La métabolomique permet une étude à large échelle du profil métabolique d'un individu, représentatif de son état physiologique. La comparaison de ces profils conduit à l'identification de métabolites caractéristiques d'une condition donnée. La métabolomique présente un potentiel considérable pour le diagnostic, mais également pour la compréhension des mécanismes associés aux maladies et l'identification de cibles thérapeutiques. Cependant, ces dernières applications nécessitent d'inclure ces métabolites caractéristiques dans un contexte plus large, décrivant l'ensemble des connaissances relatives au métabolisme, afin de formuler des hypothèses sur les mécanismes impliqués. Cette mise en contexte peut être réalisée à l'aide des réseaux métaboliques, qui modélisent l'ensemble des transformations biochimiques opérables par un organisme. L'une des limites de cette approche est que la métabolomique ne permet pas à ce jour de mesurer l'ensemble des métabolites, et ainsi d'offrir une vue complète du métabolome. De plus, dans le contexte plus spécifique de la santé humaine, la métabolomique est usuellement appliquée à des échantillons provenant de biofluides plutôt que des tissus, ce qui n'offre pas une observation directe des mécanismes physiologiques eux-mêmes, mais plutôt de leur résultante. Les travaux présentés dans cette thèse proposent une méthode pour pallier ces limitations, en suggérant des métabolites pertinents pouvant aider à la reconstruction de scénarios mécanistiques. Cette méthode est inspirée des systèmes de recommandations utilisés dans le cadre d'activités en ligne, notamment la suggestion d'individus d'intérêt sur les réseaux sociaux numériques. La méthode a été appliquée à la signature métabolique de patients atteints d'encéphalopathie hépatique. Elle a permis de mettre en avant des métabolites pertinents dont le lien avec la maladie est appuyé par la littérature scientifique, et a conduit à une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents et à la proposition de scénarios alternatifs. Elle a également orienté l'analyse approfondie des données brutes de métabolomique et enrichie par ce biais la signature de la maladie initialement obtenue. La caractérisation des modèles et des données ainsi que les développements techniques nécessaires à la création de la méthode ont également conduit à la définition d'un cadre méthodologique générique pour l'analyse topologique des réseaux métaboliques. / Metabolomics allows large-scale studies of the metabolic profile of an individual, which is representative of its physiological state. Metabolic markers characterising a given condition can be obtained through the comparison of those profiles. Therefore, metabolomics reveals a great potential for the diagnosis as well as the comprehension of mechanisms behind metabolic dysregulations, and to a certain extent the identification of therapeutic targets. However, in order to raise new hypotheses, those applications need to put metabolomics results in the light of global metabolism knowledge. This contextualisation of the results can rely on metabolic networks, which gather all biochemical transformations that can be performed by an organism. The major bottleneck preventing this interpretation stems from the fact that, currently, no single metabolomic approach allows monitoring all metabolites, thus leading to a partial representation of the metabolome. Furthermore, in the context of human health related experiments, metabolomics is usually performed on bio-fluid samples. Consequently, those approaches focus on the footprints left by impacted mechanisms rather than the mechanisms themselves. This thesis proposes a new approach to overcome those limitations, through the suggestion of relevant metabolites, which could fill the gaps in a metabolomics signature. This method is inspired by recommender systems used for several on-line activities, and more specifically the recommendation of users to follow on social networks. This approach has been used for the interpretation of the metabolic signature of the hepatic encephalopathy. It allows highlighting some relevant metabolites, closely related to the disease according to the literature, and led to a better comprehension of the impaired mechanisms and as a result the proposition of new hypothetical scenario. It also improved and enriched the original signature by guiding deeper investigation of the raw data, leading to the addition of missed compounds. Models and data characterisation, alongside technical developments presented in this thesis, can also offer generic frameworks and guidelines for metabolic networks topological analysis.

