Subprojeto 1: Determinação do efeito anti-inflamatório e citoprotetor da suplementação com L-glutamina e L-alanina, ou com L-alanil-L-glutamina (DIP) em ratos submetidos a treinamento resistido. Exercícios intensos reduzem a disponibilidade de glutamina, comprometendo a função imune e a recuperação de atletas. O objetivo do estudo foi avaliar os efeitos da suplementação oral crônica com L-glutamina e L-alanina, nas formas livres ou como dipeptídeo (DIP), sobre parâmetros de lesão, inflamação e citoproteção em ratos Wistar adultos submetidos a treinamento resistido (TR). Neste estudo, o TR reduziu a concentração de glutamina no plasma e no músculo EDL. No entanto, este efeito foi atenuado pelos suplementos contendo L-glutamina, os quais aumentaram os conteúdos da proteína de resposta ao estresse (HSP70) em células do sistema imune (PBMC) e no EDL, concomitantemente à redução da ativação do NF-kB e a da concentração de citocinas no EDL. O efeito protetor das suplementações também foi evidenciado pela atenuação de marcadores de lesão (CK e LDH) e inflamação (TNF-&#945 e IL-1&#946), bem como pelo aumento nas concentrações de marcadores anti-inflamatórios (IL-6, IL-10 e MCP-1) no plasma. Nossos resultados sugerem que a suplementação oral crônica com L-glutamina (administrada com L-alanina livre ou como DIP) promoveu efeitos citoprotetores mediados pela HSP70 em resposta à lesão e inflamação induzidas pelo TR. Subprojeto 2: Efeitos da L-alanil-L-glutamina sobre as vias de sinalização da insulina e da mTOR/S6K, e citoproteção em células musculoesqueléticas C2C12. O dipeptídeo L-alanil-L-glutamina é conhecido por modular o metabolismo e a viabilidade celular. Contudo, os efeitos sobre os componentes clássicos das vias de sinalização da insulina e da mTOR/S6K, bem como o efeito citoprotetor em células musculares, são pouco esclarecidos. O objetivo deste estudo foi investigar o efeito do DIP sobre as vias de sinalização da insulina e da mTOR/S6K em miotubos C2C12, em condições normais ou resistentes à insulina. A exposição crônica à insulina (24h) promoveu resistência à insulina, reduzindo os conteúdos totais do receptor beta (IR-β) e do substrato do receptor de insulina (IRS-1), e diminuindo a fosforilação de IRS-1, AKT e P44/42 MAPK. Adicionalmente, houve redução na expressão do transportador de glicose (GLUT4) e HSP70, redução da viabilidade celular e menor fosforilação de p70S6k e S6, proteínas relacionadas à síntese proteica. Em contraste, a suplementação com DIP aumentou os conteúdos totais de IR-&#946 e IRS-1 e a fosforilação de IRS-1 e AKT. A glicólise anaeróbia e a capacidade glicolítica, além da fosforilação de p70S6k e S6, foram aumentadas pelo DIP em condições normais e na resistência à insulina. Nestas condições experimentais, nossos resultados sugerem que a suplementação com DIP melhorou as vias de sinalizações da insulina e da mTOR/S6K, aumentou a captação e metabolização da glicose, independente da estimulação com insulina e, finalmente, promoveu citoproteção resgatando parcialmente as células de um estado resistente à insulina, por meio do aumento de HSP70 e ativação das etapas finais da via mTOR/S6K. / Subproject 1: Determination of the anti-inflammatory and cytoprotective effects of supplementation with L-glutamine and L-alanine, or with L-alanyl-L-glutamine in rats submitted to resistance training. Intense exercise reduces glutamine availability, compromising immune function and recovery of athletes. The objective of the study was to evaluate the effects of chronic oral supplementation with L-glutamine and L-alanine, in their free form or as dipeptide (DIP), on muscle damage, inflammation and cytoprotection in adult Wistar rats submitted to resistance training (RT). In this study, RT reduced glutamine concentration in plasma and EDL muscle. However, this effect was attenuated by supplements containing L-glutamine, which increased the contents of the stress response protein (HSP70) in immune system cells (PBMC) and EDL, concomitantly with the reduction of NF-kB activation and the concentration of cytokines in EDL. The protective effect of supplementation was also evidenced by attenuation of lesion markers (CK and LDH) and inflammation (TNF-α and IL-1β), as well as by the increase in anti-inflammatory plasma markers (IL-6, IL-10 and MCP-1). Our results suggest that chronic oral supplementation with L-glutamine (administered along with free L-alanine or as DIP) promoted HSP70-mediated cytoprotective effects in response to RT-induced injury and inflammation. Subproject 2: Effects of L-alanyl-L-glutamine on the components of insulin and mTOR/ S6K signaling pathways and cytoprotection in C2C12 musculoskeletal cells. The dipeptide L-alanyl-L-glutamine is known to modulate metabolism and cell viability. However, the effects on the classical components of insulin and mTOR/ S6K signaling pathways, as well as the cytoprotective effect on muscle cells, are poorly understood. The aim of this study was to investigate the effect of DIP on insulin and mTOR/ S6K signaling pathways in C2C12 myotubes, under normal or insulin resistant conditions. Chronic insulin exposure (24h) promoted insulin resistance, reducing the total contents of the insulin receptor (IR-&#946) and the insulin receptor substrate (IRS-1), and decreasing the phosphorylation of IRS-1, AKT and P44/ 42 MAPK. In addition, there was a reduction in the expression of glucose transporter (GLUT4) and HSP70, reduction of cell viability and defective phosphorylation of p70S6k and S6, which are related to protein synthesis. On the other hand, DIP supplementation increased the total contents of IR-&#946 and IRS-1 and the phosphorylation of IRS-1 and AKT. Anaerobic glycolysis and glycolytic capacity, in addition to phosphorylation of p70S6k and S6, were increased by DIP under normal conditions and in insulin resistance. In our experimental conditions, our results suggest that DIP supplementation improved the signaling pathways of insulin and mTOR/ S6K, increased glucose uptake and metabolism, independent of insulin stimulation, and finally promoted cytoprotection by partially rescuing the cells of an insulin resistant state, by increasing HSP70 and activating the final stages of the mTOR/ S6K pathway.

