La découverte et l'application de produits naturels bioactifs en médecine humaine continuent d'attirer l'attention des scientifiques. De plus en plus de données montrent que les produits naturels ayant une valeur médicinale ont un taux de réussite plus élevé que les drogues purement synthétiques. En plus, les produits naturels bioactifs possèdent des propriétés stéréochimiques complexes qui compliquent leur synthèse totale en laboratoire. Il existe donc un effort soutenu pour découvrir de nouvelles voies de biosynthèse de produits naturels provenant de différents environnements et/ou de producteurs naturels afin d'obtenir une bioactivité plus efficace ou nouvelle. De tels efforts sur des bactéries ont révélé que le métabolisme secondaire riche de Streptomyces produit les deux tiers des produits bactériens naturels connus ayant une valeur médicinale. Les enzymes liant la flavine sont connues pour jouer un rôle crucial dans la catalyse de réactions uniques et difficiles dans plusieurs voies de biosynthèse de produits naturels chez les bactéries, les champignons et les plantes. Récemment, nos collaborateurs ont élucidé les voies de biosynthèse menant aux produits naturels piericidine et à la xiamycine. Ces voies contiennent deux flavoenzymes intéressantes, PieE et XiaI, qui catalysent les réactions de monooxygénation impliquant certaines similitudes et certaines différences. Ce projet de thèse a été conçu pour étudier les propriétés structurelles et fonctionnelles sous-jacentes à ces deux flavoenzymes en utilisant la cristallographie aux rayons X et des dosage enzymatiques comme méthodes principales. PieE est classé en tant que monooxygénase dépendante de la flavine à un composant, par opposition à XiaI, qui est une monooxygénase à liaison à la flavine à deux composants. Naturellement, PieE utilise deux sous-sites distincts pour la réduction de la flavine (position OUT) et son utilisation ultérieure en monooxygénation (position IN). Nous observons en effet cette dynamique dans nos structures et ceci a également été rapporté auparavant pour d'autres protéines apparentées dans le groupe A des monooxygénases flavine-dépendantes. Cependant, une étude systématique des différentes structures cristallines de PieE en complexe avec flavin adenine nucleotide (FAD) et avec son substrat ainsi que d'autres monooxygénases flavine-dépendantes du groupe A nous a permis d'identifier la position «glissante» de FAD qui relie les positions OUT et IN qui n'avait pas été signalée auparavant. De plus, une analyse minutieuse de la structure de PieE et des enzymes qui s'y rapportent nous a amenés à identifier la présence d'un ion chlorure que l'on trouve près de la position IN de ces enzymes et qui avait déjà été confondu avec une molécule d'eau. Cet ion chlorure semble verrouiller la flavine dans cette position IN et inhiber sa réduction, comme le confirment les dosages enzymatiques en présence ou en l'absence de celle-ci. D'autre part, XiaI interagit avec la flavine d'une manière totalement différente. XiaI et les enzymes apparentées ont une plus grande affinité pour la flavine réduite par rapport à la flavine oxydée. Les déterminants structurels dictant cette différence n'avaient pas été observés auparavant. En déterminant la structure cristalline aux rayons X de XiaI dans différentes conditions réductrices, nous avons pu observer des changements significatifs dans les éléments de structure secondaire locaux de la protéine. Ces changements incluent la «fusion» d'une hélice C-terminale qui semble non seulement «ouvrir» le site de liaison de la flavine, mais également déclencher une structuration à l'échelle du tétramère des régions de boucle moyenne de la protéine. Ces événements semblent conduire à la réorganisation du site catalytique de l'enzyme. Nous avons également observé un mouvement de la région de boucle F123 avec un rôle potentiel d'accueil ou d'éjection de la flavine. Ces observations appellent des recherches plus approfondies sur la dynamique de XiaI et des enzymes de liaison à la flavine à deux composants apparentés en relation avec leur interaction différentielle avec le cofacteur de la flavine. Globalement, nous avons observé des évènements structurels uniques chez PieE et XiaI après la liaison avec leur substrat ou leur cofacteur. Ces observations soulignent l'importance de déterminer les structures cristallines et la activité d'une même protéine dans différentes conditions pour attraper des instantanés de possibles mouvements dynamiques fonctionnels qui pourraient autrement être manqués. Nos résultats fournissent les bases d'une étude plus approfondie de la dynamique dans ces deux systèmes, qui concerne d'autres protéines ayant une dynamique similaire mais des fonctions différentes. / The discovery and application of bioactive natural products in human medicine continues to attract scientific interest. Increasing amount of data show that natural products of medicinal value have more hit-rates than purely synthetic molecules and usually show complex stereo chemical properties that complicate their total laboratory synthesis. Hence, there is a sustained effort to discover new natural product biosynthetic pathways from different environments and/or natural producers to obtain more efficient or new bioactivities. Such efforts in bacteria revealed that the rich secondary metabolism of Streptomyces produces two-third of known bacterial natural products of medicinal value. Flavin-binding enzymes are known to play a crucial role in catalyzing unique and challenging reactions in numerous natural product biosynthetic pathways in Streptomyces, fungi and plants. Recently, our collaborators elucidated the biosynthetic pathways leading to the synthesis of piericidin A1 and xiamycin. The pathways contain two interesting flavoenzymes, PieE and XiaI that catalyze monooxygenation reactions involving some similarities and certain differences. This doctoral project was designed to investigate the underlying structural and functional properties of these two flavoenzymes using X-ray crystallography and enzymatic assays as the main experimental