Le sel joue un rôle essentiel dans la conservation des produits de charcuterie puisqu’il inhibe le développement bactérien. Or les recommandations nutritionnelles visent à réduire les teneurs en sel dans les denrées alimentaires. Les objectifs de ce projet de thèse étaient (1) de caractériser la communauté bactérienne des chipolatas et le phénomène d’altération sous l’effet d’une réduction de sel et (2) de corréler la dégradation organoleptique des produits aux modifications de la communauté bactérienne.Nous avons tout d’abord caractérisé l’altération des chipolatas par des mesures sensorielles et physico-chimiques. Les travaux démontrent que l’intensité de l’altération est plus importante quand la teneur en sel est réduite et plus particulièrement lorsque les chipolatas sont conditionnées sous atmosphère modifiée. L’altération est caractérisée par la production d’odeurs soufrées, aigres et rances, une diminution du pH des chipolatas et une augmentation de la production d’exsudat.Parallèlement, nous avons décrit la diversité bactérienne des chipolatas altérées par analyse des ARNr 16S bactériens et l’abondance des espèces bactériennes a été quantifiée par qPCR. Par ces méthodes, nous avons pu distinguer la population dominante de la population sous-dominante. La baisse de sel entraine un déséquilibre d’abondance entre ces deux populations et ce déséquilibre résulte non pas de l’augmentation des espèces dominantes mais d’une diminution d’abondance des espèces sous-dominantes.Pour comprendre le rôle respectif de ces populations bactériennes, nous avons analysé leurs activités métaboliques par approche RNAseq. Les travaux montrent une forte activité métabolique des espèces sous-dominantes. Lorsque le sel est en plus faible concentration, l’expression des gènes de Serratia spp. impliqués dans la fermentation du pyruvate pour produire de l’éthanol, du CO2 et de l’acétate est plus importante. La production d’acétate par cette espèce bactérienne peut être reliée aux défauts d’altération observés (baisse de pH, production d’exsudat, odeur aigre).Ces travaux démontrent que le sel impacte la communauté bactérienne des chipolatas (abondance et activités métaboliques) et que cette perturbation compromet la qualité organoleptique des produits. / Salt content plays a key role in meat product preservation since it inhibits bacterial growth. However, dietary guidelines aim to reduce salt content in food. The objectives of this study were (1) to characterize the bacterial community of raw pork sausages and the spoilage phenomenon of these products under salt reduction conditions and (2) to correlate the organoleptic deterioration of the products to modifications in bacterial community.We first characterized the raw pork sausages spoilage by sensory and physicochemical analysis. The work demonstrates that spoilage intensity is greater under a reduced salt content, particularly when sausages are packaged under modified atmosphere. The spoilage is characterized by the production of sulfur, sour and rancid off-odors, a decrease in pH of the sausages and an increase of exudate production.At the same time, we described the bacterial diversity of spoiled sausages through 16S rRNA analysis. Abundance of bacterial species was quantified by qPCR. With these methods, we were able to distinguish the dominant population from the subdominant population. Reducing salt content causes an abundance imbalance between these two populations. This imbalance does not result from an increase of the dominant species; it results from a decrease in abundance of subdominant species.To understand the roles of these bacterial populations, we analyzed their metabolic activities by RNA-Seq approach. The works highlight a high metabolic activity of the subdominant species. When the salt concentration is lowest, the expression of Serratia sp. genes involved in the fermentation of pyruvate to produce ethanol, CO2 and acetate is most important. The acetate production may be connected to the spoilage defaults observed (decrease in pH, exudate production and sour off-odors).These studies reveal that salt reduction impacts the bacterial community of raw pork sausages (abundance and metabolic activities) and this disruption compromises the organoleptic quality of the products.

Les vaisseaux rétiniens sont accessibles par la visualisation du fond d'œil grâce notamment aux rétinophotographies. Cette visualisation donne donc un accès direct à l'étude de la microcirculation humaine. Depuis 1999, le logiciel IVAN® permet une analyse «semi-automatique» du calibre vasculaire rétinien. L'analyse de la littérature retrouve que les variations du calibre vasculaire rétinien sont le reflet cumulatif du poids de naissance, de facteurs génétiques, de l'âge, des facteurs de risques cardiovasculaires, de la fonction rénale et de l'inflammation. Les méta-analyses d'études épidémiologiques suggèrent un rôle prédictif des calibres vasculaires rétiniens sur les évènements cardiovasculaires : un calibre artériel rétinien étroit serait prédictif de maladie coronaire chez les femmes et augmenterait la mortalité cardiovasculaire globale ; un large calibre veineux serait prédictif d'accident vasculaire cérébral. Cette thèse a pour objectif d'approfondir les connaissances sur les déterminants des calibres vasculaires rétiniens chez les sujets indemnes d'athérosclérose clinique (antécédent de maladie coronaire, d'accident vasculaire cérébral, d'artériopathie des membres inférieurs). Depuis 2007, en partenariat avec l'université de Melbourne, nous avons acquis le logiciel IVAN® et l'agrément permettant son utilisation en recherche clinique et épidémiologique a été obtenu en 2008. Dans un premier article, nous avons mis en évidence une relation linéaire entre calibre artériel et veineux et fonction rénale mesurée par des méthodes gold standard (filtration glomérulaire mesurée par la clairance de 99mTc-DTPA et ratio albuminurie/créatinurie) sur 80 sujets de la cohorte de médecine interne-hypertension artérielle de l'hôpital Lapeyronie, suggérant des déterminants