lipoprotein OutS. We showed a direct interaction between the periplasmic domain of OutB and the N0 domain of OutD. Structure-function analysis of OutS-OutD complex shows that the pilotin OutS binds tightly to 18 residues close to the C-terminus of the secretin subunit causing this unstructured region to become helical on forming the complex. This work allows us to better understand the assembly and function mechanism of the type II secretion system.

Depuis leur radiation après le Carbonifère, il y a 325 millions d’années, les insectes ont colonisé la majorité des milieux terrestres. Ce grand pouvoir colonisateur est en partie dû à leur association avec des bactéries symbiotiques intracellulaires, nommés endosymbiotes. Ces derniers complémentent le régime alimentaire de l’insecte et lui permettent de survivre sur des milieux nutritionnellement pauvres ou déséquilibrés. Les endosymbiotes sont transmis maternellement, ce qui assure la pérennité de l’association au cours des générations. Ils sont maintenus dans des cellules spécialisées, les bactériocytes, qui forment à leur tour un organe, le bactériome. L’étude des spécificités moléculaires et cellulaires des bactériocytes est un enjeu majeur dans la compréhension des mécanismes de régulation des endosymbiotes. Toutefois, la caractérisation de ces spécificités reste peu élucidée. Afin d’approcher les spécificités moléculaire, cellulaire et immunitaire du bactériome, ainsi que la réponse immunitaire systémique du charançon dirigée contre un pathogène, nous avons construit et séquencé 7 banques d’ADNc provenant du charançon des céréales : Sitophilus oryzae (Coléoptère, Curculionide). L’analyse in silico des banques, appuyée par une étude transcriptomique, a montré que le bactériome présente une forte expression de gènes impliqués dans la survie et le développement cellulaire, et dans le trafic vésiculaire. Le bactériome présente aussi une réponse immunitaire spécifique et modulée, puisqu’à l’exception d’un peptide antimicrobien, la coléoptéricine-A, les effecteurs de l’immunité ne sont pas (ou peu) exprimés. Par ailleurs, nous avons montré que la réponse immunitaire des larves de charançon aux infections bactériennes serait modulée en présence des endosymbiotes. Le deuxième volet de cette thèse s’est focalisé sur le stade adulte du charançon, chez qui les bactéries symbiotiques sont hébergées dans des bactériomes situés à l’apex des caeca mésentériques qui tapissent l’intestin moyen de l’insecte. Cette association est éphémère chez l’adulte qui perd ses endosymbiotes 15 jours après la mue imaginale. Nous avons recherché les mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de cette élimination, ainsi que les causes écophysiologiques et évolutives sous-jacentes. Par des approches histologiques et transcriptomiques, nous avons démontré que l’élimination des symbiotes est la conséquence de l’activation simultanée de l’apoptose et de l’autophagie. Par ailleurs, nous avons montré que l’élimination du symbiote survient après la formation ultime de la cuticule par l’insecte adulte, et que cette élimination symbiotique était corrélée à une diminution des besoins nutritionnels de l’insecte, notamment en acides aminés aromatiques. / Résumé

Le système Tat (pour Twin Arginine Translocation) exporte des protéines repliées depuis le cytoplasme vers le périplasme des bactéries. L’adressage des protéines à exporter au système Tat repose sur une séquence signal spécifique amino terminale clivée après exportation. Chez le phytopathogène Dickeya dadantii, l’homologue de pectine lyase PnlH possède une séquence signal Tat qui assure son adressage au système Tat mais qui n’est pas clivée après exportation et ancre la protéine dans la membrane externe. Chez les protéobactéries, la majorité des protéines de membrane externe sont soit des lipoprotéines soit des protéines intégrales de membrane en tonneau β. L’adressage de ces protéines à la membrane externe repose sur des voies spécifiques du type de protéine : la voie Lol pour les lipoprotéines et la combinaison des chaperons périplasmiques SurA, Skp et DegP et du complexe de membrane externe Bam (β barrel assembly machinery) pour les protéines en tonneau β. Au cours de ce travail, l’étude de l’adressage de PnlH à la membrane externe a montré que SurA se liait à la séquence signal hydrophobe de PnlH pour la protéger de l’environnement hydrophile au cours de son transit dans le périplasme. La séquence signal de PnlH (41 acides aminés) porte l’intégralité de l’information nécessaire à son adressage à la membrane externe. La nature de l’information adressant les protéines au système Tat est bien connue et dans ce travail nous