approaches. PieE is classified as a one-component flavin-dependent monooxygenase as opposed to XiaI which is a two-component flavin-binding monooxygenase. Naturally, PieE uses two distinct sub-sites forthe reduction of flavin (OUT position) and its subsequent use in monooxygenation (IN position). We indeed observed this dynamics in our structures and this has also been reported before for other related proteins in the group A flavin-dependent monooxygenases. However, a systematic investigation of different crystal structures of PieE in complex with FAD and with its substrate as well as other group A Flavin-dependent monooxygenases enabled us to identify a "sliding" position of FAD that bridges the OUT and IN positions that had not been reported before. Moreover, a careful analysis of the structure of PieE and related enzymes has led us to identify the presence of a chloride ion that is found near the IN position of these enzymes that has at times been mistaken for a water molecule in other group A monooxygenases. This chloride ion seems to lock the flavin in this IN position and inhibit its reduction as confirmed by enzymatic assays in its presence or absence. On the other hand, XiaI interacts with flavin in a totally different manner. XiaI's close relatives were reported to have higher affinity to reduced flavin compared to the oxidized one. The structural determinants dictating this difference have not been reported before. By determining the X-ray crystal structure of XiaI under different reducing an aerobic conditions, we were able to observe significant changes in local secondary structure elements of the protein. These changes include "melting" of a C-terminal helix that seems to not only "open up" the flavin binding-site but also to trigger a tetramer-wide structuring of middle loop regions of the protein. These events seem to lead to the reorganization of the catalytic site of the enzyme. We have also observed movement of the F123 loop region with a potential role of flavin welcoming or ejection. These observations call for further investigation of the dynamics in XiaI and related two-component flavin-binding enzymes in relation to their differential interaction with the flavin cofactor. Overall, we have observed unique structural events in both PieE and XiaI that follow substrate or cofactor binding. These observations point to the importance of determining crystal structures and activity of the same protein in different conditions to trap snap-shots of possible functional dynamic movements that could otherwise be difficult to predict. Our results lay the ground for further study of dynamics in both these systems as it relates to other proteins with similar dynamics but different functions.

Le lactosucrose est un trisaccharide synthétisé par la bioconversion du lactose et du saccharose en utilisant la β-galactosidase à partir d’Aspergillus oryzae. La production industrielle du lactosucrose est onéreuse à cause du coût élevé des enzymes, d’où le recours à immobiliser ces enzymes. Dans cette optique, sept différents matériaux siliceux mesostructurés ont été utilisés pour immobiliser la β-galactosidase, en utilisant le glutaraldhéyde. La majorité des matériaux présente une bonne activité. Cependant, l’enzyme immobilisée sur la silice en forme de mousse montre un rendement maximal, dépassant celui de l’enzyme libre. En plus, un rendement équivalent à 75% de celui obtenu à la première utilisation du matériau est maintenu pour la plupart des biocatalyseurs, après un 5ème recyclage. Une concentration équimolaire de 60% entre les substrats, un pH de 5 et une température de 40°C se sont révélés optimaux pour la production du lactosucrose qui a atteint une concentration de 76,27 g/L. / Les oligosaccharides sont des glucides qui modulent la flore colique et améliorent l’équilibre de la santé humaine. Ils sont largement utilisés comme prébiotiques. Le lactosucrose est un oligosaccharide qui attire de plus en plus le milieu scientifique et industriel. Il est un trisaccharide (Glucose-Fructose-Galactose), non digestible avec un pouvoir sucrant faible. Ce trisaccharide peut être synthétisé par voie enzymatique, via la bioconversion du lactose et du saccharose, et ceci en utilisant la levansucrose, la fructofuranosidase ou la β-galactosidase. Durant ce travail, la β-galactosidase extraite à partir d’Aspergillus oryzae a été utilisée pour synthétiser le lactosucrose. Dans un premier temps, et afin d’optimiser le rendement en lactosucrose, nous avons étudié différents paramètres avec l’enzyme libre. Une concentration équimolaire de 60% entre le lactose et le saccharose, un pH de 5 et une température de 40°C se sont révélés optimaux pour la production du lactosucrose. L’optimum est obtenu avec un rendement de 25% (76,27 g/L) en lactosucrose. Un sous-produit a été isolé, il s’agit d’un autre oligosaccharide (tetrahexose) avec une concentration de 14,52 g/L. La production actuelle du lactosucrose et d’autres oligosaccharides à l’échelle industrielle est onéreuse due au coût élevé des enzymes, d’où le recours à immobiliser celles-ci pour pouvoir les recycler et les réutiliser et par conséquent, minimiser les coûts de production. Dans cette deuxième partie, nous avons utilisé sept différents matériaux siliceux pour immobiliser l’enzyme (β-galactosidase d’Aspergillus oryzae) en utilisant le glutaraldéhyde (GA) comme agent de ‘cross-linking’, et effectuer la réaction de transglycosylation par la suite dans une approche hétérogène et comparer le rendement de la réaction avec celui de l’enzyme libre (approche homogène). Les matériaux synthétisés ont différentes tailles de pores qui varient de 5 à 24 nm et aussi différentes formes poreuses (hexagonale, cubique, sphérique, forme d’oignon, etc.). Cette différence de taille et de forme a affecté énormément la rétention enzymatique par ces matériaux ainsi que le rendement de la réaction en phase hétérogène. La majorité des matériaux synthétisés présentent une bonne activité. Cependant, l’enzyme immobilisée sur la silice en forme de mousse (MCF) montre un rendement maximal, qui dépasse celui obtenu par l’enzyme libre, ce qui confirme que l’immobilisation d’enzyme sur des supports siliceux mesostructurés peut conférer à l’enzyme des conditions réactionnelles améliorées afin d’augmenter sa stabilité et par conséquent sa performance. Le recyclage de ces biocatalyseurs a été effectué 5 fois successives. Le rendement obtenu à la 5ème régénération est équivalant à plus que 80% du rendement initial pour la majorité des matériaux testés.