Chez les plantes, alors qu'il est clair que l'homéostasie des différents nutriments est fortement dépendante les uns des autres, ils sont généralement étudiés indépendamment les uns des autres. Étant donné la rareté des études antérieures évaluant la signification biologique de l'interaction de l'homéostasie des nutriments minéraux, on en sait très peu sur la base génétique et moléculaire de ces interactions. Au cours de ma thèse, nous avons progressé de manière significative vers une compréhension plus intégrative du problème et identifié les bases moléculaires et génétiques d'une interaction nutritive très importante et conservée: l'interaction du zinc et du phosphate, dans laquelle les gènes PHO1;H3 et Lyso PhosphatidylCholine (PC) AcylTransferase 1 (LPCAT1) jouent des rôles centraux. En combinant des approches de biologie systémique et de biologie fonctionnelle, nous avons identifié le module fonctionnel (quatre facteurs transcriptions) qui régule l'expression de PHO1; H3 en condition de carence en Zn. Suite à une étude de génétique d’association (GWAS) nous avons découvert un nouveau rôle du gène LPCAT1 dans l’accumulation du phosphate en conditions de carence en Zn, Ensuite, nous avons déterminé une voie moléculaire complète contrôlant l'expression de ce gène. Ce travail nous permis de révéler un lien fondamental entre le métabolisme des phospholipides et l'interaction homéostasie Pi-Zn, et de proposer un nouveau rôle pour Lyso-PC et PC dans le contrôle de l'interaction homéostasie macro- et micronutriments chez les plantes. Les résultats obtenus offrent une nouvelle perspective pour élabore des nouvelles stratégies pour améliorer l’accumulation de Pi dans les plantes via la modulation de la voie de signalisation de la carence en Zn. / In plants, while it is clear the homeostasis of different nutrients is highly dependent on each other, they are usually studied independent of each other. Given the paucity of past studies assessing the biological significance of mineral nutrient homeostasis interaction, very little is known about the genetic and molecular basis of such interactions. During my thesis, we made significant progress in going towards a more integrative comprehension of the problem and identify the molecular and genetic bases for a highly important and conserved nutrients interaction: the interaction of zinc and phosphate. First, using the phosphate transporter PHO1;H3 as entry molecular point, and by combining system biology and functional genomics approaches we have identified the functional module (four transcription factors) that regulates the expression and activity of PHO1;H3 under Zn deficiency leading to control Pi accumulation in shoots. Second, following our discovery of Lyso PhosphatidylCholine (PC) AcylTransferase 1 (LPCAT1) using genome-wide association studies (GWAS), we determined complete molecular pathway controlling the expression of this gene. We further uncovered a fundamental link between phospholipid metabolism and Pi-Zn homeostasis interaction via LPCAT1, which lays the foundations to explore a new role for Lyso-PC and PC in control of macro- and micronutrients homeostasis interaction. Taken together, our discoveries offer a new perspective on how to improve Pi content in plants, as our findings suggests that modulating the Zn-deficiency signalling pathway might be a good and simple approach for that.

Le fer est un élément essentiel pour les cellules car il est le cofacteur de nombreuses protéines impliquées dans de multiples processus biologiques comme la photosynthèse et la respiration. Cependant, l'excès de fer peut être délétère pour la cellule, car il peut réagir avec l'oxygène pour former des espèces réactives de l'oxygène (ROS). Les ferritines sont des protéines chloroplastiques codées par le génome nucléaire permettant de stocker le fer en excès sous forme non toxique. Chez les végétaux, la synthèse des ferritines est majoritairement régulée au niveau transcriptionnel en réponse au fer contrairement aux animaux où elle est majoritairement régulée au niveau post-transcriptionnel. Toutefois, une régulation post-transcriptionnelle a été mise en évidence pour le gène de ferritine AtFer1. L'ARNm d'AtFer1 est déstabilisé en réponse à un stress oxydatif généré par un excès de fer. Cette régulation fait intervenir un élément cis nommé DST (DownSTream) localisé dans la région 3' transcrite non traduite de ce transcrit (3'UTR). Chez deux mutants précédemment identifiés comme agissant en trans (dst1 et dst2), cette régulation est affectée. Une caractérisation physiologique de ces mutants a permis de montrer que cette voie de dégradation est un mécanisme essentiel contrôlant la physiologie et la croissance de la plante en réponse à un stress oxydatif. D'autre part, l'expression d'AtFer1 ainsi que