nous sommes efforcés d’identifier les informations requises pour les deux dernières étapes de l’adressage de PnlH à la membrane externe : la traversée du périplasme et l’insertion dans la membrane externe. La délétion d’une région conservée comprise entre les résidus 28 et 41 de la séquence signal de PnlH affecte l’adressage de cette dernière à la membrane externe. Des substitutions des acides aminés conservés de cette région ne semblent pas affecter l’adressage de PnlH, indiquant que l’information nécessaire à l’adressage de PnlH à la membrane externe après exportation ne réside pas dans la séquence en acides aminés de la séquence signal de PnlH. En revanche, nos données suggèrent que la présence d’une hélice α hydrophobe dans la séquence signal de PnlH est importante pour son adressage à la membrane externe. Cette observation est particulièrement intéressante puisqu’une telle structure est généralement considérée comme une caractéristique des protéines de membrane interne. / The Twin Arginine Translocation (Tat) pathway exports folded proteins from the cytoplasm to the periplasm of bacteria. The targeting of the exported proteins to the Tat pathway relies on a specific amino-terminal signal sequence, which is cleaved after exportation. In the phytopathogen Dickeya dadantii the pectin lyase homologue PnlH is exported by the Tat pathway without cleavage of its signal sequence, which anchors PnlH into the outer membrane. In proteobacteria, the vast majority of outer membrane proteins consists of β-barrel proteins and lipoproteins. Targeting of these proteins to the outer membrane relies on two pathways: the periplasmic chaperones SurA, Skp and DegP work together with the β-Barrel-Assembly Machinery (Bam) to target and insert β-barrel proteins into the outer membrane while the Lol pathway targets and insert lipoproteins. In this work, we showed that SurA binds to the hydrophobic PnlH signal sequence during the course of its periplasmic transit. The PnlH signal sequence (41 residues) carries all the information necessary to the targeting of PnlH to the outer membrane. The nature of the information that targets proteins to the Tat system is well charcterized. Thus, we focused on the nature of the information carried by the PnlH signal sequence and that allows its crossing of the periplasm and its insertion in the outer membrane. The deletion of a conserved region of the PnlH signal sequence between residues 28 and 41 strongly affects the targeting of PnlH to the outer membrane. None of the single amino acid substitutions constructed in this region obviously affected the targeting of PnlH, indicating that the information may not reside in the amino acid sequence of the PnlH signal sequence. Consistently, our data suggest that the presence in the PnlH signal sequence of an α helix with a hydrophobic cluster is important for the targeting of PnlH to the outer membrane. This observation is striking since such a structure is considered as an inner membrane protein property.

L’agrégation protéique joue un rôle clé dans la dégénérescence cellulaire et est notamment reliée à de nombreuses maladies humaines en lien avec le vieillissement telles que les maladies d’Alzheimer et Parkinson ou encore la maladie du prion. Chez la bactérie Escherichia coli, l’accumulation de dommages sous forme d’agrégats protéiques et leur ségrégation asymétrique au pôle ont permis de démontrer des signes de vieillissement chez cette bactérie. Cette thèse s’est concentrée sur l’étude de la dynamique spatiale des agrégats protéiques in vivo chez la bactérie E. coli. Les agrégats protéiques peuvent être classifiés comme corps d’inclusion dont on dit souvent qu’ils sont amorphes ou comme amyloïdes dont le niveau de structuration est très élevée par la présence de nombreux feuillets β. Combinant une double approche théorique et expérimentale, basée sur la modélisation et la microscopie time-lapse et microfluidique, nous avons étudié le mécanisme gouvernant le mouvement des agrégats protéiques et la transmission verticale d’agrégats de type prionoide sur plusieurs dizaines de générations. Nos résultats indiquent clairement que les agrégats protéiques sont régis par un mouvement Brownien de diffusion avec un coefficient de diffusion dépendant de la taille de la molécule. L’étude de protéinopathie amyloïde a démontré l’existence de lignages propageant deux types d’agrégats : globulaire ou en forme de "comet-like". Les lignées présentant les agrégats sous forme globulaire indiquent une augmentation de la taille des agrégats jusqu’à inhibition de la division cellulaire tandis que la forme "comet-like" est moins préjudiciable à la croissance. Nous