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La rose est l'une des plantes ornementales les plus populaires, dont les composés volatils sont non seulement impliqués dans les interactions des fleurs avec l’environnement au sens large, mais aussi largement utilisés dans l’industrie des arômes et parfums. Le chapitre 1 décrit l'histoire de la culture de la rose, les usages de son parfum, les connaissances actuelles sur la biosynthèse des composés de ce parfum, ainsi que les voies de biosynthèse des composés volatils qui ont été récemment élucidées chez différentes plantes. Les chapitres expérimentaux 2 et 3 analysent les fonctions de deux gènes exprimés dans les pétales de rose. Ils codent pour des protéines Nudix hydrolase 1 (NUDX1). Le gène NUDX1-1 (nommé RhNUDX1 dans la publication) a été découvert en comparant les transcriptomes de deux cultivars de rose, Rosa x hybrida cv. 'Papa Meilland' (PM) très parfumé et R. x hybrida cv. 'Rouge Meilland' (RM), dépourvu de parfum. Le gène RhNUDX1-1 n'est exprimé que chez PM et son expression est corrélée avec la production de monoterpènes dans les pétales, en particulier de géraniol. Lors de l'étude d'une descendance issue du croisement de R. chinensis cv. ‘Old Blush’ (OB) et de R. x wichurana (Rw), le gène orthologue RcNUDX1-1a, présentant la même fonction, a été caractérisé chez OB. Un gène paralogue, RwNUDX1-2, a été découvert chez Rw et il a été démontré que son expression présentait une corrélation avec la production sesquiterpènes, en particulier de E,E-farnesol. Une série d'analyses in vitro et in vivo ainsi qu'une analyse de corrélation ont permis de vérifier la fonction de RhNUDX1-1, qui hydrolyse le géranyl diphosphate (GPP) en géranyl monophosphate (GP). Une phosphatase non identifiée pourrait catalyser la transformation du GP en géraniol. Des expériences de fusion avec la Green Fluorescent Protein (GFP), suivies de transformation transitoire de feuilles de tabac, ont révélé que RhNUDX1-1 était localisée dans le cytoplasme. Les mêmes approches (analyses QTL, essais enzymatiques et expression transitoire) ont également été appliquées à RwNUDX1-2, démontrant sa fonction dans la production de E,E-farnesol. La cartographie de RwNUDX1-2 et la localisation subcellulaire de la protéine sont encore à l'étude. De plus, la cristallographie des protéines et la modélisation ont été employées pour étudier le mécanisme de l'interaction NUDX1-substrat et les acides aminés potentiellement importants pour la reconnaissance du substrat. Collectivement, ces données révèlent une voie alternative pour la biosynthèse des terpènes, en particulier le géraniol et E,E-farnesol, via l'hydrolyse des prényl diphosphates par les enzymes NUDX1. Nos résultats montrent que la production de composés volatils dans les pétales est fortement corrélée avec l’expression des gènes des voies de biosynthèse. Par conséquent, la régulation transcriptionnelle de RcNUDX1-1a et RwNUDX1-2 joue probablement un rôle important dans la production de parfum. Les promoteurs de RcNUDX1-1a, RcNUDX1-1b, et RwNUDX1-2 et deux facteurs de transcription (FT), RcbHLH79 (OB TF) et RwbHLH79 (Rw TF) ont ainsi été isolés et testés (Chapitre 4). Les FT candidats ont été choisis lors d’une analyse RNA-Seq (Chapitre 5). En utilisant des tests d'expression transitoire avec le gène rapporteur GUS (β-glucuronidase) dans les pétales de rose, il a été montré que les trois promoteurs pouvaient entraîner l'expression de GUS. Les deux FT ont ensuite été introduits dans des feuilles de tabac avec les promoteurs testés, pour voir s'ils étaient capables d'activer ces promoteurs. Aucune transactivation significative n'a été détectée, même si Rw TF semblait pouvoir activer une construction témoin (promoteur du gène de la tomate TPS5. Les transcriptomes de quatre cultivars de rose, dont deux produisent du géraniol mais pas de E,E-farnesol et deux autres produisent du E,E-farnesol mais pas de géraniol, ont été analysés (Chapitre 5) et ont abouti à une liste de FT putatifs pour une étude plus approfondie / Roses are one of the most popular ornamental plants, whose volatiles are not only involved in environmental interactions but also widely used for industries. Chapter 1 describes the cultivation history of roses, usages of rose fragrance, knowledge on the biosynthesis of rose scent compounds, as well as non-canonical biosynthesis pathways of other plant volatiles. Experimental chapters (Chapter 2 and 3) analyse the functions of two genes expressed in rose petals, both encoding Nudix hydrolase 1 (NUDX1) protein. NUDX1-1 gene (named RhNUDX1) was first discovered by comparing the transcriptomes of two rose cultivars, the scented Rosa x hybrida cv. ‘Papa Meilland’ (PM) and the unscented R. x hybrida cv. ‘Rouge Meilland’ (RM). RhNUDX1-1 was only expressed in scented PM and its expression exhibited a positive correlation with the monoterpenoid production in petals, especially geraniol. When studying a rose progeny of R. chinensis cv. ‘Old Blush’ (OB) and R. x wichurana (Rw), an orthologous gene RcNUDX1-1a was found in OB, whose expression also had positive correlation with geraniol emission. A paralogous gene in Rw, RwNUDX1-2, was discovered and it was shown that its expression displayed a correlation with the sesquiterpenoid production, especially E,E-farnesol. A series of in vitro and in vivo assays as well as correlation analyses verified the function of RhNUDX1-1, which hydrolysed geranyl diphosphate (GPP) to geranyl monophosphate (GP). The transformation of GP into geraniol is supposed to be processed by an, as yet, unidentified phosphatase. The prediction of the localisation together with green