communs de ces lésions précoces d'organes cibles. Dans un deuxième article, nous avons tout d'abord confirmé le lien entre dilatation veineuse rétinienne et inflammation systémique, puis observé une relation entre calibre artériel étroit et stress oxydatif sur les participants de la cohorte POLA (pathologies oculaires liées à l'âge). Cela est d'une importance particulière car cela suggère que la microcirculation rétinienne, dont des associations avec la macrocirculation carotidienne et cardiaque ont été retrouvées, serait particulièrement sensible au stress oxydatif et à l'inflammation, de façon indépendante des facteurs de risques cardiovasculaires. Dans un troisième article, nous avons retrouvé une relation entre malnutrition biologique et dilatation veineuse rétinienne sur les participants de la cohorte POLA. Cela suggère que des remaniements microcirculatoires précoces pourraient être un mécanisme associé à l'augmentation du risque cardiovasculaire observé chez les sujets âgés souffrants de malnutrition. Les caractéristiques techniques du logiciel IVAN® limitent sa généralisation en médecine, mais son utilisation permet d'approfondir les connaissances sur les déterminants des variations de calibre des vaisseaux de la rétine. Le futur challenge des études sur la vascularisation rétinienne utilisera probablement l'étude de la géométrie vasculaire rétinienne afin d'améliorer la compréhension de microcirculation humaine. / Retinal photography, by allowing a direct observation of retinal vessels, may thus constitute a practical and noninvasive method for the examination of early changes in human microcirculation. Since 1999-2000, IVAN ® software allows for a "semi-automatic" retinal vascular caliber analysis. In the literature, changes in the caliber of retinal vessels have been shown to reflect the cumulative effects of birth weight, genetic factors, aging process, cardiovascular risk factors, renal function, and inflammation. In meta analyses from epidemiological studies, wider retinal venules and narrower arterioles were associated with an increased risk of coronary heart disease in women and an increased risk of global cardiovascular mortality, while wider retinal venular caliber predicted stroke. The aim of the current research is thus to improve the knowledge of retinal vascular calibers determinants in subjects free of clinical evidence of atherosclerosis (either stroke or coronary and peripheral artery disease). In 2007, Melbourne University provided us IVAN ® software and the agreement for its use in clinical and epidemiological research was obtained in 2008. In a first article, an inverse linear relationship between retinal arterial and venous caliber and renal function measured with gold standard methods (glomerular filtration rate from urinary clearance of 99mTc-DTPA and urinary albumin ⁄ creatinine ratio.) was observed in 80 subjects from the cohort of internal medicine-arterial hypertension-Lapeyronie hospital, suggesting common determinants of these preclinical target organ damages. In a second article, we first confirmed the relationship between a wider retinal venular caliber and inflammation, as well as provided evidence for a novel association between wider retinal arteriolar caliber and oxidative stress quantified by GPx-3 activity in the participants of the POLA (Pathologies Oculaires Liées à l'Age) cohort. This finding is of particular importance as it suggests that retinal microvasculature, which has been related to carotid arterial stiffness and cardiac remodeling, may be particularly sensitive to systemic oxidative stress and systemic inflammation, independently of known cardiovascular risk factors. In a third article based on POLA cohort participants, a retinal venular dilatation appears to be strongly associated with malnutrition biomarkers (albumin and transthyretin). This suggests that early microvascular changes may be one of the mechanisms associated with the observed increased risk of cardiovascular disease among elderly subjects with malnutrition. Technical characteristics of IVAN® software limit its generalization in medicine, but its improved our knowledge about the caliber of retinal vessels changes. The future challenge for retinal microcirculation research will probably use parameters of retinal vascular geometry for a better understanding of human microcirculation.

L'oxydation phosphorylante mitochondriale est au cœur du métabolisme énergétique hépatique. Son dysfonctionnement participe aux anomalies qui sous-tendent l'insulino-résistance. L'effet d'une nouvelle molécule, E008, sur l'oxydation phosphorylante mitochondriale hépatique est étudié. <br />Sous l'action de E008, les hépatocytes isolés, incubés ou périfusés, présentent une inhibition de leur consommation d'oxygène, une élévation des potentiels redox associée à une baisse des rapports ATP/ADP. E008 inhibe donc l'oxydation phosphorylante. Avec E008, les hépatocytes élèvent leur potentiel de membrane mitochondrial, comme avec l'oligomycine ou l'atractyloside. L'inhibition de la respiration est relevée par l'addition d'un découplant. E008 inhibe le complexe de phosphorylation mitochondrial. <br />La respiration des mitochondries hépatiques isolées de rats traités par E008 en injection sous-cutanée n'est pas inhibée. L'activité du complexe I de la chaîne respiratoire et celle de la F1-ATPase ne sont pas modifiées. Enfin, le gonflement mitochondrial initié par les substrats de la chaîne respiratoire ne montre pas de différence sur la cinétique d'expulsion des protons, ni sur la force proton-motrice. Il en est de même lorsque le gonflement mitochondrial est initié par l'hydrolyse de l'ATP par l'ATP synthase, avec des concentrations croissantes d'ATP qui permettent de mesurer à la fois le Km et la vitesse maximale du système. L'action de E008 sur l'oxydation phosphorylante n'est pas directement observable sur les mitochondries hépatiques isolées. L'inhibition exercée par E008 sur la phosphorylation mitochondriale est donc indirecte, liée à un processus qui nécessite l'intégrité cellulaire.