PurposeThe purpose of this pilot study was to explore nutritional injury in the context of oral mucositis (OM). It was a beginning look at oral L-glutamine (L-Gln) treatment efficacy through investigation of three "Reaction-to-Nutritional Injury" hypotheses defining OM as a localized secondary nutritional disorder of deficiency (Van Itallie, 1977) resulting from absence of/limited nutritional collateral systems (Kight, 1994):(1) OM severity and human buccal epithelial cell glutamine synthetase (HBEC GS) abundance,(2) HBEC GS abundance and L-Gln treatment, and(3) OM severity and L-Gln treatment.Patients and MethodsThree female colorectal cancer (CRC) outpatients between 61 and 70 years of age receiving FOLFIRI chemotherapy regimen and diagnosed with grades 1 and 2 OM were followed daily throughout treatment cycles and randomly assigned into a two-week mouthwash regimen of 1.0 gm/m2 qid L-Gln or placebo. Treatment crossover occurred every two weeks without defined washout periods. Four controls were recruited as controls for single Western blot (WB) analyses.ResultsOral L-Gln effect on OM severity was statistically significant in all three study participants, although two of the relationships had positive direction. Treatment and OM severity were moderately correlated with a negative direction in one patient. Glutamine appeared to be most efficacious in severe grade 2 OM erythema. Western blot analysis demonstrated absence of HBEC GS activity in cancer patients receiving FOLFIRI treatment for colorectal cancer suggesting competitive inhibition of GS enzyme by chemotherapy. Higher WB bands observed at 55 and 66 kDa may be O-linked glycosylation posttranslational modifications, a possible explanation for the Gln-influenced mechanism of Hsp70 biosynthesis and apoptosis prevention. This may be suggestive of compression of the nutritional injury clinical horizon from stage 4 to stage 1 or 2 where adaptation to absence of/limited nutritional collateral systems theoretically begins after chemotherapy insult. An extended definition of nutritional injury may be the acquired loss of nutritional status at the biomolecular level by way of drug-induced disruption of normal, adaptive metabolic pathways resulting in absence of/limited HBEC GS abundance affecting Gln and Hsp70 availability. This may suggest the need for preemptive L-Gln treatment prior to initiation of a 5-fluorouracil-based chemotherapy regimen.

La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative du système cerveau central conduisant à l'apparition des troubles moteurs caractéristiques de la maladie : akinésie, rigidité et tremblement de repos. La perte des neurones dopaminergiques de la voie nigro-striée va conduire à des modifications biochimiques au niveau du putamen. Notamment, les travaux réalisés en électrophysiologie, microdialyse et spectroscopie par résonance magnétique (SRM) suggèrent une hyperactivité de la voie glutamatergique cortico-striatale associée à un changement du microenvironnement glial au niveau du putamen. Ces observations conduisent à penser à une adaptation du cycle glutamate-glutamine ayant lieu entre les neurones et les astrocytes en réponse à la perte neuronale. Ainsi, dans ce travail de thèse, deux approches ont été développées afin de suivre par SRM les changement métaboliques impliqués dans la pathologie parkinsonienne, notamment les variations des concentrations en glutamate et glutamine dans le putamen. Une première approche de la quantification des métabolites cérébraux par spectroscopie du 1H, technique couramment utilisée en clinique, a été utilisée pour suivre l'évolution des métabolites d'intérêt chez des patients parkinsoniens à jeun ou suite à la prise d'un traitement dopaminergique. Si cette étude a révélé des changements de concentration en N-acetylaspartate, créatine et myoinositol chez les patiens parkinsoniens, aucun changement du métabolisme glutamatergique n'a pu être observé par cette technique, peut-être à cause d'un manque de sensibilité de la technique pour discriminer les pools de glutamate et de glutamine. De ce fait, une nouvelle approche de SRM du Carbone 13C a été développée pour le suivi du cycle glutamate-glutamine in vivo, c'est la polarisation dynamique nucléaire (PDN). Grâce à la haute sensibilité de cette technique, il est désormais possible de suivre des voies métaboliques in vivo en temps réel. La mise en place et l'optimisation de la PDN pour le suivi du cycle glutamate-glutamine a été un des objectifs au cours de ce projet de thèse. Validée sur un groupe d'animaux contrôle, cette technique offre un avenir prometteur pour l'analyse de ce flux dans les pathologies neurodégénératives. En conclusion, les stratégies diagnostiques en clinique par SRM du 1H restent, à l'heure actuelle, peu sensibles pour l'étude des modifications du cycle glutamate-glutamine in vivo chez l'homme. Les développements technologiques réalisés au cours de ce travail de thèse notamment avec la PDN du 13C laissent entrevoir une nouvelle approche pour le suivi en temps réel de ce métabolisme cérébral. Si la PDN est principalement utilisée dans des études précliniques, la disponibilité de nouveaux systèmes cliniques pourrait permettre son avènement en tant que nouvelle stratégie de diagnostic en imagerie clinique. / Parkinson's