fluorescent protein (GFP) fusion experiments revealed that RhNUDX1-1 was located in the cytosol. A series of approaches (QTL analyses, enzymatic assays and transient expression studies) were also applied to RwNUDX1-2, demonstrating its function in the production of E,E-farnesol. Mapping of RwNUDX1-2 and subcellular localization of the protein are still under investigation. Furthermore, protein crystallography and protein modelling illustrated the NUDX1-substrate interaction and proposed several residues that may be important for substrate recognition, although further experimental and computational data are required to gain more insight into the enzymatic mechanism. Collectively, these data revealed an alternative pathway for the biosynthesis of terpenoids, especially geraniol and E,E-farnesol, in rose, via the hydrolysis of prenyl diphosphates by NUDX1 enzymes. Transcriptional regulation of RcNUDX1-1a or RwNUDX1-2 probably plays an important role in the scent production by rose petals. Therefore, three promoters, pOB1a (promoter of RcNUDX1-1a), pOB1b (promoter of RcNUDX1-1b, not expressed in rose petals), pRw (promoter of RwNUDX1-2) were cloned and tested (Chapter 4). In addition, two transcription factors (TFs), RcbHLH79 (OB TF) and RwbHLH79 (Rw TF) candidates were chosen via RNA-Seq analysis as their expression correlated with expression of RcNUDX1-1a or RwNUDX1-2, respectively (Chapter 5). Using transient expression assays with a reporter gene, β-glucuronidase (GUS) in rose petals, it was shown that all three promoters could drive the expression of GUS, suggesting that all of them are active. However, quantification of promoter activities is still needed. OB TF and Rw TF were introduced into Nicotiana benthamiana leaves together with the promoters driving GUS , to determine if they were able to activate these promoters. However, no significant transactivation was detected in any promoter-TF combination. The expression of the TF in the progeny was also analysed but, due to the similarity of the sequences of family members, no conclusive data were obtained. Transcriptomes of the petals four roses, two of which produce geraniol but not E,E-farnesol and two that produce E,E-farnesol but not geraniol, were analysed (Chapter 5) and this resulted in a list of putative scent related genes and transcription factors for further study

Les gibbérellines (GA) sont une classe de phytohormones modulant différents aspects du développement des plantes. La biosynthèse des GA est catalysée par l’activité de différentes classes d’enzymes permettant la formation des formes bioactives. Si les mutants de biosynthèse sont nains, un excès de l’hormone provoque croissance excessive et stérilité. Ainsi, les plantes ont développé des mécanismes efficaces leur permettant de maintenir une concentration optimale de GA bioactives. Un niveau supplémentaire de régulation peut être constitué par une séparation spatiale de la biosynthèse dans différents types cellulaires et organes. A l’aide d’approches variées, nous démontrons qu’une forme intermédiaire est mobile sur de longues distances. Ce transport s’effectue à travers les vaisseaux vasculaires de la plante, et pourrait impliquer des transporteurs. Ensembles, nos résultats révèlent la nature et les propriétés biologiques du transport de GA sur de longues distances chez Arabidopsis. / Gibberellins (GA) are a class of diterpenoid hormones regulating major aspects of plant growth. GA biosynthesis from GGDP is catalyzed by the activity of different classes of enzymes leading to the formation of the active forms of GA. Thus GA biosynthesis mutants are dwarfs and late flowering, while GA overdose causes excessive growth and sterility. Therefore plants have evolved efficient mechanisms to maintain optimal levels of bioactive GA. However, an additional level of regulation may reside in the separation of the GA biosynthetic pathway into distinct cell types and organs. Through micro-grafting, genetic and biochemical approaches, we demonstrate that a GA intermediate is mobile over long distances in Arabidopsis. Moreover, this transport occurs through vascular tissues of the plant, and may involve specific transporters. Altogether, our results reveal the nature and the biological properties of GA long distances transport in Arabidopsis.

Les cyanobactéries des genres Microcystis et Planktothrix sont des micro-organismes capables de proliférer dans de nombreux plans d'eau douce. Ces proliférations sont associées à des risques pour la santé humaine et animale en raison de la production de produits naturels, parmi lesquels des toxines. Ces molécules présentent une diversité de structure chimique de d'activités biologiques d'intérêt pour l'industrie pharmaceutique et biotechnologique. Nous avons revisité le potentiel en produits naturels de Microcystis et Planktothrix. Par des approches complémentaires de biologie moléculaire, génomique et transcriptomique, nous avons caractérisé des gènes impliqués dans la synthèse de ces produits naturels ainsi qu'exploré leur évolution et la régulation de leur expression. Ces travaux ont permis de mettre à jour une distribution, des évènements évolutifs et des profils d'expression surprenants et permettent d'envisager de nouvelles applications pour les produits naturels. / Microcystis and Planktothrix are cyanobacterial genus commonly proliferating in freshwater ecosystems. These blooms are associated with human and animal health threat because of synthesis of natural products and cyanotoxins. These compounds are of great chemical diversity and of interest for biotechnological and pharmaceutical applications. We revisited the natural products potential of Microcystis and Planktothrix. Combining molecular biology, genomics and transcriptomics investigations, we characterized natural products gene clusters. We studied their distribution, evolution and transcription as well. This work uncovered new distribution pattern, evolutionary events and unexpected expression patterns. These insights will allow new investigations and applications for cyanobacterial natural products.