Nous développons une approche générique pour comprendre comment différents régimes alimentaires peuvent influencer la qualité et la composition du lait. Cette question s'intègre dans le cadre du Flux Balance Analysis (FBA), qui consiste à analyser un réseau métabolique en optimisant un système de contraintes linéaires. Nous avons proposé une extension du FBA pour analyser la transformation des nutriments en intégrant des hypothèses biologiques utilisées par différents modèles numériques dans un modèle générique de la glande mammaire. Notre méthode permet de quantifier les précurseurs qui interviennent dans la composition des sorties du système, en calculant des contributions des entrées dans les sorties [AIO]. A l'aide de cette approche, nous avons montré que la transformation des nutriments du lait ne peut pas être modélisée par l'optimisation d'une combinaison linéaire des flux des réactions sur un modèle du métabolisme mammaire. Pour étudier plus précisément la flexibilité d'un réseau métabolique, nous avons proposé un algorithme efficace de recherche locale pour calculer les valeurs extrémales des coefficients des AIOs. Cette approche permet de discriminer les traitements sans formuler d'hypothèses sur le comportement interne du système.

L'appareil respiratoire des porcs est colonisé par plusieurs bactéries, parmi lesquelles trois espèces de mycoplasmes : Mycoplasma flocculare, Mycoplasma hyopneumoniae et Mycoplasma hyorhinis. Lors de ce doctorat, notre principal objectif était de mieux comprendre le métabolisme différentiel dans chacune des espèces à l'aide de différentes approches. Nous avons reconstruit les réseaux métaboliques complets pour toutes les souches séquencées de ces trois espèces de mycoplasmes afin d'y détecter des caractéristiques distinctes. Nous avons pu montrer que, bien que les trois espèces de mycoplasmes du porc ont des capacités métaboliques semblables, certaines différences existent qui incluent, d'une part, le catabolisme de myo-inositol et un système plus complet pour l'absorption du glycérol, et d'autre part, une large gamme de moyens d'absorption de carbohydrates chez M. hyorhinis. L'utilisation de glycérol comme source de carbone, une activité qui est absente uniquement dans M. flocculare, produit du peroxyde d'hydrogène qui est toxique, ce qui peut expliquer l'absence de pathogénicité de cette espèce. L'absorption d'un plus large éventail de sources de carbone chez M. hyorhinis peut également expliquer pourquoi cette espèce est un contaminant largement connu des cultures cellulaires. Des expériences de croissance ont montré que les milieux définis décrits pour d'autres espèces de mycoplasmes ne sont pas appropriés pour la croissance de mycoplasmes du tractues respiratoire de porcs, et que la peptone est essentielle pour le maintien de la viabilité des cellules à la fois de M. hyopneumoniae et de M. flocculare dans des milieux définis. Dans ce travail, nous proposons également de nouveaux média définis qui, in silico, sont extrêmement appropriés pour les mycoplasmes du porc. Les données de métabolomique suggèrent que même si ces espèces sont extrêmement similaires du point de vue de leurs génomes et des métabolismes, les produits et les taux de réaction diffèrent et la régulation des gènes peuvent interférer directement dans le métabolisme. Pour expliquer ces différences ainsi que d'autres décrits dans la littérature qui suggèrent que certains types de régulation de l'expression du gène existent en effet dans ces espèces, nous avons également essayé de recueillir des informations sur de nouvelles séquences promotrices. Ainsi, cette thèse servira de base pour l'étude du métabolisme différentiel et des pathologies causées par les mycoplasmes du tractus respiratoire du porc et pourra aider à proposer des façons de prévenir à l'avenir le développement des maladies associées / In this PhD thesis, we presented three main types of analyses of metabolism, and in most cases involving symbiosis: metabolic dialogue between a trypanosomatid and its symbiont, comparative analyses of metabolic networks and exploration of metabolomics data. The respiratory tract of swines is colonized by several pathogenic bacteria, among which are three mycoplasma species: Mycoplasma flocculare, Mycoplasma hyopneumoniae, and Mycoplasma hyorhinis. In this work, we created whole-genome metabolic network reconstructions for all sequenced strains from these three Mycoplasma species. Similar to other Mycoplasma models all reconstructed networks exhibit low connectivity due to the simplicity of the