d'autres gènes codant des protéines chloroplastiques est régulée par un acteur de la machinerie de dégradation des ARNm, l'exoribonucléase XRN4. Ces ARNm codant des protéines chloroplastiques seraient localisés à la surface des chloroplastes. Cette localisation ferait intervenir des acteurs de la machinerie de dégradation des ARNm. La localisation subcellulaire du transcrit AtFer1 a été estimée par deux approches. L'ARNm d'AtFer1 a été visualisé par une technique d'imagerie, l'hybridation in situ révélé par fluorescence (FISH) (i). L'accumulation d'ARNm codant des protéines chloroplastiques a été évaluée dans deux fractions (chloroplastes isolés et feuilles entière) afin de savoir si certain ARNm se retrouvent enrichis dans la fraction chloroplastique (ii). Les résultats obtenus suggèrent que l'ARNm d'AtFer1 serait localisé autour des chloroplastes, cependant cette localisation ne semble pas être affectée chez le mutant xrn4. Enfin, ce travail a permis de caractériser la régulation et la fonction des ferritines dans les racines d'Arabidopsis. Le fer en excès induit la synthèse de ferritines dans les racines, AtFer1 puis AtFer3 sont les gènes de ferritines les plus exprimés dans cet organe. Les racines de plantes cultivées en excès de fer présentent des spots de fer dans les cellules de l'endoderme et du péricycle, là où l'expression des gènes AtFer1 et AtFer3 est retrouvée. Ces spots sont absents dans un triple mutant fer1-3-4. L'excès de fer diminue la longueur de la racine primaire de manière indépendante des ferritines. Par contre, l'excès de fer modifie la densité et l'élongation des racines latérales, ces deux modifications requièrent la présence des ferritines. Lors d'un excès de fer, les ferritines participent à la mise en place du gradient de H2O2 et de O2.- entre les zones de prolifération et de différentiations. Ce gradient est impliqué dans le contrôle la croissance racinaire. / Iron is essential for cells because it is the cofactor of many proteins involved in many biological processes such as photosynthesis and respiration. However, iron in excess can be deleterious to the cell due to its capacity to react with oxygen to form reactive oxygen species (ROS). Ferritins are plastidial proteins encoded by nuclear genes in order to store iron in a safe form. In plants, ferritin synthesis is mainly regulated at the transcriptional level in response to iron in contrast to animals, where it is mainly regulated at the post-transcriptional level.However, post-transcriptional regulation has been shown for the ferritin gene AtFer1. The AtFer1 mRNA is destabilized in response to oxidative stress generated by an excess of iron. This regulation involves a cis element called DST (DownSTream) located in the 3' untranslated region (3'-UTR) of this transcript. In two mutants previously identified as trans-acting (dst1 and dst2), this regulation is affected. Physiological characterizations of these mutants have shown this pathway is an important mechanism to control physiology and plant growth in response to oxidative stress.On the other hand, AtFer1 expression and expression of other genes encoding chloroplast proteins are regulated by a component of the mRNA decay machinery, the exoribonuclease XRN4. These mRNAs encoding chloroplast proteins would be localized on the surface of chloroplasts. This location would involve component of the mRNA decay machinery. The subcellular localization of AtFer1 mRNA was estimated by two approaches. AtFer1 mRNA was visualized by an imaging technique, fluorescent in situ hybridization revealed by (FISH) (i). Accumulation of mRNA encoding chloroplast proteins was evaluated in two fractions (purified chloroplasts and total leaves) to determine if some mRNAs are found enriched in the chloroplast fraction (ii) . Our results suggest that the AtFer1 mRNA is localized around chloroplasts, however, this location does not seem to be affected in the xrn4 mutant. Finally, this work has shown the regulation and function of ferritins in the roots of Arabidopsis. Iron in excess induces ferritin synthesis in roots, and AtFer1 then AtFer3 are the most expressed ferritin genes in this organ. Roots grown in iron excess present spots of iron in the cellular layers of the endoderm and pericycle, where AtFer1 and AtFer3 ferritin genes are expressed. This staining disappears in a triple fer1-3-4 ferritin mutant. Fe in excess decreases primary root length independently of the ferritins. In contrast, Fe excess mediated alteration of lateral root density and mean length requires ferritins, in particular at the highest Fe concentration tested. During an iron excess, ferritin are involved in the establishment of the H2O2 and O2.- gradient between proliferation and differentiation zones. This gradient is known to control of root growth.