Le palmier à huile, Elaeis guineensis (Eg), produit deux huiles d’une importance économique majeure, l’huile de palme et l’huile de palmiste, extraites respectivement du mésocarpe et de l’albumen. Alors que l’acide laurique (12:0) prédomine dans l’huile de l’albumen, les acides gras (AG) majoritaires de l’huile du mésocarpe sont les acides palmitique (16:0) et oléique (18:1). Par ailleurs, la teneur en huile à maturité est très différente entre ces tissus. Dans la première partie de ce travail, leur transcriptome a été comparé afin d’identifier les mécanismes qui gouvernent leurs différences de composition lipidique. Les contributions des voies plastidiale et cytosolique de la glycolyse diffèrent considérablement entre le mésocarpe et l’albumen. L’accumulation de 12:0 repose sur la surexpression d’un paralogue codant pour une isoforme spécialisée d’acyl-ACP thioestérase (FatB), et le recrutement concerté d’isoformes spécifiques des enzymes impliquées dans l’assemblage des triacylglycérols. Trois paralogues du facteur de transcription (FT) WRI1 ont été identifiés, parmi lesquels EgWRI1-1 et EgWRI1-2 sont transcrits massivement dans respectivement le mésocarpe et l’albumen. Les changements de composition lipidique de feuilles de tabac agro-infiltrées avec plusieurs combinaisons des paralogues de FatB et de WRI1 identifiés valident leur fonction.Le palmier à huile Américain, E. oleifera (Eo), accumule aussi de l’huile dans le mésocarpe, mais en quantité moindre que chez Eg. La composition en AG de l’huile est également très différente entre Eg et Eo, notamment la teneur en 16:0 qui est deux fois moins élevée chez Eo que chez Eg. Dans la deuxième partie de ce travail, des analyses de coexpression génique, des mesures de l’expression allélique spécifique et des analyses multivariées conjointes de données transcriptomiques et lipidiques, ont été conduites dans une population d’hybrides rétrocroisés entre Eg et Eo. Le réseau de coexpression génique construit révèle une coordination transcriptionnelle étroite entre la voie plastidiale de la glycolyse, le métabolisme de l’amidon, des voies de recapture du carbone, la perception des sucres et la synthèse des AG. La biogénèse des plastes et le transport auxinique sont les deux autres processus les plus étroitement reliés à la synthèse des AG. En plus de WRI1, deux nouveaux FT, appelés NF-YB-1 et ZFP-1, ont été trouvés au cœur du module de synthèse des AG. Les analyses de coexpression identifient également de nouveaux gènes potentiellement impliqués dans la synthèse des lipides. Enfin, la teneur en 16:0 de l’huile semble principalement contrôlée par le niveau de transcription du gène codant pour la beta-kétoacyl-acyl carrier protein (ACP) synthase, qui catalyse l’élongation du 16:0-ACP en 18:0-ACP dans le plaste.Enfin, la troisième partie de ce travail vise à explorer les relations entre la composition lipidique des graines, d’une part, et des paramètres phylogénétiques, biogéographiques et écologiques, d’autre part, au sein de la famille des Arécacées. La teneur en lipides et la composition en AG ont été caractérisées chez 177 espèces de palmiers, révélant une diversité considérable à l’intérieur de cette famille. Les espèces dont les graines accumulent le plus d’huile appartiennent à la tribu Cocoseae. En revanche, des espèces qui accumulent du 12:0 existent dans toutes les tribus. Les analyses multivariées basées sur la composition en AG regroupent de manière satisfaisante les espèces appartenant à une même tribu. Cependant, ces classifications présentent une topologie qui concorde peu avec la phylogénie. Aucune association claire n’a été identifiée entre les paramètres biogéographiques et écologiques et la composition en AG. Néanmoins, une corrélation significative entre la teneur en AG insaturés et l’altitude maximale de l’aire d’origine a été trouvée dans certaines tribus. / Oil palm, Elaeis guineensis (Eg) produces two oils of major economic importance, commonly referred to as palm oil and palm kernel oil, extracted from the mesocarp and the endosperm, respectively. While lauric acid (12:0) predominates in endosperm oil, the major fatty acids (FA) of mesocarp oil are palmitic (16:0) and oleic (18:1) acids. In addition, the two tissues display high variation for oil content at maturity. In the first part of this PhD work, tissue transcriptome and lipid composition were compared during development to gain insight into the mechanisms that govern such differences in oil content and FA composition. The contribution of the cytosolic and plastidial glycolytic routes differs markedly between the mesocarp and seed tissues. Accumulation of lauric acid (12:0) relies on the dramatic upregulation of a specialized acyl-ACP thioesterase paralog and the concerted recruitment of specific isoforms of triacylglycerol assembly enzymes. Three paralogs of the WRI1 transcription factor were identified, of which EgWRI1-1 and EgWRI1-2 were massively transcribed during oil deposition in the mesocarp and the endosperm, respectively. Changes in triacylglycerol content and FA composition of Nicotiana benthamiana leaves infiltrated with various combinations of WRI1 and FatB paralogs from oil palm validate functions inferred from transcriptome analysis.The American oil palm, E. oleifera (Eo), also stores oil in the mesocarp, but in lower amount than in Eg. Mesocarp oil fatty acid (FA) composition also differs considerably between Eg and Eo, especially the 16:0 content which is two-times lower in Eo than in Eg. In the second part of this work, the mechanisms that govern oil synthesis and FA composition in the two species were investigated. Gene-to-gene coexpression analysis, quantification of allele-specific expression, and joint multivariate analysis of transcriptomic and lipid data, were carried out in an interspecific backcross population between Eg and Eo. The gene coexpression network built reveals the tight transcriptional coordination of the plastidial glycolytic route, starch metabolism, carbon recapture pathways and sugar sensing with fatty acid synthesis (FAS). Plastid biogenesis and auxin transport are the two other biological processes the most tightly connected to FAS in the network. In addition to WRI1, two novel TFs, termed NF-YB-1 and ZFP-1, were found at the core of the FAS module. Coexpression analysis also identifies novel genes likely