biological model. We were able to show that the three swine mycoplasma species have similar metabolic capabilities. Interesting metabolic differences include the myo-inositol catabolism and a more complete system for glycerol uptake in M. hyopneumoniae and a wide range of carbohydrate uptake in M. hyorhinis. Glycerol conversion to DHAP, a missing activity only in M. flocculare, produces toxic hydrogen peroxide and may explain the lack of pathogenicity of this species. The uptake of a wider range of carbon sources in M. hyorhinis may also explain why this species is a wide-known contaminant in cell cultures. Growth experiments showed that defined media described for other Mycoplasma species are not suitable for the growth of respiratory tract swine mycoplasmas and that peptone is essential for the maintenance of cell viability of both M. hyopneumoniae and M. flocculare in defined media. Metabolomic data suggests that even though these species are extremely similar from a genomic and metabolic point of views, the products and reaction rates differ and gene regulation may interfere directly in metabolism. This, in turn, may account for many aspects still unknown that influence directly different levels of pathogenicity in each of them

Nous avons exploré les altérations cérébrales liées à l’âge, dans des conditions physiologiques ou pathologiques (maladie d’Alzheimer), à partir de deux modèles murins, SAM-P8 (souris à sénescence accélérée) et 5xFAD..Dans les deux cas, les animaux montrent des signes de neuroinflammation avec libération de la principale cytokine pro-inflammatoire IL-1β. Ces troubles sont sans conteste d’origine endogène, puisqu’ils n’ont pas été observés chez les témoins. Il faut souligner que les astrocytes 5xFAD ont été prélevés chez des nouveau-nés et par conséquent leur état inflammatoire signifie que la neuroinflammation est une des toutes premières manifestations de la pathologie, bien en amont de la formation des plaques amyloïdes.Dans toute pathologie complexe, les troubles sont la résultante d’un ensemble de processus pathologiques. Nous avons donc recherché les effets protecteurs de la pantéthine. Cette molécule naturelle de faible taille moléculaire, a démontré une action de protection dans plusieurs pathologies cérébrales. Dans la présente étude, le traitement des astrocytes et des souris par la pantéthine modère les altérations observées dans les deux modèles. En particulier, le traitement stimule l’expression de HIF-1α, via son action sur le cycle de Krebs et sur l’activité du protéasome.En conclusion, nous avons montré que la neuroinflammation est à la base du processus pathologique conduisant à la maladie d’Alzheimer et qu’elle se manifeste également au cours du vieillissement. La pantéthine est donc susceptible de contrecarrer le développement de la maladie, comme de tempérer les effets du vieillissement cérébral. / We used two mouse models to explore the age-related cerebral alterations, under physiological and pathological conditions (Alzheimer’s disease), i.e. senescence accelerated SAM-P8 and transgenic 5xFAD mice.In the two models, mice showed signs of neuroinflammation with release of the major inflammatory cytokine IL-1β. Such events were undoubtedly of endogenous origin as they did not occur in the controls. It should be underlined that, since 5xFAD astrocytes were collected in newborns, their inflammatory status means that neuroinflammation is a very early step of Alzheimer’s disease pathological process, upstream of β-amyloid accumulation.Since in a complex disease such as Alzheimer’s brain insults result not from a single cause but from multiple pathological processes, we explored the protective effects of pantethine, a low-molecular-weight, multifunctional agent which has been shown to exert protective effects in several neurodegenerative diseases through multiple convergent mechanisms. In our study, pretreatment of astrocytes and treatment of mice with pantethine moderated age-related alterations. Moreover, it enhanced HIF-1α expression via the modulation of the Krebs’ cycle and proteasomal activities. In addition, a genome wide transcriptomic analysis from hippocampus samples of 5xFAD mice showed that pantethine attenuated most of gene overexpression in transgenic vs WT mice.In conclusion, we found that neuroinflammation lays at the root of Alzheimer’s disease pathological process and is also present in aging mice. Pantethine, this natural and well-tolerated compound could therefore prevent the disease development and temper the deleterious aging effects.