Le sommeil est essentiel pour la consolidation de notre mémoire. Chez l'homme comme chez le rongeur, il est composé de sommeil paradoxal (REM), et de non-REM caractérisé par des oscillations delta (1-4Hz), spindles (8-14Hz) et ripples (150-200Hz), impliquées dans cette consolidation. Les mécanismes fins sous-tendant l'effet bénéfique du sommeil sur la mémoire ont été le plus clairement établis pour la mémoire spatiale chez le rongeur, qui dépend de l'hippocampe. Cette structure contient des cellules de lieu: des neurones dont l'activité est directement corrélée à la position de l'animal. Durant le sommeil, l'activité des cellules de lieu est rejouée au moment des ripples, comme si la trace mnésique se répétait pour consolider l'apprentissage. Par une interface cerveau-machine, nous avons associé les réactivations spontanées d'une cellule de lieu à une stimulation de récompense. Au réveil, la souris se rendait directement dans le lieu associé, prouvant que les cellules de lieu détiennent la même information spatiale durant la navigation et le sommeil. De plus, ce résultat montre le rôle causal des cellules de lieu dans la navigation, et valide la possibilité de créer une mémoire complexe durant le sommeil.Enfin, pour favoriser la transposition à l'homme des résultats sur la consolidation mnésique chez le rongeur, nous avons développé une méthode de différenciation des sous-stades de non-REM chez la souris dont les propriétés sont semblables à l'homme. Cette méthode a permis la description fine des processus de régulation du sommeil et des oscillations cérébrales associées ; le rôle du rythme respiratoire et du bulbe olfactif dans cette régulation étant également discuté. / Sleep is crucial for memory consolidation. In humans as in rodents, sleep is composed of a paradoxical phase (REM), and a non-REM phase, which is characterized by delta oscillations (1-4Hz), spindles (8-14Hz) and ripples (150-200Hz), all implicated in the consolidation process. The fine mechanisms underlying the beneficial effect of sleep in memory consolidation have been further detailed thanks to the model of rodent spatial memory, which depends on the hippocampus. This cerebral structure contains place cells, neurons whose activity is tightly correlated to the animal position. During sleep, place cells activity is replayed during ripples, as if the memory trace was repeated to consolidate spatial learning. Using a brain-machine interface, we triggered rewarding brain stimulation on the spontaneous reactivation of a given place cell during sleep. Upon awakening, the mouse went directly to the associated place field, showing that place cells still convey the same spatial information during sleep than during navigation. Moreover, this result shows the causal role of place cells in navigation, and confirms the feasibility of creating a complex new memory during sleep. At last, in order to facilitate translational research on sleep, we developed a scoring method which distinguishes different non-REM sleep phases as those observed in human sleep. Those substages revealed very similar characteristics to humans’ and this new method allowed the fine description of sleep regulation and associated brain rhythms; the role of respiratory rhythm and olfactory bulb in this regulation is also discussed.

Le métabolisme des acides gras (AG) est crucial dans le maintien de l’homéostasie. Son implication dans des processus tels que la signalisation, le stockage énergétique, l’isolation thermique, la régulation du comportement ne révèle qu’une fraction de la complexité et de la variabilité des rôles dans lesquels il peut être associé. En outre, ce métabolisme est dérégulé dans de nombreuses pathologies, diabète, obésité, cancers,... C’est pourquoi les enzymes de ce métabolisme constituent des cibles attractives pour développer de nouveaux traitements. Cependant les conséquences de ces dérégulations sur l’organisme sain sont encore mal connues, surtout à l’échelle de chaque organe.L’objectif de ma thèse était d’évaluer comment le métabolisme des AGs participe à la régulation de l’homéostasie au sein d’un organisme entier. Pour cela, j’ai utilisé les possibilités génétiques du modèle drosophile dont le métabolisme est comparable à celui des mammifères. J’ai ainsi montré que la synthèse d’AGs