avons également observé à faible fréquence des lignées avec un changement de type d’agrégat. A partir d’un agrégat gobulaire, des agrégats "comet-like" peuvent naître. / Protein aggregation plays a key role in cell decline and leads to several human disease linked to ageing like Alzheimer or Parkinson disease and prion disease. In Escherichia coli bacteria, ac- cumulation of damaged proteins and their asymmetric segregation allowed to show ageing signs. This thesis is focused on the in vivo spatial dynamics of protein aggregates in E. coli. Protein aggregates can be classified as inclusion bodies and they are amorphous or amyloid with a high order level due to β sheets. Combining a double theoretical and experimental approach, based on modeling and time-lapse and microfluidic microscopy, we studied the mechanism governing the motion of protein aggregates and the long-term vertical transmission of prionoid aggregates for about 10 generations. Our results show clearly that Brownian diffusion governs the motion of protein aggregates and the diffusion coefficient depends on the molecule size. The amyloid proteinopathy study shows the existence of lineages propagating two kind of aggregates : globular or comet-like. Lineages maintaining globular aggregates present an increase of the aggregate size until inhibition of the growth rate while comet-like aggregates are mildly detrimental to growth. We observed also at low frequency in some lineages the presence of both aggregates and a switch between them. Glo- bular foci give born to comet-like aggregates.

Selon une vision populaire, l’évolution serait un processus de « progrès » qui s’accompagnerait d’un accroissement de la complexité moléculaire des êtres vivants. Cependant, les programmes de séquençage des génomes ont révélé l’existence d’espèces dont les lignées ont, au contraire, subi une réduction massive de leur génome. Ainsi, chez les cyanobactéries Prochlorococcus et Pelagibacter ubique, certaines lignées ont subi une réduction de 30% de leur génome. Une telle évolution « à rebours », dite évolution réductive, avait déjà été observée pour des bactéries endosymbiotiques, pour lesquelles la sélection naturelle n’est pas assez efficace pour éliminer les mutations délétères comme les pertes de gènes. Cela vient notamment du fait que ces bactéries endosymbiotiques subissent, à chaque reproduction de leur hôte, une réduction drastique de leur taille de population. Cette explication semble peu plausible pour des cyanobactéries marines comme Prochlorococcus et Pelagibacter, qui ont un mode de vie libre et qui font partie des bactéries les plus abondantes des océans. D’autres hypothèses ont ainsi été proposées pour expliquer l’évolution réductive comme l’adaptation à un environnement stable et pauvre en nutriments, des forts taux de mutation, mais aucun de ces hypothèses ne semble capable d’expliquer toutes les caractéristiques génomiques observées. Dans cette thèse, nous nous intéressons au cas de l’évolution réductive chez Prochlorococcus, pour laquelle de nombreuses séquences et données sont disponibles. Deux approches sont utilisées pour cette étude : une analyse phylogénétique des génomes de Prochlorococcus, et une approche théorique de simulation où nous testons différents scénarios évolutifs pouvant conduire à une évolution réductive. La combinaison de ces deux approches permet finalement de proposer un scénario plausible pour expliquer l'évolution réductive chez Prochlorococcus. / Given a popular view, evolution is an incremental process based on an increase of molecular complexity of organisms. However, some organisms have undergo massive genome reduction like the endosymbionts. In this case the reduction can be explained by the Muller’s ratchet due to the endosymbiont lifestyle with small population and lack of recombination. However, in some marine bacteria, like Prochlorococcus et Pelagibacter, lineage have undergo up to 30% of genome reduction. Their lifestyle is almost the opposite to the one of the endosymbionts and reductive genome evolution can not be easily explicable by the Muller’s ratchet. Some other hypothesis has been proposed but none can explain all the observed genomic characteristics. In the thesis, I am interested in the reductive evolution of Prochlorococcus. I used two approaches: a theoretical one using simulation where different scenarios are tested and an analysis of Prochlorococcus genomes in a phylogenetic framework to determine the causes and characteristics of genome reduction. The combination of these two approaches allows to propose an hypothetical evolutive history for the reductive genome evolution of Prochlorococcus.