Clostridium acetobutylicum, une bactérie anaérobie stricte, à Gram positif et sporulante est maintenant considérée comme l'organisme modèle pour l'étude du métabolisme complexe desClostridies solvantogènes. Néanmoins, malgré de nombreuses études sur le sujet, les mécanismes moléculaires impliqués dans l'induction de solvantogénèse ne sont pas encore totalement compris. Une souche témoin et trois mutants métaboliques simples avec une délétion dans les phases codantes de gènes clés impliqués dans les formations d’acides / de solvants, à savoir ΔadhE1, ΔadhE2 et ΔbukΔptb300, ont été analysés par une approche globale à l'échelle du système pour mieux caractériser la régulation de la formation de solvant chez C. acetobutylicum d’un point de vue physiologique.Tout d'abord, la souche témoin ΔCA_C1502Δupp a été cultivée en chemostat limité en phosphate sous trois états métaboliques différents: l’acidogénèse, la solvantogénèse, et l'alcoologénèse. Les cultures ont été analysées par une approche de transcriptomique et de protéomique quantitative associée à une analyse fluxomique, basée sur un modèle l’échelle du génome, iCac967, développé au cours de la thèse. Cette étude a permis de mesurer le nombre de molécules d'ARNm par cellule pour tous les gènes dans les trois conditions métaboliques ainsi que le nombre de molécules de protéines cytosoliques par cellule pour environ 700 gènes dans au moins une des trois conditions de régime permanent.ΔadhE1 et ΔadhE2 ont été analysés ensemble et comparés à la souche témoin dans les mêmes conditions par une analyse transcriptomique et fluxomique globale. En condition solvantogène, seul le mutant ΔadhE1 présentait des changements significatifs montrant une diminution de la production de butanol et des changements d'expression au niveau transcriptionel dans de nombreux gènes. En particulier, adhE2 était surexprimé montrant qu’AdhE2 peut remplacer partiellement AdhE1 pour la production de butanol en solvantogénèse. En condition alcoologène, seul le mutant ΔadhE2 a montré des changements frappants dans l'expression des gènes et des flux métaboliques, avec notamment une perte totale de la production de butanol.Il est par conséquent démontré que AdhE2 est essentiel pour la production de butanol en alcoologénèse et que les flux métaboliques ont été réorientés vers la formation du butyrate. En condition acidogène, les flux métaboliques n'ont pas été significativement modifiés chez les deux mutants, mise à part la perte complète de la formation de butanol chez ΔadhE2, mais de manière surprenante des changements importants ont été observés, par analyse transcriptionnelle, dans l'expression de nombreux gènes. En outre, la plupart des gènes sur- ou sous-exprimés de manière significative dans cette condition physiologique, le sont pour les deux mutants.Le mutant ΔbukΔptb300 a également été analysé et comparé à la souche témoin dans les mêmes onditions par une analyse transcriptomique et fluxomique globale. En condition acidogène, le principal métabolite était le butanol et un nouveau composé est aussi produit qui a été identifiécomme étant du 2-hydroxy-valérate. En condition solvantogène, une augmentation de la production de butanol a été obtenue par rapport à la souche de contrôle et un rendement très élevé de formation de butanol a été atteint. En condition alcoologène, le produit principal était le lactate. En outre, au niveau transcriptionnel, adhE2 connu comme un gène exprimé spécifiquement en alcoologénèse, était étonnamment fortement exprimé dans tous les états métaboliques chez le mutant. / Clostridium acetobutylicum, a Gram-positive, strictly anaerobic, spore-forming bacterium is now considered as the model organism for the study of the complex metabolism of solventogenic Clostridia. Nevertheless, the molecular mechanisms involved in the induction ofsolventogenesis are not totally understood. A control strain and three single metabolic mutants with in frame deletion in key genes involved in acid/solvent formations, namely ΔadhE1, ΔadhE2, and ΔbukΔptb300, were analyzed by a system scale approach to better characterize the regulation of solvent formation in C. acetobutylicum from a physiological point of view.First of all, the control strain ΔCA_C1502Δupp was cultured in phosphate-limited chemostat under three different metabolic states, acidogenesis, solventogenesis, and alcohologenesis. Thecultures were analyzed by a quantitative transciptomic and proteomic approach, and finally associated with a fluxomic analysis, based on the reconstructed genome-scale model, iCac967 developed during the thesis. This study provided the number of mRNA molecules per cell for all genes under the three metabolic conditions as well as the number of cytosolic protein molecules per cell for approximately 700 genes under at least one of the three steady-state conditions.ΔadhE1 and ΔadhE2 were analyzed together to be compared to the control strain under same conditions in transcriptomic and fluxomic level. Under solventogenesis, only ΔadhE1 mutant exhibited significant changes showing decreased butanol production and transcriptional expression changes in numerous genes. In particular, adhE2 was overexpressed; thus, AdhE2 can partially replace AdhE1 for butanol production under solventogenesis. Under alcohologenesis, only ΔadhE2 mutant exhibited striking changes in gene expression and metabolic fluxes, and butanol production was completely lost. Therefore, it was demonstratedthat AdhE2 is essential for butanol production and thus metabolic fluxes were redirected towardbutyrate formation. Under acidogenesis, metabolic fluxes were not significantly changed in both mutants except the complete loss of butanol formation in ΔadhE2, but numerous changes in gene expression were observed. Furthermore, most of the significantly up- or downregulated genes under this condition showed the same pattern of change in both mutants.ΔbukΔptb300 was also analyzed to be compared to the control strain under same conditions in transcriptomic and fluxomic level. Under acidogenic conditions the primary metabolite was butanol and a new compound, 2-hydroxy-valerate was produced while under solventogenesis, increased butanol production was obtained compared to control strain under same condition and a very high yield of butanol formation was reached. Under alcohologenesis, the major product was lactate. Furthermore, at the transcriptional level, adhE2 known as a gene specifically expressed in alcohologenesis, was surprisingly highly expressed in all the metabolic states in the mutant.