disease is a neurodegenerative disorder characterized by motor troubles such as akinesia, rigidity and tremor. The loss of dopaminergic neurons from the nigro-striatal pathway will lead to biochemical changes in the putamen. Especially, works on electrophysiology, micro dialysis and magnetic resonance spectroscopy (MRS) suggests hyperactivity of the glutamatergic cortico-striatal pathway associated with glial microenvironment changes. These observations suggest a modification of the glutamate-glutamine cycle occurring between neurons and astrocytes in response to neuronal loss.In this thesis, two approaches have been developed in order to follow by MRS the metabolic changes occuring in Parkinson's disease. In particular, we want to follow the changes in glutamate-glutamine cycle inside the putamen.in a first study, a a 1H MRS approach was used to assess the metabolic changes inside the putamen of Parkinson's disease without or under dopaminergic treatment. In this study, changes in N-acetylaspartate, creatine and myo-inositol were observed in Parkinsonian patients, but no change in glutamatergic metabolism was observed. This could be due to the lack of sensitivity of the technique to differentiate glutamate and glutamine pools.Thus, we chose to use a new 13C carbon MRS approach in order to follow dynamically in vivo the glutamate-glutamine cycle inside the brain: dynamic nuclear polarization (DNP). Thanks to the high sensitivity of this technique, it is now possible to follow metabolic pathways in vivo in real time. The implementation of DNP was assessed under a control group of animals. This technique offers a new promising tool for the analysis of this flow under pathologic conditions.To conclude, the MRS strategies for clinical diagnostic strategies remain, at present, poorly sensitive for the study of glutamate-glutamine cycle in vivo in humans. The development of DNP opens the door to a new approach for real-time monitoring of this cerebral metabolism Even if DNP is mainly used in preclinical studies at present, the development of new clinical systems could lead to its emergence as a new diagnostic strategy in clinical imaging.

La détermination de la structure des protéines à une résolution atomique est cruciale pour la compréhension de leur fonction cellulaire. Actuellement, la cristallographie aux rayons X est la méthode la plus efficace pour la détermination à haute résolution de la structure de protéines monomériques allant 40 et 100 kDa. Par contre, elle est limitée par la croissance de cristaux de bonne qualité, qui est problématique pour nombreuses cibles. La cryo-microscopie électronique (cryoME) permet la détermination structurale à résolution quasi-atomique de larges structures protéiques, de préférence symétrique et en solution. Cependant, les images de cryoME sont très bruitées, car une faible dose d'électrons est appliquée de manière à limiter les dommages d'irradiation. En moyennant des dizaines d'images correspondant à la même orientation moléculaire, le rapport signal sur bruit est amélioré. La combinaison des images moyennées de plusieurs orientations permet l'obtention d'une carte de densité électronique 3D de la molécule d'intérêt. Si la taille et la symétrie de la molécule diminuent, l'analyse cryoME devient de moins en moins précise, il est alors impossible d'analyser des protéines monomériques de taille inférieure à 100 kDa. Le but de ce travail a été de développer une nouvelle approche pour réduire cette limite de poids moléculaire. Elle consiste à fusionner la protéine d'intérêt (cible) à une matrice homo-oligomérique, générant une particule symétrique et de taille importante adaptée à l'analyse par cryoME. Dans cette thèse, nous avons cherché à tester et démontrer la faisabilité de cette approche de symétrisation en utilisant des protéines cibles de structure connue.Pour mettre en place notre étude pilote, nous avons choisi différentes combinaisons de cibles et de matrices connectées par des peptides de liaison (linker) de longueur différentes. Nous avons caractérisé les fusions exprimées en bactéries par microscopie électronique après coloration négative et par plusieurs techniques biophysiques. Grace à ces techniques, nous avons trouvé que la meilleure combinaison est la fusion entre la protéine matrice glutamine synthétase (GS), un 12-mer de symétrie D6 et la cible maltose binding protein (Mbp), connectées par un linker contenant trois alanines, que nous avons appelée « Mag ». En jouant sur la longueur du linker nous avons ensuite sélectionné la fusion la plus compacte pour l'analyse cryoME: MagΔ5. Nous avons obtenu la carte cryoME à 10 Å de MagΔ5, qui présente une bonne corrélation avec les modèles atomiques de Mbp et GS. Plus particulièrement, le site catalytique et quelques hélices α sont identifiables. Ces résultats sont confirmés par l'étude cristallographique que nous avons conduite sur MagΔ5. L'ensemble de ce travail souligne que la présence d'une grande interface d'interactions cible-matrice stabilise la fusion et améliore la résolution en cryoME. Pour la symétrisation d'une cible inconnue, nous envisageons la même procédure expérimentale que celle développée pour MagΔ5. La matrice et le linker les plus adaptés devront être identifiés en utilisant les mêmes méthodes