Pendant les 20 dernières années, les astrocytes, un type de cellules cérébrales ayant été jusque là relativement ignoré des neuroscientifiques, ont peu à peu gagné en notoriété grâce à de multiples découvertes. Contrairement aux neurones, ces cellules ne transmettent pas de signaux électriques mais communiquent par des changements intracellulaires de leurs concentrations en calcium. Des découvertes récentes semblent indiquer que, loin d'agir en autarcie, les astrocytes répondent à l'activité neuronale et sembleraient, bien que cela soit plus débattu, moduler la transmission synaptique par le relargage de molécules spécifiques appelées `gliotransmetteurs' (en référence aux neurotransmetteurs). Comme les neurones, les astrocytes forment des réseaux et communiquent leur activité calcique par diffusion d'un astrocyte à l'autre, formant ainsi de véritables vagues de calcium intercellulaires. Deux réseaux, de neuronnes et d'astrocytes, cohabitent ainsi dans le cerveau ; mais, alors que les réseaux de neuronnes ont fait l'objet de recherches expérimentales et théoriques, les réseaux d'astrocytes restent encore mal connus. Ainsi, il n'a été découvert que très récement que la topologie de ces réseaux pourrait s'averer plus complexe que la vision qui dominait jusqu'alors : celle d'un syncitium astrocytaire dépourvu de spécificités topologiques. Les travaux présentés dans cette thèse portent principalement sur l'effet que ces différentes topologies pourraient avoir sur la signalisation calcique astrocytaire. En effet, autant au niveau subcellulaire qu'inter-cellulaire, les mécanismes gouvernant l'activité calcique des astrocytes restent mals connus. Même dans le cas le plus documenté de la réponse somatique des astrocytes à une stimulation neuronale, les caractéristiques précises que la stimulation doit avoir pour évoquer une réponse des astrocytes sont inconnues. Il en est de même pour la transmission de vagues de calcium dans des réseaux d'astrocytes : on ignore encore les possibles effets de la complexité récemment documentée des réseaux d'astrocytes sur la propagation de ces vagues. Enfin, au niveau subcelulaire, les astrocytes possèdent une morphologie ramifiée extrèmement complexe qui possède elle-même une activité calcique. Les travaux présentés dans cette thèse utilisent des outils de modélisation et de simulation afin de déterminer les répercussions que l'organisation en réseaux des astrocytes pourrait avoir sur leurs dynamiques calciques. En résumé, nous proposons que la topologie des réseaux d'astrocytes a (1) des répercussion au niveau cellulaire, modulant la réponse des astrocytes à des stimulations neuronales ; (2) contrôle la propagation de vagues de calcium inter-astrocytaire en la favorisant lorsque les réseau sont peu couplés ; (3) joue un rôle important dans l’apparition de phénomènes de résonance stochastique. / Over the last 20 years, astrocytes, a hitherto under-investigated type of brain cells, have gradually rose to prominence owing to multiple experimental discoveries. In contrast with neurons, these cells do not propagate electrical signals but communicate instead through changes in their intracellular calcium concentration. Recent discoveries indicate that, far from being isolated cells, astrocytes respond to neuronal activity and, although this is still controversial, seem to modulate synaptic transmission through the release of `gliotransmitter' molecules (in reference to neurotransmitters). Like neurons, astrocyte are organized in networks and communicate their calcium activity by intercellular diffusion of second messengers, forming intercellular calcium waves. Two networks, one of neurons and the other of astrocytes, thus coexist in the brain; while neuronal networks have been the subject of intense experimental and theoretical investigations, astrocyte networks have been much less investigated. Notably, it was only discovered recently that astrocyte network topology could be more complex than what the hitherto dominant view held (astrocytes organized in a syncytium deprived of any topological specificities). The work presented in this thesis is mainly related to the effect that different network topologies could have on astrocyte calcium signaling. The mechanisms that drive calcium signaling in astrocytes are, at both subcellular and intercellular levels, still not completely understood. Even in the best documented case of astrocyte somatic response to neuronal stimulation, the precise characteristic required from the stimulation to elicit an astrocytic response are still unknown. Similarly, the mechanisms governing intercellular calcium wave propagation in astrocyte networks are not fully known; notably, the effects of the recently documented network heterogeneity on calcium wave propagation have not been investigated. Finally, at the subcellular level, astrocytes display an extremely ramified and complex morphology that also hosts calcium activity. The work presented in this thesis make use of modeling and simulation in order to determine the possible effects of astrocyte network organization on their calcium signaling. We propose that astrocyte network topology: (1) controls single-cell responses to neuronal stimulation; (2) drives the propagation of intercellular calcium waves by favoring it when networks are weakly coupled; (3) can determine the appearance of stochastic resonance phenomena; (4) can be modulated by neuronal activity.