Au début de ce doctorat, plusieurs études avaient identifié l'intestin grêle, siège de l'absorption du glucose, en tant que premier organe impliqué dans le contrôle de l'homéostasie glucidique lors d'un repas. En particulier, il a été démontré que la détection entérique de glucose permettait d'impacter son utilisation par le muscle et le foie, via un relai central impliquant une libération hypothalamique de monoxyde d'azote (NO). De plus, notre groupe a également démontré qu'une altération de la détection entérique du glucose, associée à une réponse neuronale hypothalamique anormale, participait à la mise en place d'un Diabète de Type 2 (DT2). En plus de ces problèmes de détection de nutriments, les patients obèses et diabétiques souffrent de troubles de la motilité intestinale (en particulier d'une hypercontractilité intestinale), liés à une atteinte du Système Nerveux Entérique (SNE). En effet, ce dernier est constitué d'environ 600 millions de neurones interconnectés chez l'Homme, contrôlant les contractions des muscles lisses intestinaux. D'un point de vue régulation, le SNE communique en permanence avec le Système Nerveux Central (SNC) via des voies nerveuses afférentes et efférentes. L'équipe s'intéresse au rôle de l'apeline en tant que nouvelle cible thérapeutique potentielle pour traiter le DT2. En particulier, notre équipe a récemment montré que l'apeline était libérée par les entérocytes dans la partie proximale de l'intestin, et qu'à ce niveau elle contrôlait l'absorption intestinale du glucose. Cependant, le fait que l'apeline puisse également cibler les neurones du SNE, et donc moduler la contractilité intestinale, n'était pas encore démontré. Lors de ce travail de thèse, nous avons ainsi pu montrer qu'en fonction de sa concentration, l'apeline activait des populations neuronales entériques différentes provoquant une stimulation ou, au contraire, une inhibition des contractions duodénales. La stimulation de cette contractilité duodénale par de faibles concentrations d'apeline entraîne une augmentation de l'absorption intestinale de glucose, mais également une diminution de la libération de NO hypothalamique, aboutissant à une moindre utilisation de ce dernier par le muscle squelettique. A l'inverse, de fortes concentrations d'apeline sont associées à une diminution de cette activité duodénale, entraînant un retour de l'ensemble de ces paramètres à des niveaux contrôles. Dans un second temps, nous avons voulu tester si cette motilité duodénale pouvait être considérée comme une cible thérapeutique pour traiter le DT2. Pour cela, nous avons effectué un traitement oral quotidien, pendant une semaine, avec la concentration d'apeline capable de diminuer l'activité duodénale, chez des souris obèses-diabétiques. Cette stimulation chronique par l'apeline permet de restaurer la contractilité duodénale de ces souris diabétiques au même niveau que celle de souris saines. De plus, cet effet est associé à une amélioration de leur tolérance au glucose ainsi que leur index de résistance à l'insuline. Ainsi, ce doctorat a permis de décrire un nouveau mode de communication entre l'intestin et le cerveau dans le contrôle de l'homéostasie glucidique. En effet, moduler les contractions duodénales en modifiant l'activité du SNE permettrait non seulement d'impacter l'absorption intestinale de glucose, mais également d'activer un axe duodénum-hypothalamus aboutissant au contrôle de l'utilisation périphérique de glucose. Dès lors, ce couplage " SNE-contraction duodénale " représenterait une cible thérapeutique prometteuse dans le traitement de maladies métaboliques telles que le DT2. / Prior to this PhD, several studies had determined that the small intestine, the site of glucose absorption, is the first organ involved in the control of glucose homeostasis during food intake. In particular, enteric glucose detection has been demonstrated to impact its utilization by muscles and liver, via a central relay involving hypothalamic nitric oxide (NO) release. Moreover, our group has also demonstrated that an alteration of enteric glucose detection, associated with an abnormal hypothalamic neuronal response, participates in type 2 diabetes (T2D) development. In addition to these defaults of nutrients detection, obese and diabetic patients suffer from intestinal motility disorders (in particular intestinal hypercontractility), linked to an alteration of the Enteric Nervous System (ENS). The ENS is composed of 600 million interconnected neurons in humans, known to control intestinal smooth muscles. The ENS permanently communicates with the Central Nervous System (CNS) via afferent and efferent nervous messages. Our team studies the role of apelin as a new potential therapeutic target to treat T2D. In this context, our group has recently demonstrated that apelin is released by the enterocytes in the proximal part of the intestine. At this site, apelin controls intestinal absorption of glucose. However, it hadn't been addressed yet whether apelin is also able to target enteric neurons, and consequently modulate intestinal contractility. During this PhD, we have highlighted that, depending of its concentration, apelin activates different enteric neuronal populations, leading to stimulation or, on the contrary, inhibition of duodenal contractions. Stimulation of this duodenal contractility by low concentrations of apelin causes an increase in intestinal glucose absorption, but also a decrease in hypothalamic NO release, leading to a reduced utilization of glucose by skeletal muscle. Conversely, high concentrations of apelin are associated with a decrease in the duodenal activity, leading to the restoration of all these parameters at basal levels. Then, we wanted to test whether duodenal motility could be considered as a therapeutic target to treat T2D. We performed a daily oral treatment, during one week, with the concentration of apelin able to decrease duodenal activity in obese and diabetic mice. We have shown that this chronic apelin treatment restores duodenal contractility in diabetic mice, at a similar level to that observed in normal mice. Moreover, this effect is associated with an improved glucose tolerance and insulin resistance index. Thus, this PhD describes a new mode of communication between the intestine and the brain, in the control of glucose homeostasis. Indeed, the modulation of duodenal contraction by targeting ENS activity could not only impact intestinal glucose absorption, but also activate a duodenum-hypothalamus axis, leading to the control of peripheral glucose utilization. Consequently, the "ENS-duodenal contraction" coupling could represent a promising therapeutic target to treat metabolic diseases such as T2D.