biophysiques.En conclusion, ce travail établit la preuve de concept que la méthode de symétrisation des protéines permet la détermination de la structure de protéines de poids moléculaire inférieur à 100 kDa par cryoME. Cette méthode a le potentiel d'être un nouvel outil prometteur, qui faciliterait l'analyse de cibles résistantes à l'analyse structurale conventionnelle. / Structural determination of proteins at atomic level resolution is crucial for unravelling their function. X-ray crystallography has successfully been used to determine macromolecular structures with sizes ranging from kDa to MDa, and currently remains the most efficient method for the high-resolution structure determination of monomeric proteins within the 40-100 kDa range. However, this method is limited by the ability to grow well diffracting crystals, which is problematic for several targets, such as membrane proteins. Single particle cryo electron microscopy (cryoEM) allows near atomic (3-4Å) resolution structural determination of large, preferably symmetric, assemblies in solution. Biological molecules scatter electrons weakly and, to avoid radiation damage, only low electron doses can be used during imaging. Consequently, raw cryoEM images are extremely noisy. However, averaging many molecular images aligned in the same orientation permits one to increase the signal-to-noise ratio, ultimately allowing the achievement of a 3D density map of the molecule of interest. Nevertheless, as the molecular size and degree of symmetry decrease, the individual images loose adequate features for accurate alignment. Currently, cryoEM analysis is practically impossible for monomeric proteins below ~100 kDa in mass. We propose to circumvent this obstacle by fusing such monomeric target proteins to a homo-oligomeric protein (template), thereby generating a self-assembling particle whose large size and symmetry should facilitate cryoEM analysis. In the present thesis we seek to test and demonstrate the feasibility of this ‘protein symmetrization' approach and to evaluate its usefulness for protein structure determination. To set up the pilot study we combined selected targets of known structure with two templates: Glutamine Synthetase (GS), a 12-mer with D6 symmetry and a helical N-terminus, and the E2 subunit of the pyruvate dehydrogenase complex, a 60-mer with icosahedral symmetry and an unstructured N-terminus. After recombinant production in E.coli we identified by negative stain EM a promising dodecameric chimera for structural analysis, comprising maltose binding protein (Mbp) connected to GS by a tri-alanine linker (denoted “Mag”). In order to optimize sample homogeneity we produced a panel of Mag deletion constructs by sequentially truncating the 17 residues between the Mbp and GS domains. A combination of biophysical techniques (thermal shift assay, dynamic light scattering, size exclusion chromatography) and negative stain EM allowed us to select the best candidate for cryoEM analysis, MagΔ5. By enforcing D6 symmetry we obtained a cryoEM map with a resolution of 10Å (FSC 0.5 criterion). The density of the symmetrized 40 kDa Mbp presents shape and features corresponding to the known atomic structure. In particular, the catalytic pocket and specific α-helical elements are distinguishable. The cryoEM map is additionally validated by a 7Å crystal structure of the MagΔ5 oligomer. The presence of a continuous helical connection between target (Mbp) and template (GS) likely contributed to the conformational homogeneity of MagΔ5. Moreover, comparing MagΔ5 with other chimeras studied in this work suggests that a large buried surface area and favorable interactions between the target and template limit the flexibility of the chimera and improve its resolution by cryoEM. For the symmetrization of a target of unknown structure, we envisage proceeding by a trial and error approach by fusing it to a panel of templates with helical termini and different surface properties, and subsequently selecting the best ones using biophysical assays. In conclusion, the present work establishes the proof-of-concept that protein symmetrization can be used for the structure determination of monomeric proteins below 100 kDa by cryoEM, thereby providing a promising new tool for analyzing targets resistant to conventional structural analysis.

Subprojeto 1: Determinação do efeito anti-inflamatório e citoprotetor da suplementação com L-glutamina e L-alanina, ou com L-alanil-L-glutamina (DIP) em ratos submetidos a treinamento resistido. Exercícios intensos reduzem a disponibilidade de glutamina, comprometendo a função imune e a recuperação de atletas. O objetivo do estudo foi avaliar os efeitos da suplementação oral crônica com L-glutamina e L-alanina, nas formas livres ou como dipeptídeo (DIP), sobre parâmetros de lesão, inflamação e citoproteção em ratos Wistar adultos submetidos a treinamento resistido (TR). Neste estudo, o TR reduziu a concentração de glutamina no plasma e no músculo EDL. No entanto, este efeito foi atenuado pelos suplementos contendo L-glutamina, os quais aumentaram os conteúdos da proteína de resposta ao estresse (HSP70) em células do sistema imune (PBMC) e no EDL, concomitantemente à redução da ativação do NF-kB e a da concentração de citocinas no EDL. O