Les bactéries sont capables de communiquer entre elles afin de coordonner l’expression de certains gènes en fonction de leur densité de population. Ce système de communication utilise de petites molécules appelées autoinducteurs (AIs) comme messagers chimiques et est connu sous le nom de Quorum Sensing (QS). Chez les bactéries pathogènes, les gènes régulés sont, en particulier, ceux codant pour la production des facteurs de virulence et la structuration des biofilms. Ainsi des inhibiteurs du QS chez ces bactéries pourraient être de nouveaux agents anti-bactériens alternatifs aux antibiotiques actuels. Chez les bactéries à Gram-négatif, les AIs sont très majoritairement des acyl-homosérine lactones (AHLs). Utilisant deux approches, la conception rationnelle et le criblage virtuel, nous avons découvert cinq nouvelles familles d’antagonistes des AHLs, ainsi qu’un certain nombre d’agonistes. Nous avons également préparé des analogues d’antagonistes naturels de la famille des bromo-furanones, afin d’établir une étude structure-activité de ce type de composés. / The bacteria are able to communicate with each other for coordinating gene expression depending on their population density. This communication system use small molecules called autoinducers (AIs) as chemical messengers and is referred to as quorum sensing (QS). In pathogenic bacteria, the regulated genes are, in particular, those coding for the production of virulence factors and biofilms formation. Thus, inhibitors of bacterial QS could be used as new anti-bacterial agents providing an alternative to current antibiotics. In Gram-negative bacteria, the main AIs are acyl-homoserine lactones (AHLs). Using two approaches, rational design and virtual screening, we have discovered five new families of AHLs antagonists, and some agonists. We have also prepared analogues of natural bromo-furanones antagonists, in order to establish a structure-activity study of this type of compounds.

La symbiose est un phénomène ubiquitaire dans la nature et joue un rôle évolutif majeur. Alors que la communauté scientifique reconnaît désormais l’importance des associations symbiotiques dans de nombreux processus biologiques et pathologiques chez les animaux, la compréhension des mécanismes de contrôle, de tolérance et de modulation des populations symbiotiques est un enjeu majeur. Pour aborder ces questions, j’ai étudié l’association entre le charançon Sitophilus et la bactérie intracellulaire Sodalis pierantonius. Sitophilus héberge son endosymbiote dans des cellules spécialisées, les bactériocytes, regroupées en un organe, le bactériome. En retour, S. pierantonius fournit à son hôte des nutriments présents en faibles quantités dans son alimentation, les céréales. S. pierantonius étant immunogène pour son hôte, dans un premier chapitre, j’ai étudié les régulations immunitaires spécifiques au bactériome assurant le maintien de l’homéostasie immunitaire. J’ai dans un premier temps montré que la compartimentalisation des endosymbiotes, limitant les contacts immunitaires avec l’hôte, repose sur l’expression IMD-dépendante d’un peptide antimicrobien, une régulation similaire aux réponses immunitaires aux pathogènes. Ensuite, j’ai montré comment l’immunogénicité des endosymbiotes, via son peptidoglycane, est limitée par des Protéines de Reconnaissance du PeptidoGlycane (PGRP). Le peptidoglycane symbiotique ne semble pas être reconnu dans le bactériome, et sa reconnaissance systémique est contenue par l’action locale de PGRP-LB. Cette protéine clive le peptidoglycane symbiotique, empêchant ainsi l’activation chronique du système immunitaire systémique. Dans un deuxième chapitre, j’ai étudié comment, au cours de la métamorphose, le bactériome se réorganise complètement. Le bactériome larvaire se dissocie, les bactériocytes migrent le long de l’intestin et forment de multiples nouveaux bactériomes. Une approche de dual-RNAseq nous a permis de révéler l’implication à la fois de l’hôte et du symbiote dans ce remodelage morphologique. Les résultats obtenus durant cette thèse