involved in lipid biosynthesis pathways. Finally, the level of 16:0 in oil seems primarily controlled by the level of transcription of the gene coding for beta-ketoacyl-acyl carrier protein (ACP) synthase II, which catalyzes the elongation of 16:0-ACP to 18:0-ACP in the plastid.Finally, the third part of this work aimed to explore relationships between seed lipid composition on one hand, and phylogenetic, biogeographic and ecological parameters on the other, in the family Arecaceae. Oil content and FA composition were characterized for 177 species of the palm family, revealing a considerable intra-family diversity for seed lipid composition. Species whose seeds store the highest amounts of oil belong to the tribe Cocoseae. By contrast, species that accumulate 12:0 in their seeds occur in all tribes. Multivariate analyses based on FA composition satisfactorily group species belonging to the same tribe. However, only a few of the groups display topologies that are congruent with phylogenetic data. No clear associations were identified between biogeographic and ecological traits and FA composition. However, a tribe-dependent significant correlation was observed between unsaturated FA content and maximum elevation in native area.

Mycobacterium tuberculosis (M.tb) l'agent étiologique de la tuberculose infecte un tiers de la population mondiale avec 9 millions de nouveaux cas et 1.5 millions de décès chaque année. La capacité de la bactérie à persister dans son hôte ainsi que l'apparition croissante de souches multi-résistantes voire totalement résistantes expliquent ces statistiques dramatiques. La découverte de nouveaux traitements à travers une meilleure connaissance de la physiologie et des programmes génétiques adaptatifs du pathogène est donc une priorité mondiale. M.tb est un bacille à Gram+ avec une enveloppe particulière caractérisée par une membrane externe (la mycomembrane) essentielle à sa viabilité et sa virulence. Cette membrane est constituée majoritairement d'acides mycoliques (AMs), des acides gras à très longues chaînes modifiés par l'introduction de groupements fonctionnels. Bien qu'à ce jour la biosynthèse des AMs est relativement bien caractérisée d'un point de vue biochimique, certaines données nécessitent d'être confirmées in vivo, de même qu'il existe peu d'information sur la régulation et la contribution des gènes de biosynthèse à la capacité adaptative des mycobactéries. Une trentaine de gènes sont impliqués dans la biosynthèse des AMs dont hadA, hadB et hadC codant pour une réaction de déshydratation essentielle. Il a été démontré biochimiquement que HadB porte l'activité catalytique et que HadA et HadC apportent la spécificité de substrats. Au cours de ma thèse, par une approche génétique, nous avons montré que seule HadB était essentielle à la viabilité mais que HadA et HadC bien que non essentielles jouaient un rôle majeur dans la physiologie, la capacité adaptative et la virulence des mycobactéries, en relation avec leur rôle dans la structure des AMs. Ces résultats avaient non seulement confirmé les données biochimiques quant au rôle de HadC dans la biosynthèse des AMs, mais également souligné l'intérêt d'une stratégie de lutte basée sur l'affaiblissement du fitness de M.tb, rendant ainsi le pathogène plus sensible aux traitements déjà existants ainsi qu'aux défenses naturelles de l'hôte. Une analyse phylogénétique couplée à une analyse expérimentale de l'expression des gènes nous a permis de retracer et de rationaliser le scénario évolutif qui a façonné le locus hadABC. En accord avec l'organisation génétique, j'ai ainsi montré que la carence en nutriments, un stress rencontré par la bactérie lors de l'infection, conduisait à la co-répression des gènes hadABC ainsi que de la plupart des gènes de biosynthèse des AMs avec des gènes impliqués dans le processus de traduction. Le potentiel de traduction est connu pour être contrôlé par la disponibilité en nutriments, à travers notamment la réponse stringente, une réponse adaptative universellement conservée chez les bactéries. Suite à ces résultats, un modèle a été proposé selon lequel au cours de la réponse stringente, les intermédiaires de synthèse des AMs, seraient détournés au profit de la synthèse de lipides alternatifs dont des lipides de stockage. L'analyse phylogénétique a également suggéré une relation fonctionnelle étroite entre l'activité des enzymes HadABC et des enzymes responsables de la modification des AMs. Afin d'avoir une vision intégrée de la régulation de la synthèse de la mycomembrane, nous avons analysé le rôle biologique du gène rv0081 codant pour un facteur de transcription global. Différentes approches systémiques suggéraient que Rv0081 jouerait un rôle central dans la capacité adaptative de M.tb en régulant de nombreux gènes impliqués dans différentes fonctions cellulaires dont les gènes hadABC. J'ai pu montrer qu'un mutant rv0081 était hypervirulent et que l'absence d'une régulation naturelle du gène affectait la capacité de survie de la bactérie à l'intérieur des macrophages. / Mycobacterium tuberculosis (M.tb), the causative agent of tuberculosis infects one third of the world population with 9 million new cases and 1.5 million deaths each year. The capability of the bacteria to persist in its host and the emergence of multi- and totally-drug resistant strains explain these dramatic statistics. Therefore, the discovery of new drugs through a better understanding of the physiology and of the adaptive genetic programs of the pathogen is a priority. Mtb is a Gram + bacilli with an unusual cell envelope characterized by an outer membrane (the mycomembrane) essential to its viability and virulence. This membrane is mainly composed of mycolic acids (MAs), a class of very long chain fatty acids which are modified by the introduction of functional groups. To date the biosynthesis of MAs is biochemically well characterized, but some data need to be confirmed in vivo, likewise there is little information about the regulation and the contribution of biosynthesis genes in the adaptive capacity of mycobacteria. Around thirty genes are involved in the biosynthesis of MAs including hadA, hadB and hadC which are required for an essential dehydration reaction. It has been shown biochemically that HadB bears the catalytic activity and that HadA and HadC bring about the substrate specificity. In