efeito protetor das suplementações também foi evidenciado pela atenuação de marcadores de lesão (CK e LDH) e inflamação (TNF-&#945 e IL-1&#946), bem como pelo aumento nas concentrações de marcadores anti-inflamatórios (IL-6, IL-10 e MCP-1) no plasma. Nossos resultados sugerem que a suplementação oral crônica com L-glutamina (administrada com L-alanina livre ou como DIP) promoveu efeitos citoprotetores mediados pela HSP70 em resposta à lesão e inflamação induzidas pelo TR. Subprojeto 2: Efeitos da L-alanil-L-glutamina sobre as vias de sinalização da insulina e da mTOR/S6K, e citoproteção em células musculoesqueléticas C2C12. O dipeptídeo L-alanil-L-glutamina é conhecido por modular o metabolismo e a viabilidade celular. Contudo, os efeitos sobre os componentes clássicos das vias de sinalização da insulina e da mTOR/S6K, bem como o efeito citoprotetor em células musculares, são pouco esclarecidos. O objetivo deste estudo foi investigar o efeito do DIP sobre as vias de sinalização da insulina e da mTOR/S6K em miotubos C2C12, em condições normais ou resistentes à insulina. A exposição crônica à insulina (24h) promoveu resistência à insulina, reduzindo os conteúdos totais do receptor beta (IR-β) e do substrato do receptor de insulina (IRS-1), e diminuindo a fosforilação de IRS-1, AKT e P44/42 MAPK. Adicionalmente, houve redução na expressão do transportador de glicose (GLUT4) e HSP70, redução da viabilidade celular e menor fosforilação de p70S6k e S6, proteínas relacionadas à síntese proteica. Em contraste, a suplementação com DIP aumentou os conteúdos totais de IR-&#946 e IRS-1 e a fosforilação de IRS-1 e AKT. A glicólise anaeróbia e a capacidade glicolítica, além da fosforilação de p70S6k e S6, foram aumentadas pelo DIP em condições normais e na resistência à insulina. Nestas condições experimentais, nossos resultados sugerem que a suplementação com DIP melhorou as vias de sinalizações da insulina e da mTOR/S6K, aumentou a captação e metabolização da glicose, independente da estimulação com insulina e, finalmente, promoveu citoproteção resgatando parcialmente as células de um estado resistente à insulina, por meio do aumento de HSP70 e ativação das etapas finais da via mTOR/S6K. / Subproject 1: Determination of the anti-inflammatory and cytoprotective effects of supplementation with L-glutamine and L-alanine, or with L-alanyl-L-glutamine in rats submitted to resistance training. Intense exercise reduces glutamine availability, compromising immune function and recovery of athletes. The objective of the study was to evaluate the effects of chronic oral supplementation with L-glutamine and L-alanine, in their free form or as dipeptide (DIP), on muscle damage, inflammation and cytoprotection in adult Wistar rats submitted to resistance training (RT). In this study, RT reduced glutamine concentration in plasma and EDL muscle. However, this effect was attenuated by supplements containing L-glutamine, which increased the contents of the stress response protein (HSP70) in immune system cells (PBMC) and EDL, concomitantly with the reduction of NF-kB activation and the concentration of cytokines in EDL. The protective effect of supplementation was also evidenced by attenuation of lesion markers (CK and LDH) and inflammation (TNF-α and IL-1β), as well as by the increase in anti-inflammatory plasma markers (IL-6, IL-10 and MCP-1). Our results suggest that chronic oral supplementation with L-glutamine (administered along with free L-alanine or as DIP) promoted HSP70-mediated cytoprotective effects in response to RT-induced injury and inflammation. Subproject 2: Effects of L-alanyl-L-glutamine on the components of insulin and mTOR/ S6K signaling pathways and cytoprotection in C2C12 musculoskeletal cells. The dipeptide L-alanyl-L-glutamine is known to modulate metabolism and cell viability. However, the effects on the classical components of insulin and mTOR/ S6K signaling pathways, as well as the cytoprotective effect on muscle cells, are poorly understood. The aim of this study was to investigate the effect of DIP on insulin and mTOR/ S6K signaling pathways in C2C12 myotubes, under normal or insulin resistant conditions. Chronic insulin exposure (24h) promoted insulin resistance, reducing the total contents of the insulin receptor (IR-&#946) and the insulin receptor substrate (IRS-1), and decreasing the phosphorylation of IRS-1, AKT and P44/ 42 MAPK. In addition, there was a reduction in the expression of glucose transporter (GLUT4) and HSP70, reduction of cell viability and defective phosphorylation of p70S6k and S6, which are related to protein synthesis. On the other hand, DIP supplementation increased the total contents of IR-&#946 and IRS-1 and the phosphorylation of IRS-1 and AKT. Anaerobic glycolysis and glycolytic capacity, in addition to phosphorylation of p70S6k and S6, were increased by DIP under normal conditions and in insulin resistance. In our experimental conditions, our results suggest that DIP supplementation improved the signaling pathways of insulin and mTOR/ S6K, increased glucose uptake and metabolism, independent of insulin stimulation, and finally promoted cytoprotection by partially rescuing the cells of an insulin resistant state, by increasing HSP70 and activating the final stages of the mTOR/ S6K pathway.