montrent l’impact incommensurable des bactéries sur des processus immunitaires et développementaux, et sur l’évolution des animaux en général. / Symbiosis is ubiquitous in nature and plays a crucial role in evolution. As the scientific community is becoming increasingly aware of the importance of such associations in both biological and pathological processes in animals, understanding how symbiotic populations are controlled, tolerated, and modulated, is becoming a major stake. To address these questions, I studied the mutualistic association between the weevil Sitophilus and the intracellular bacterium Sodalis pierantonius. Sitophilus houses S. pierantonius in specialized host cells, the bacteriocytes, which group together in an organ, the bacteriome. In return, S. pierantonius provides its host with nutrients scarecely present in its cereal-based diet. S. pierantonius being immunogenic for its host, I studied in a first chapter how specific bacteriome immune regulations ensure the maintenance of host immune homeostasis. In a first part, I showed that endosymbiont compartmentalization, which limits host-endosymbiont immune contacts, relies on the IMD-dependent expression of one antimicrobial peptide, a regulation similar to that of immune responses in pathogenic conditions. Then, I showed how endosymbiont immunogenicity, via its peptidoglycan, is tamed by PeptidoGlycan Recognition Proteins (PGRPs). While symbiotic peptidoglycan would not be recognized within the bacteriome, its systemic recognition is circumscribed by PGRP-LB local action. PGRP-LB cleaves symbiotic peptidoglycan, thereby preventing a chronical and detrimental activation of the host systemic immunity. In a second chapter, I studied how, during metamorphosis, the bacteriome is completely remodeled. The larval bacteriome dissociates, bacteriocytes migrate along the midgut, and settle in multiple new bacteriomes. A dual-RNAseq approach allowed us to pinpoint both host and symbiont implication in this drastic morphological reorganization. The results obtained during this PhD show the immeasurable impact bacteria bear on host immune and developmental processes, and more generally on animal evolution.

Les sphingolipides sont une famille de lipides membranaires dotés d'un rôle structural, influant sur les propriétés de la bicouche lipidique, mais ils agissent aussi comme des molécules effectrices au rôle essentiel dans de nombreux aspects de la biologie cellulaire. Les sphingolipides céramide, sphingosine et S1P ont des effets opposés: le céramide et la sphingosine inhibent la prolifération et promeuvent la réponse apoptotique à différents stimulus de stress, la S1P est un stimulateur de la prolifération et de la survie cellulaires. Le céramide peut être produit par la voie de synthèse de novo, et l'hydrolyse de la sphingomyéline membranaire catalysée par les sphingomyélinases. Ces deux voies peuvent être activées par la cytokine pro-inflammatoire TNFa, capable d’induire une perte musculaire et jouant un rôle crucial dans le développement de la cachexie. Nous avons fait l'hypothèse que le céramide, ou un de ses métabolites, peuvent être des médiateurs de la perte musculaire tumeur-induite. Nous avons examiné le rôle du céramide dans l'atrophie induite in vitro par le TNFa chez les myotubes, en utilisant des analogues de céramide et des inhibiteurs du métabolisme sphingolipidique. L'apport de céramides exogènes est capable de reproduire l'effet atrophique du TNFa, ce qui suggère que le céramide peut participer à l'atrophie musculaire. Pour vérifier si les céramides sont les médiateurs de l'atrophie induite par le TNFa, nous avons analysé l'effet d'inhibiteurs ciblant différentes étapes du métabolisme: l'inhibition de la voie de synthèse de novo est incapable de rétablir la taille des myotubes en présence de TNFa, alors que les inhibiteurs de sphingomyélinase neutre suppriment l'atrophie TNFa-induite. L’accumulation de céramide et de sphingosine augmente l’effet pro-atrophique, tandis que la S1P a un effet protecteur. Ces observations