this study, using a genetic approach, we have shown that only HadB was essential to the viability but that the non-essential HadA and HadC proteins played a major role in the physiology, the adaptive capacity and the virulence of mycobacteria. These results have not only confirmed the biochemical data on the role of HadC in the biosynthesis of MAs, but have also underlined the relevance of a strategy based on weakening the fitness of Mtb, making the pathogen more susceptible to existing therapy as well as to the natural host defenses. Phylogenetic and experimental analyses of gene expression allowed us to rationalize the evolutionary scenario that has shaped the hadABC locus. In agreement with the genetic organization, I have shown that starvation, a stress experienced by the bacterium upon infection, resulted into the co-repression of the genes hadABC as well as most of the MAs biosynthetic genes with genes involved in the translation process. The translation potential is known to be controlled by nutrient avaibility, especially through the stringent response, an adaptive response widely conserved in bacteria. Following these results a model was proposed stating that during the stringent response, the MAs intermediate products would be redirected toward the synthesis of alternate lipids including storage lipids. Phylogenetic analysis also suggested a close functional relationship between the activity of HadABC proteins and the enzymes involved in the modification of MAs. In order to get an integrated picture of the regulation of the biosynthesis of the mycomembrane, we analyzed the biological role of rv0081, a gene encoding a transcription factor. Various comprehensive approaches suggested that Rv0081 plays a key role in M.tb adaptive capacity through the regulation of many genes involved in various cellular functions including the hadABC genes. In my PhD work I have shown that an rv0081 deleted strain was hypervirulent and that the inability of the bacteria to properly regulate the gene had prevented the bacteria to survive within macrophages.

La vigne (Vitis vinifera) est sensible à un grand nombre de maladies. Les politiques de limitation des traitements phytosanitaires font qu'aujourd'hui, les viticulteurs ne disposent d'aucun moyen de lutte contre certains bioagresseurs. C'est le cas des maladies du bois causées par des complexes fongiques nécrosant les ceps et du court noué, maladie virale transmise par des nématodes. La vigne est une espèce végétale connue pour sa production particulière de métabolites secondaires en réponse à des infections. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux phytoanticipines, préformées dans les plantes et dont le potentiel de toxicité envers des agents pathogènes est intéressant, c’est le cas des triterpénoïdes. Les objectifs de cette thèse ont donc été dans un premier temps d'estimer la capacité de la vigne à produire de tels composés. Pour cela, la composition en triterpénoïdes de différents organes et de différents cépages a été analysée. Nous avons pu montrer que la composition générale en triterpénoïdes est caractéristique de chaque cépage et de chaque organe. Dans une deuxième partie, 9 gènes impliqués dans la synthèse de triterpènes chez la vigne ont été identifiés et leur expression a été évaluée dans différents organes, chez différents cépages et sous différentes conditions de stress biotique et abiotique. Cette étude exploratoire nous donne des pistes pour mettre en corrélation l'expression de certaines triterpène synthases avec la production différentielle de certains triterpènes à la surface des feuilles de différents cépages. Enfin, nous nous sommes intéressés aux triterpènes glycosylés, les saponines, afin d'évaluer leur potentiel dans la lutte contre certaines maladies majeures de la vigne pour lesquelles aucun traitement n'est actuellement disponible. Pour cela, l'efficacité de saponines issues de la gypsophile et du quillaja a été testée contre certains champignons associés aux maladies du bois ainsi que contre les nématodes vecteurs des virus du court noué. Nous avons pu mettre en évidence que les souches de champignons testées étaient capables de contourner la toxicité des saponines, tandis qu'un tel traitement était rapidement efficace pour lutter contre les nématodes. Afin de vérifier l'innocuité de ce traitement pour l'environnement, les doses efficaces ont été testées et n'ont pas eu d'impact significatif sur différents bioindicateurs. / Vitis vinifera is susceptible to many pathogens. These past few years, treatment policies led to the withdrawal of many pesticides. Renee, no chemical treatments are available to treat some grapevine diseases such as the grapevine trunk diseases caused by fungi complexes and the grapevine fanleaf degeneration, a viral disease transmitted from grapevine to grapevine by vector nematodes. Grapevine is known for the production of secondary metabolites as a response to pathogen infections. In this work, we focused on phytoanticipins such as triterpenoids, that are found as preformed compounds and that confer a basal resistance level to plants. First, a chemical analysis was made on the triterpenoid composition of some grapevine cultivars and organs. This study revealed that the triterpenoid composition is specific to the V. vinifera cultivar and the organ. In a genomic approach, 9 candidate genes involved in the triterpene biosynthesis were identified and their expression was studied in different organs, varieties and biotic or abiotic stress conditions. This explorative study shows correlations between gene expression and differential triterpene production at the leaf surface of the different varieties. In the last part of this study, the use of glycosylated triterpenes, also called saponins, as a substitution solution to withdrawed treattnents against major grapevine diseases was tested. Therefore, the efficiency of saponins extracted from gypsophila and quillaja was tested against fungi associated to grapevine trunk diseases and some nematodes vector of the grapevine fanleaf degeneration. These tests evidenced that the fungi were able to avoid saponins toxicity, whereas such treatment was efficient to kill nematodes. In order to evaluate the effect of the treatment on the environment, the efficient doses were tested and bad no significant impact on some bioindicators.