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) possèdent deux propriétés fondamentales : l'auto-renouvellement et la capacité de se différencier en lignées hématopoïétiques de tout type. Les CSH se maintiennent dans la moelle osseuse et se renouvellent par division asymétrique. En revanche, les divisions symétriques caractérisent les cellules qui s'engagent dans la différenciation. L'environnement pauvre en oxygène de la moelle osseuse favorise la glycolyse anaérobique et l'oxydation des acides gras, préservant, respectivement, la quiescence et les divisions asymétriques. Que l'engagement des CSH vers la différenciation lymphoïde, myéloïde ou érythroïde dépende ou entraîne une reprogrammation métabolique n'est toujours pas connu. En effet, de nombreuses études ont montré que cytokines et contacts cellulaires sont indispensables pour l'engagement des CSH vers une lignée donnée, alors que l'impact potentiel des nutriments et du métabolisme sur ce processus reste très peu étudié. La différenciation est associée à une prolifération qui nécessite des besoins métaboliques accrus pouvant être supportés par diverses sources d'énergie, telles que le glucose, les acides gras, le lactate ou la glutamine. Le glucose et la glutamine sont des précurseurs de l'ATP, des lipides et des nucléotides. Toutefois, leurs contributions relatives aux voies métaboliques contrôlant l'engagement des CSH n'ont pas été évaluées. Pour autant, nos études ainsi que celles menées par d'autres laboratoires ont montré que l'expression du transporteur de glucose Glut1 n'augmente qu'au cours des dernières étapes de la différenciation érythroïde, suggérant l'implication potentiel d'autres nutriments dans la régulation des étapes précoces de l'engagement vers la voie érythroïde. Ainsi, mon travail de thèse a consisté à déterminer si la disponibilité et l'utilisation des nutriments régulent la différenciation des CSH vers la lignée érythroïde. De fait, j'ai montré que le transporteur de glutamine ASCT2 est hautement exprimé dans les CSH et que la répression d'ASCT2 ou le blocage du métabolisme de la glutamine empêche la différenciation érythroïde des CSH, les détournant vers la voie myéloïde, même en présence d'érythropoïétine. Dans ces conditions, nous avons montré que la différenciation érythroïde ne pouvait pas être restaurée par l'ajout d'intermédiaires du cycle de Krebs, alors que qu'elle était dépendante de la biosynthèse de novo de nucléotides. Étonnamment, le 2-désoxyglucose (2-DG), un analogue du glucose inhibant la glycolyse, accélérait l'érythropoïèse. Nous avons aussi mis en évidence in vivo, en condition de stress érythropoïétique, des influences différentes du catabolisme de la glutamine et celui du glucose dans la modulation de l'érythropoïèse. Afin de mieux élucider les mécanismes par lesquels la glutamine module la différenciation érythroïde des CSH, nous avons étudié les voies métaboliques qu'elle emprunte. Des expériences de suivi de la glutamine marquée ont montré que l'entrée de la glutamine dans le cycle de Krebs est requise pour une érythropoïèse efficace. Par contre, nous avons montré que la synthèse de novo des nucléotides était l'étape limitante de la différenciation érythroïde. De plus, nous avons observé que la différenciation érythroïde accélérée en présence du 2-DG était associée à une augmentation importante du niveau des pentoses phosphates, précurseurs des nucléotides. Ainsi, l'utilisation de la voie des pentoses phosphates par le glucose, plutôt que la glycolyse, était essentielle pour l'érythropoïèse. En conclusion, mon travail de thèse a montré que la production de nucléotides via le métabolisme coordonné du glucose et de la glutamine est la condition sine qua non pour l'engagement des CSH vers la lignée érythroïde. / Hematopoietic stem cells (HSCs) possess two fundamental characteristics; self-renewal capacity and the ability to give rise to all blood cell lineages. Before their commitment to a specific lineage, these cells are maintained in a quiescent state in the bone marrow. Asymmetric division is essential for the maintenance of the stem cell compartment while symmetric division results in HSC differentiation. The hypoxic environment of the bone marrow is conducive to anaerobic glycolysis and fatty acid oxidation, preserving stem cell quiescence and asymmetric division, respectively. However, it is not known whether the commitment of an HSC to a lymphoid, myeloid or erythroid lineage fate, is regulated by a metabolic switch. Indeed, while much research has shown a critical role for cytokines and cell-cell contacts in the commitment of HSCs to distinct hematopoietic lineages, the possibility that nutrient entry and metabolism may contribute to this process was not considered until very recently. Cell differentiation is associated with proliferation resulting in increased metabolic requirements that can be met by energy sources such as glucose, fatty acids, lactate, or glutamine, amongst others. While glucose and glutamine are both precursors for the production of ATP, lipids and nucleotides, their relative contributions to metabolic pathways driving HSC lineage commitment have not been evaluated. Interestingly, we and others previously found that the Glut1 glucose transporter is highly upregulated only during the final mitoses of HSC-driven erythroid differentiation, suggesting that other nutrients may regulate early stages of erythroid lineage commitment. During my PhD, I was interested in determining whether nutrient availability and utilization regulate HSC differentiation to the erythroid lineage. Interestingly, I found that the ASCT2 glutamine transporter is expressed at high levels on HSCs. Downregulation of ASCT2 or blocking glutamine metabolism abrogated erythroid differentiation of HSCs and diverted erythropoietin-signaled HSCs towards a myeloid fate. Under conditions where glutamine utilization was blocked, erythroid differentiation was not restored by directly replenishing the tricarboxylic acid cycle but rather, was dependent on de novo nucleotide biosynthesis. Surprisingly, 2-deoxyglucose, a glucose analogue that inhibits glycolysis, enhanced erythropoiesis. Glutamine and glucose catabolism also differentially modulated erythropoiesis in vivo, under stress conditions. To better elucidate the mechanism(s) via which glutamine supports the erythroid lineage specification of HSCs, we evaluated the metabolic pathways fueled by glutamine. Carbon/nitrogen-labeled glutamine tracing experiments showed that the rate-limiting step in EPO-induced erythroid differentiation is glutamine-dependent de novo nucleotide biosynthesis while glutamine entry into the TCA cycle (anaplerosis) is not required. Furthermore, the accelerated erythroid differentiation in the presence of 2-DG was associated with a striking increase in pentose phosphates, precursors of nucleotides. Notably, the shunting of glucose into the pentose phosphate pathway (PPP), rather than glycolysis, was essential for erythropoiesis. In conclusion, my research shows that the coordinated redirection of glucose and glutamine into the production of nucleotides is the sine qua non condition for the erythroid differentiation of HSCs.