contribue à neutraliser les effets toxiques du sucre alimentaire. Ce processus se fait en coopération avec la voie de la détoxification du méthylglyoxal qui permet de prévenir la formation de composés issus de la glycation non enzymatique. J’ai aussi contribué à montrer que les précurseurs des hydrocarbures et phéromones ont une origine flexible, qui dépend du maintien de l’homéostasie et qui peut perturber les interactions entre individus. Je suis actuellement en train d’étudier la sensibilité à l’inhibition de la synthèse d’AG de différents modèles de croissance dérégulée. Enfin, dans un travail préliminaire, j’ai montré que le métabolisme des AGs est essentiel dans le tube digestif, possiblement en perturbant l’homéostasie hydrique de la larve.L’ensemble de ces résultats aidera à mieux cerner l’importance du métabolisme des AGs dans le maintien de l’homéostasie d’un organisme sain et dans des processus dérégulés. / Fatty acid (FA) metabolism is crucial in maintaining homeostasis, but also in a numerous of processes including signaling, energy storage, protection to temperature loss, regulation of behavior... In addition, FA metabolism is deregulated in several pathologies including diabetes, obesity, and cancers... Therefore, the enzymes that catalyze the reactions of the FA metabolic pathways constitute attractive targets to develop novel therapies. However the consequences of these deregulations in healthy organism are still poorly known, in particular at the level of each organ.The aim of my PhD was to estimate how FA metabolism participates in the regulation of homeostasis within a whole body organism. To address these issues, I used the genetic possibilities of the Drosophila model, whose metabolism is similar to that of mammals.I showed that FA synthesis contributes to neutralize the toxic effects of dietary sugar. This process operates in cooperation with the methylglyoxal detoxification pathway, which prevents the formation of compounds resulting from the non-enzymatic glycation. I also contributed to a project showing that the precursors of hydrocarbons and pheromones have a flexible origin, which depends on lipid homeostasis and may affect sexual recognition between individuals. Currently, I’m studying the consequences of FA synthesis inhibition in various deregulated growth models. Finally, in a preliminary work, I showed that the FA metabolism is essential in the digestive tract, possibly by disrupting water homeostasis in larvae. Taken together, these results will help to characterize the importance of FA metabolism in healthy organism as well as in deregulated processes.

Chez les mammifères, deux protéines cytosoliques régulatrices du fer, IRP1 et IRP2 (Iron Regulatory Proteins), sont impliqué dans le métabolisme de ce métal biologiquement essentiel. Ces protéines peuvent fixer des régions spécifiques d'ARNm, appelée Iron Responsive Elements, et ainsi contrôler l'expression des protéines impliquées dans l'importation, le stockage et l'utilisation du fer. IRP1 peut perdre sa capacité de fixer l'ARN en acquièrent un agrégat [4Fe-4S] lui conférant une activité d'aconitase cytosolique catalysant la conversion du citrate en isocitrate. Le rôle physiologique exact d'IRP1 n'est pas encore complètement clair mais des indications laissent à penser qu'elle serait impliquée dans la réponse au stress oxydant.<br />L'IRP1 humaine a une masse moléculaire de 98 kDa. La forme contenant un agrégat [4Fe-4S] a été cristallisée dans des conditions anaérobiques et un jeu de donnée allant jusqu'à 1,85 Å a été collecté. Un remplacement moléculaire a été tenté afin de résoudre la structure de la protéine à partir de la structure de l'aconitase mitochondriale de bœuf qui présente 22% d'identité de séquence avec IRP1 mais sans succès. Par la suite, une seconde forme cristalline diffractant à 2,5 Å de résolution a été obtenue. Le signal anomal de l'agrégat fer-soufre ainsi que celui d'un site zinc inattendu dans l'enzyme native ont été utilisés en plus des données isomorphes d'un dérivés or pour résoudre le problème de la phase. La structure a été affinée et analysée en respectant la fonction aconitase et celle de fixation d'ARN de la protéine et ce en utilisant les résultats des différentes études de mutagenèse dirigée disponibles dans la littérature.