Le diagnostic médical, se fait traditionnellement, par l'examen des symptômes cliniques, puis en cherchant sur des prélèvements (sang, urine, biopsies, etc.) la présence (ou l'absence) simultanée des bio-marqueurs des diverses pathologies envisagées par le médecin. La recherche des bio-marqueurs se fait a l'aide d'équipements importants, dans un laboratoire d'analyse; les résultats étant communiqués au médecin, qui va les interpréter en appliquant un algorithme de diagnostic médical.Nous avons voulu regrouper dans un seul dispositif, pour une pathologie donnée, la détection des bio-marqueurs et une implémentation de l'algorithme de diagnostic approprié. La présence ou l'absence d'un bio-marqueur peut être représentée par une variable booléenne, et l'algorithme de diagnostic par une fonction booléenne complexe dont la valeur indiquera la présence de la pathologie ciblée.Notre dispositif de diagnostic sera un nano-calculateur biochimique artificiel dans lequel les informations logiques seront représentées par des métabolites et les calculs effectués par un réseau enzymatique synthétique. Pour réaliser ce calculateur, il a été nécessaire d'établir un fondement théorique des réseaux logiques enzymatiques. Nous avons ensuite utilisé cette théorie pour définir ce qu'est un circuit logique enzymatique et comment il calcule correctement la fonction booléenne associée. Pour des raisons de modularité et de réutilisabilité, nous avons décidé de concevoir des bibliothèques de portes logiques enzymatiques implémentant les opérateurs booléens de base, puis d'assembler ces briques de base pour obtenir le réseau enzymatique complet. J'ai donc conçu et développé deux outils logiciels, NetGate et NetBuild, qui vont réaliser automatiquement ces opérations.NetGate, qui va créer des bibliothèques contenant des centaines de portes logiques enzymatiques obtenues à partir de réseaux métaboliques d'organismes existants. Auparavant, il était nécessaire d'analyser manuellement ces réseaux métaboliques pour extraire chaque porte.NetBuild, qui va utiliser une bibliothèque de portes (par exemple créée par NetGate) et les assembler pour construire des circuits qui calculent une fonction booléenne donnée. Ces circuits utilisent comme entrées des métabolites spécifiques (par exemple: bio-marqueurs d'une pathologie) et produisent en sortie une espèce moléculaire facilement détectable (par colorimétrie par exemple). / The medical diagnosis is traditionally done by examining the clinical symptoms and by searching in samples (blood, urine, biopsies, etc.) for the simultaneous presence (or absence) of biomarkers of the various pathologies considered by the doctor. The search for biomarkers is conducted using large equipments in a specialised laboratory; The results being communicated to the doctor, who will then interpret them by applying a medical diagnostic algorithm.We wanted to combine in a single device, for a given disease, the detection of its biomarkers and an implementation of the appropriate diagnostic algorithm. The presence or absence of a biomarker can be represented by a boolean variable, and the diagnostic algorithm by a complex boolean function whose value indicates the presence of the targeted disease. Our diagnostic device is an artificial biochemical nano-computer in which logical information is represented by metabolites and the computations performed by a synthetic enzymatic network. To build this computer, it has been necessary to establish a theoretical basis of enzymatic logical networks. We then used this theory to define what an enzymatic logic network is, and how it computes correctly the associated boolean function. For modularity and reusability reasons, we decided to design libraries of enzymatic logic gates that implement basic boolean operators, and then to assemble these building blocks to get the complete logic enzymatic network. So, I have designed and developed two software tools, NetGate and NetBuild, which will automatically perform these operations.NetGate creates libraries containing hundreds of enzymatic logic gates obtained from the metabolic networks of living organisms. Before that, it was necessary to manually analyse these metabolic networks in order to extract each logic gate.NetBuild uses a library of logic gates (for example created using NetGate) and assembles them to build circuits that compute a given boolean function. These circuits use specific metabolites for its inputs (for example the biomarkers of a pathology) and produce a readily detectable molecular species (using colorimetry for example).