montrent que, dans les myotubes, le céramide, ou un métabolite produits par la voie de la sphingomyélinase neutre en réponse à une stimulation par le TNFa, participent à l'atrophie des cellules. Pour évaluer le rôle in vivo des sphingolipides, nous avons traité la souris BalbC porteuse d’un carcinome C26 avec myriocine, inhibiteur de la synthèse de novo, capable d'induire une déplétion du muscle en sphingolipides, Ce traitement protège partiellement les souris contre la perte de poids corporel et de poids des muscles induite par la tumeur, sans affecter la taille de celle-ci. De plus, la myriocine réverse significativement la perte de taille des fibres musculaires et réduit l'expression des atrogenes, ce qui montre qu'elle protège le muscle contre l'atrophie. Ces résultats suggèrent fortement que le céramide, ou un métabolite sphingolipidique en aval, est impliqué dans l'atrophie musculaire tumeur-induite. La voie des sphingolipides apparaît donc comme une nouvelle cible potentielle d'interventions pharmacologiques visant à protéger le tissu musculaire contre l'atrophie. / The sphingolipids are a family of membrane lipids with only a structural role, influencing lipid bilayer properties, but they also act as effector molecules with essential roles in many aspects of cell biology. The sphingolipids ceramide, sphingosine and S1P have shown opposite effects: whereas ceramide and sphingosine usually inhibit proliferation and promote apoptotic responses to different stress stimuli, S1P is known to stimulate cell growth, and promote cell survival. Ceramide can be produced through the de novo synthesis pathway, and by membrane sphingomyelin hydrolysis catalyzed by sphingomyelinases. Both pathways can be activated by the pro-inflammatory cytokine TNFa. Because this cytokine has been shown to promote muscle loss and seems to be crucial in the development of cachexia, we hypothesized that the formation of ceramide, or a metabolite, can be involved in tumor-induced muscle wasting. We investigated the role of ceramide in the in vitro atrophic effects of TNFa on differentiated C2C12 myotubes, by using cell permeant ceramides and inhibitors of sphingolipid metabolism. We observed that TNFa atrophic effects, as evaluated by the reduction in myotube area, are mimicked by exogenous ceramides, supporting the idea that ceramide can participate in muscle atrophy. To verify if ceramide is a mediator of TNFa-induced atrophy, and to identify the metabolites potentially involved, we analyzed the effects of drugs able to block sphingolipid metabolism at different steps: the inhibition of de novo synthesis pathway was unable to restore myotube size in the presence of TNFa whereas the inhibitors of neutral sphingomyelinases reversed TNFa-induced atrophy. Moreover, an accumulation of ceramide and sphingosine induced pro-atrophic effects, whereas sphingosine-1-phosphate had a protective effect. These observations establish that in C2C12 myotubes, ceramide or other downstream metabolites such as sphingosine, produced by the neutral sphingomyelinase pathway in response to TNFa stimulation, participate in cell atrophy. To evaluate the in vivo role of sphingolipids, we treated BalbC mice carrying C26 adenocarcinoma woth Myriocin, an inhibitor of the de novo pathway of ceramide synthesis, that is able to deplete muscle tissue in all sphingolipids, was administered daily to the animals. This treatment partially protected animals against tumor-induced loss of body weight and muscle weight, without affecting the size of tumors. Moreover, myriocin treatment significantly reversed the decrease in myofiber size associated with tumor development, and reduced the expression of atrogenes Foxo3 and Atrogin-1, showing that it was able to protect against muscle atrophy. These results strongly suggest that ceramide, or a downstream sphingolipid metabolite, is involved in tumor-induced muscle atrophy. The sphingolipid pathway thus appears as a new potential target of pharmacological interventions aiming at protecting muscle tissue against atrophy.