La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative dont la physiopathologie fait intervenir des causes génétiques qui contribuent non seulement aux formes familiales mais aussi au développement des formes sporadiques, les plus fréquentes, en interagissant sans doute alors avec des facteurs environnementaux. La découverte des déterminants génétiques a permis d’identifier plusieurs mécanismes moléculaires contribuant au développement de la maladie. Ils en ont démontré le caractère complexe. Pour mieux comprendre l’étendue des perturbations moléculaires liées à la maladie, nous avons entrepris des analyses globales du transcriptome par le biais de puces ou de séquençage des ARNs (RNAseq) à partir de cellules mononuclées périphériques sanguines de patients présentant des formes génétiques et sporadiques de la maladie ainsi que de sujets sains.Nous avons identifiés la dérégulation de nombreux gènes dans les cellules mononuclées périphériques sanguines de sujets porteurs de la mutation G2019S de LRRK2 et de sujets sporadiques par rapport à des sujets sains appariés. L’analyse des voies et des processus cellulaires associés à ces gènes met en exergue une altération de la voie de signalisation EIF2 commune aux sujets porteurs de la mutation G2019S de LRRK2 et aux sujets sporadiques. Cette voie fait écho à la régulation de la traduction et de l’épissage, deux processus faisant partie du métabolisme des ARNs. Ces altérations sont retrouvées dans les cellules mononuclées périphériques sanguines de sujets parkinsoniens porteurs de mutations du gène ATXN2, essentiellement connu pour son rôle dans la stabilité, l’épissage et la traduction des ARNm. Cette perturbation des ARNs semble être une altération commune à l’ensemble des formes de maladie de Parkinson étudiées et pourrait donc être un mécanisme sous-tendant la maladie.Les résultats du séquençage des ARNs obtenus chez des parkinsoniens présentant une forme sporadique ou porteurs de mutations délétères ainsi que chez des sujets sains corroborent cette hypothèse en montrant d’une part des différences quantitatives et qualitatives de variants d’épissage au sein d’ARNm eux-mêmes impliqués dans le métabolisme des ARNs et d’autres part des variations de l’épissage de gènes impliqués dans des mécanismes moléculaires connus de la maladie.Ainsi, nos données s’inscrivent dans la dynamique physiopathologique actuelle qui fait état de nombreuses perturbations du métabolisme des ARNs dans les maladies neurodégénératives. Dans la maladie de Parkinson, ces défauts impliqueraient des variations quantitatives et qualitatives de variants d’épissage au sein de gènes liés à l’épissage mais aussi dans des mécanismes connus pour contribuer à la maladie. Une analyse approfondie de ces dérèglements devraient permettre de déterminer leur spécificité et d’évaluer leur potentiel en tant que marqueurs de la maladie et cibles thérapeutiques. / Parkinson’s disease is a neurodegenerative disorder with genetic determinants not only contributing to rare familial forms of the disease but also involved in prevalent sporadic forms by interacting with environmental factors. Thanks to the identification of these determinants, several molecular mechanisms contributing to the disease have been found highlighting also its complexity. In order to better understand the molecular perturbations underlying the disease, we performed whole transcriptome analyses using microarrays and RNA sequencing (RNAseq) from peripheral blood mononuclear cells of Parkinson’s disease patients with genetic and sporadic forms of the disease as well as healthy controls.We identified several dysregulated genes in the cells of Parkinson’s disease patients with a G2019S LRRK2 mutation and sporadic patients compared to healthy controls. Pathways and cellular processes related to those genes mainly display disturbances of EIF2 signaling common to G2019S LRRK2 mutation carriers and sporadic patients. These data pinpoint potential perturbations of translation and RNA splicing both related to RNA metabolism. Involvement of RNA metabolism is also observed in peripheral blood mononuclear cells of Parkinson’s disease patients carrying mutations of ATXN2 gene encoding for ataxin-2 protein. It is mainly known as a regulator of the stability, the splicing and the translation of mRNA. Such RNA-mediated perturbations seem to be a common to all forms of Parkinson’s disease and might be a physiological mechanism of the disease. RNAseq data from Parkinson’s disease patients having or not deleterious mutations are in agreement with this hypothesis showing quantitative and qualitative discrepancies of splicing variants inside genes involved in RNA metabolism but also in known molecular pathways of the disease.As a conclusion, our results support the current view of RNA metabolism association with neurodegenerative disorders. In Parkinson’s disease, those alterations could involve quantitative and qualitative variations of splicing variants inside genes involved in RNA metabolism but also in known perturbed molecular pathways of the disease. Further analyses of these dysregulations should be helpful to determine their specificity and evaluate their potential as biomarkers and therapeutic targets.