La protéine p97/VCP est un membre de la famille des ATPase AAA+ et joue un rôle majeur dans de nombreux processus cellulaires tel que le contrôle de l’homéostasie protéique ou de fonctions associées à la chromatine (transcription, réplication, dommage à l’ADN, progression du cycle cellulaire). De plus, la protéine p97/VCP est impliquée dans un nombre croissant de maladies dont les cancers où il a été montré qu’elle contribue à l’homéostasie protéique et l’adaptation au stress oncogéniques. En effet, l’expression de la protéine p97/VCP est augmentée dans de nombreux cancers et dans certains cas corrèle avec une récurrence de la tumeur et un mauvais pronostique pour les patients. Cependant, le mécanisme moléculaire précis par lequel la protéine p97/VCP régule l’homéostasie protéique des cellules tumorales reste incertain. Pour remédier à cela, nous avons démontré un rôle de la protéine p97/VCP dans le contrôle de l’expression des gènes lors du stress du Réticulum Endoplasmique (RE). Nous avons trouvé que en conditions basales, la protéine RuvBL2 fait partie d’un complexe remodeleur de la chromatine qui contient les protéines HDAC1 et mSin3A et agit comme un répresseur des gènes de stress du RE. De plus, nous avons identifié le gène Gli1, un effecteur connu de la voie de signalisation Hedgehog comme cible de la protéine p97/VCP et du complexe RuvBL2-HDAC1-mSin3A. Ainsi en condition de stress du RE, la voie de signalisation Hedgehog qui a été impliqué dans le développement de cancers est activée. Globalement, nos travaux indiquent que p97/VCP agit comme un interrupteur moléculaire pour inactiver le complexe répresseur RuvBL2-HDAC1 en condition de stress du RE et ainsi activer les gènes de stress du RE et de la voie de signalisation Hedhehog de façon non-canonique. / P97/VCP is a member of the AAA+ ATPase family that plays major roles in various cellular processes including control of protein homeostasis and chromatin-associated functions (transcription, replication, DNA damage, cellular cycle progression). Moreover, p97/VCP is involved in a growing number of diseases including cancers in which it has been shown to contribute to protein homeostasis and adaptation to oncogenic stresses. Indeed, p97/VCP expression is increased in numerous cancers and in some cases correlates with tumor recurrence and poor prognosis for patients. However, the precise mechanism by which p97/VCP regulates tumor cell proteostasis remains unclear. To address this, we demonstrated a role of p97/VCP in gene expression control upon endoplasmic reticulum (ER) stress. We found that in basal conditions, RuvBL2 is part of chromatin remodeler complex that included HDAC1 and mSin3A and act as a repressor of ER stress genes. However under ER stress, ubiquitinylated RuvBL2 is degraded by p97/VCP thus causing activation of ER stress genes. Moreover, we have identified GLI1, a known effector of Hedgehog signaling, as a target of the p97/VCP and RuvBL2-HDAC1-mSin3A complex. As a result under ER stress conditions, the Hedgehog pathway which have been linked to cancer development is non-canonically activated. Overall, our work indicated that p97/VCP acts as a molecular switch to inactivate RuvBL2-HDAC1 repressor complex under ER stress thus activating ER stress genes and Hedgehog genes in a non-canonical manner.

De la 1ère extinction massive il y a 443 millions d’années, à la catastrophe nucléaire de Fukushima en 2011, notre planète nous montre qu’elle est un organisme vivant en perpétuelle évolution. Alors que les catastrophes et les crises rythment l’humanité, il semble se révéler que les ruptures d’hier permettent les constructions de demain. Le concept polysémique de crise s’est imposé au travers des âges, pour nommer ce qui paraissait indéfinissable. En s’enrichissant de l’histoire ancienne et moderne, ce travail de recherche essaye d’appréhender la notion de crise dans son système. L’approche écosystémique contribue alors à bien discerner ce qui la caractérise. Ce travail effectué nous autorise alors à étudier ce qui constitue la nature de la crise. L’ambition étant de décrypter les ruptures pour éviter le chaos. Comme nous l’apprenait Antoine Lavoisier « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». Pour y arriver, les retours d’expériences et la théorisation des bonnes pratiques nous démontrent qu’il est nécessaire de bien discerner la nature de l’équilibre propre à notre système pour réussir à identifier les éléments du socle qui nous constitue. Il se révèle alors vital de déterminer ce qui constitue notre homéostasie, ce qui caractérise un écosystème qui résiste aux changements (perturbations) et arrive néanmoins à conserver un état d’équilibre. Cette analyse nous permet alors d’étudier et d’envisager les process nécessaires à mettre en place pour augmenter notre résilience. / From the 1st massive extinction 443 million years ago to Fukushima’s nuclear catastrophe in 2011, our planet never stopped demonstrating it is a living organism continually evolving. As disasters and crisis are pacing humanity, it seems that the past disruptions are leading to the future achievements. The polysemous nature of crisis has emerged through ages, to define the indefinable. Enriched with modern and ancient history, this study tries to circumscribe the notion of crisis. An ecosystem approach helps identifying its features. The work done allows us to study the origins of crisis. The ambition is to decipher disruptions in order to avoid chaos. As Antoine Lavoisier would put it « noting is lost, nothing is created, everything is transformed », but to succeed, best practices and operating experience show us that we must understand the real nature of our system, and clearly identify the basics. It is essential to identify what constitute our homeostasis, what are the features of an ecosystem that stands firm and maintain its balance, this analysis allows us to study and consider the necessary processes that must be implemented in order to increase our resilience.