Le muscle squelettique fait preuve d'une remarquable plasticité en réponse aux changements physiologiques, comme l’activité physique, et aux situations pathologiques. Il subit notamment une atrophie sévère lors de la cachexie qui accompagne diverses pathologies chroniques comme le cancer, le SIDA, etc. L’atrophie musculaire est aussi une composante de la sarcopénie qui survient lors du vieillissement normal, et se caractérise par un déclin de la force et de la masse musculaire. L'atrophie musculaire, qui entraîne une augmentation de la mortalité et diminue l’efficacité des traitements, constitue donc un problème de santé majeur.La fonte musculaire se caractérise par une altération de l’équilibre entre synthèse et dégradation protéiques dans les fibres adultes. Des taux particulièrement élevés de cytokines circulantes, dont le TNFα, qui affectent l’homéostasie du muscle via différentes voies de signalisation, semblent être à l’origine de l'atrophie. Les mécanismes de la réponse atrophique musculaire à ces taux circulants élevés sont cependant mal définis. Le TNFα a des effets complexes. Il peut activer de multiples voies de signalisation, parmi lesquelles l'induction de la synthèse de sphingolipides, et plus particulièrement de céramides, par la voie de novo et par l'activation des sphingomyélinases. Au niveau musculaire, les céramides sont connus pour leurs effets sur la signalisation de l'insuline, sur l'apoptose et sur la différenciation myogénique. Par contre, leur implication dans le cadre de l'atrophie n'avait jamais été prise en compte. L’objectif de ce travail a été dans un premier temps de démontrer le rôle des céramides dans l’atrophie. Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé la voie de signalisation par laquelle l’augmentation intramusculaire de céramide induite par le TNFα aboutit à une chute de la synthèse protéique, couplée à une augmentation de la protéolyse. Dans ce but, nous avons mis au point des modèles in vitro d'atrophie, impliquant des myotubes traités par des concentrations physiologiques de TNF. Nous avons en parallèle étudié un modèle in vivo de cachexie induite chez la souris par l'implantation d’un adénocarcinome C26. L’analyse des sphingolipides nous a permis de montrer l’augmentation des taux de céramides concomitante à l’atrophie générée in vitro et in vivo. Le rôle des céramides dans l’atrophie a été démontré par l’effet protecteur des inhibiteurs de leur synthèse, dans les modèles in vitro et in vivo. Nous montrons de plus dans un modèle in vitro que les effets atrophiques des céramides sont dus à l’inhibition de la voie de signalisation Phospholipase D/mTOR/Akt. Nos résultats nous ont permis de prouver le rôle des sphingolipides dans le contrôle de l’homéostasie protéique du muscle. La modulation du métabolisme des sphingolipides apparaît donc comme une nouvelle cible thérapeutique prometteuse dans le traitement de la perte musculaire associée à diverses pathologies. / Skeletal muscle demonstrated a remarkable plasticity in response to physiological changes, such as physical activity, and pathological situations. He suffered such severe atrophy during cachexia that accompanies various pathologies such as cancer, AIDS, etc.. Muscle atrophy is also a component of sarcopenia that occurs during normal aging, and is characterized by a decline in strength and muscle mass. Muscle atrophy, which leads to increased mortality and decreased treatment efficacy, thus constitutes a health problem majeur.La muscle wasting is characterized by an impaired balance between protein synthesis and degradation in adult fibers. Particularly high levels of circulating cytokines, including TNF, which affect muscle homeostasis via different signaling pathways appear to be the cause of atrophy. Mechanisms of muscle atrophy response to these elevated circulating levels are however unclear. TNFa has complex effects. It may activate multiple signaling pathways, including the induction of the synthesis of sphingolipids, especially ceramides, for the de novo pathway and the activation of sphingomyelinases. In muscle, ceramides are known for their effects on insulin signaling on apoptosis and myogenic differentiation. By cons, their involvement in the context of atrophy was never taken into account. The objective of this work was firstly to demonstrate the role of ceramides in atrophy. In a second step, we characterized the signaling pathway by which increased intramuscular ceramide induced by TNF leads to a fall in protein synthesis, coupled with an increase in proteolysis. For this purpose, we have developed in vitro models of atrophy involving myotubes treated with physiological concentrations of TNF . We studied in parallel an in vivo model of cachexia induced in mice by implantation of adenocarcinoma C26. Analysis of sphingolipids we showed increased levels of ceramide concomitant atrophy generated in vitro and in vivo. The role of ceramide in atrophy has been demonstrated by the protective effect of inhibitors of their synthesis in the in vitro and in vivo. We show further in an in vitro model that atrophic effects of ceramides are due to inhibition of phospholipase D signaling pathway / mTOR / Akt. Our results allowed us to prove the role of sphingolipids in the homeostatic control of muscle protein. Modulation of sphingolipid metabolism appears to be a promising new therapeutic target in the treatment of muscle wasting associated with various pathologies.