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.

L'hépatite C chronique est une des étiologies principales du carcinome hépatocellulaire. En revanche, les mécanismes de tumorigenèse sont peu connus. Récemment, plusieurs modifications du métabolisme du glucose ont été décrites dans les cellules infectées par le HCV. Celles-ci évoquent les reprogrammations métaboliques mises en place dans les cellules cancéreuses. L'effet Warburg, ou glycolyse aérobie, est une des caractéristiques principales des cellules tumorales. Ce phénomène permet d'assurer une production énergétique ainsi qu'un stock en précurseurs de macromolécules suffisants pour permettre la prolifération. Par ailleurs, en complément de l'utilisation de glucose, les cellules tumorales deviennent dépendantes de la métabolisation de la glutamine pour alimenter leur métabolisme énergétique et les différentes voies de biosynthèse. Mes travaux de thèse ont porté sur l'étude des changements métaboliques caractéristiques des cellules cancéreuses, et plus précisément sur le métabolisme de la glutamine, dans les cellules infectées par le HCV. Dans le modèle de culture cellulaire HCVcc, une activation de l'utilisation de la glutamine par le virus a pu être mise en évidence. L'infection par HCV entraine une augmentation du facteur de transcription MYC, de plusieurs transporteurs de glutamine ainsi que de la glutaminase, l'enzyme limitante de la glutaminolyse. De façon intéressante, ces changements semblent survenir également chez les personnes chroniquement infectés par le virus, comme le suggère l'analyse des biopsies de patients. Ces altérations métaboliques pourraient participer à la mise en place d'un environnement favorable au développement tumoral / Chronic infection with hepatitis C virus (HCV) is one of the main etiologies of hepatocellular carcinoma (HCC). However, mechanisms of HCV-related tumorigenesis are ill-defined. Recent literature data suggest that HCV infection may reprogram glucose metabolism in a cancerlike fashion. The Warburg effect, or aerobic glycolysis, is a hallmark of cancer. Activation of this pathway allows tumor cells to sustain high rates of energy production and provide sufficient biosynthetic precursors for proliferation. Likewise, the induction of similar metabolic alterations may favor HCV multiplication through the rapid production of nucleotides, amino acids and lipids. To complement aerobic glycolysis, tumor cells become frequently dependent on glutamine. The partial oxidation of glutamine through the glutaminolytic pathway can fuel their energy metabolism and several anabolic pathways. However, the role of glutamine metabolism in HCV life cycle has not been documented so far. I focused my PhD research project on the characterization of metabolic alterations triggered by HCV. In particular, I evaluated the occurrence of distinctive features of tumor cell metabolism in HCVinfected cells, with a specific attention on glutamine utilization. In the HCVcc cell culture model, I report the induction of a metabolic reprogramming towards higher rates of glutaminolysis upon HCV infection. HCV-induced transcriptional activation of MYC, along with several glutamine transporters and glutaminase, is likely to be responsible for this metabolic shift. Interestingly, increases in transcript levels of these factors in liver biopsies of patients with chronic hepatitis C suggest that this metabolic reprogramming may be relevant in vivo. Moreover, these metabolic changes may expose new drug targets against HCV as suggested by the inhibition of the virus replication upon suppression of glutaminolysis via different strategies. Altogether, these findings uncover a potential link between chronic hepatitis C and HCC through the installation of a favorable metabolic environment for tumor development

Sept accessions représentant la diversité génétique du Sorgho (Sorghum bicolor) ont été cultivées dans une condition de carence (N⁻) et une condition non-limitante (N⁺) en nitrate. Les paramètres de croissance (taille de la plante et le nombre de feuilles), les paramètres physiologiques (teneur en nitrate, teneur en protéines, concentrations totales en carbone et azote) et l'activité de la glutamine synthétase (GS) ont été mesurés dans les feuilles et les racines des plantes de sorgho à trois stades précoces de développement végétatif (2, 4 et 6 semaines après germination). Les résultats montrent que : i) les valeurs obtenues pour l’ensemble des paramètres sont généralement plus faibles en situation de carence en nitrate ; ii) la taille des plantes et le nombre de feuilles sont plus grands sous un régime non-limitant ; iii) tous les paramètres étudiés sauf la teneur en Carbone, étaient sensibles à la disponibilité en azote. Cependant, les différents génotypes étudiés affichent de grandes variations dans leurs réponses aux deux conditions de cultures. On observe une variation de la taille des plantes entre les génotypes au cours du développement végétatif précoce, mais pas pour le nombre de feuilles. De même, on observe une grande variation dans les réponses physiologiques entre les différents génotypes. Des corrélations fortes et significatives ont été détectées entre la taille des plantes et la teneur en nitrate. Cependant ces corrélations varient selon les conditions de cultures et les génotypes étudiés. En outre, la teneur en nitrate et l'activité GS mesurés aux stades précoces de croissance, semblent être de bons marqueurs pour discriminer entre les différents génotypes pour leur aptitude à absorber ou assimiler les nitrates dans les deux conditions de cultures. L’expression dans les feuilles et racines de deux génotypes de sorgho, de deux copies d’un gène candidat pour l’efficacité d’utilisation d’azote, SbNRT1.1 codant pour un transporteur de nitrate, varie en fonction de la disponibilité en nitrate, de l’organe et de l’âge de la plante. Notre étude constitue une première contribution à l’analyse de l’efficacité d’utilisation d’azote chez le sorgho par une approche physiologique et une approche génétique. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives pour de futures études fondamentales mais aussi des recherches finalisées qui conduiront à l’identification de génotypes valorisant mieux l’azote. / Seven accessions of Sorghum bicolor were grown with low (N⁻) and optimal (N⁺) nitrate supply. Growth parameters (plant height and leaf numbers), physiological parameters (nitrate, protein, total N and total C contents) and the activity of glutamine synthetase (GS) were studied in leaves and roots of sorghum plants at three time points of early vegetative growth (2, 4 and, 6 weeks post emergence). Plant height and leaf number were higher with nitrate supply. Except for carbon, all studied parameters were sensitive to N availability and values were typically lower when nitrate supply was low. However, different genotypes displayed considerable variation in their response to N regimes. Variation among genotypes during early vegetative development was observed for plant height, but not for leaf number. Likewise, physiological parameters varied among accessions. A significant and strong correlation, N- and accession-dependent, was detected between plant height and nitrate content. Moreover, nitrate content and GS activity at early growth stages appeared to be good markers to discriminate between nitrate uptake and assimilation capacities of different accessions under both N conditions. In some sorghum accessions, protein and total N content were indicative of high nitrate reduction and assimilation even under N limitation. Chlorophyll content was also sensitive to N availability. Furthermore, expression studies of SbNRT1.1gene copies in leaves and roots of two accessions reflected variability in expression dependent on nitrogen condition, plant organ, plant age, and gene of interest. This study is helpful to characterize different aspects of the N metabolism in sorghum and may aid in the identification of sorghum genotypes with enhanced nitrogen use efficiency, a trait that is of key interest in one of the most important crop plants in arid and semi-arid regions.

Cette étude vise à estimer l’apport en glutamine (Gln) alimentaire chez des athlètes soumis à un protocole de supplémentation en glutamine ainsi qu’à clarifier les informations diffusées au grand public en ce qui concerne les sources alimentaires de glutamine. Des études cliniques ont démontré que la supplémentation en glutamine pouvait réduire la morbidité et la mortalité chez des sujets en phase critique (grands brulés, chirurgie…). Le mécanisme en cause semble impliquer le système immunitaire. Cependant, les études chez les sportifs, dont le système immunitaire a de fortes chances d’être affaibli lors de périodes d’entraînement prolongées impliquant des efforts longs et intenses, n’ont pas été concluantes. Or, ces études négligent systématiquement l’apport alimentaire en glutamine, si bien qu’il est probable que les résultats contradictoires observés puissent en partie être expliqués par les choix alimentaires des sujets. Puisque la méthode conventionnelle de dosage des acides aminés dans les protéines alimentaires transforme la glutamine en glutamate, les tables de composition des aliments présentent la glutamine et le glutamate ensemble sous la dénomination « glutamate » ou « Glu », ce qui a comme conséquence de créer de l’ambiguïté. La dénomination « Glx » devrait être utilisée. Partant de la probabilité qu’un apport en Glx élevé soit un bon indicateur de l’apport en glutamine, nous avons créé un calculateur de Glx et avons évalué l’alimentation de 12 athlètes faisant partie d’une étude de supplémentation en glutamine. Nous avons alors constaté que l’apport en Glx était directement proportionnel à l’apport en protéines, avec 20,64 % ± 1,13 % de l’apport protéique sous forme de Glx. Grâce à quelques données sur la séquence primaire des acides aminés, nous avons pu constater que le rapport Gln/Glx pouvait être très variable d’un type de protéine à l’autre. Alors que le ratio molaire Gln/Glx est de ~95 % pour les α et β-gliadines, il n’est que de ~43 % pour la caséine, de ~36 % pour la β-lactoglobuline, de ~31 % pour l’ovalbumine et de ~28 % pour l’actine. Il est donc possible que certaines protéines puissent présenter des avantages par rapport à d’autres, à quantité égale de Glx. / The purpose of this study is to estimate the dietary glutamine (Gln) intake of subjects undertaking a glutamine supplementation protocol and to clarify the information about the glutamine content of food products. Clinical studies have demonstrated that glutamine supplementation can reduce mortality and morbidity associated with critical illness and that the mechanism underneath may imply the immune system. Studies undertaken on elite athletes, who may experience a drop in immune defence subsequent to long and strenuous training, have not been conclusive at this time. Yet, these studies systematically do not take glutamine intake from food into consideration in such a way that the conflicting results observed could have something to do with the food choices of the subjects. Since the conventional method used for the analysis of the amino acids content in food converts glutamine into glutamate, the food databases present glutamine and glutamate under the denomination “glutamate” or “Glu”. However, the term “Glx” should be used. Based on the probability that a high Glx intake could be a good indicator of glutamine intake, we have created a Glx calculator and have used it to analyse the food diaries of 12 athletes who participated in a study on glutamine supplementation. We observed that Glx intake was directly proportional to protein intake with 20,64 % ± 1,13 % of protein intake being Glx. Using data from the primary structure of amino acids, we observed that different types of protein showed a wide range of Gln/Glx ratios. While α and β-gliadins present a molar ratio of Gln/Glx of ~95 %, this ratio drops to 43 % for casein, 36 % for β-lactoglobulin, 31 % for ovalbumin and 28 % for actins. It is thus possible that certain types of protein can present advantages with regard to others, Glx remaining constant.