Les connaissances sur les risques liés à l'inhalation de mycotoxines restent limitées, alors que ces toxines, présentes au niveau des spores fongiques, peuvent atteindre directement les épithéliums respiratoires. Les enzymes du métabolisme des xéniobiotiques pulmonaires peuvent moduler la toxicité de ces mycotoxines en les détoxifiant ou en formant des métabolites plus réactifs. Notre objectif était d'étudier in vitro le métabolisme pulmonaire de la stérigmatocystine et de la méthoxy-stérigmatocystine, deux mycotoxines présentes dans les environnements contaminés par les moisissures, et de prédire les éventuelles conséquences toxiques. L'étude du métabolisme en présence de cytochromes P450 exprimés dans des systèmes hétérologues, puis dans un modèle de culture primaire de cellules épithéliales trachéales porcines, a montré que ces mycotoxines étaient oxydées, principalement par les cytochromes P450 1A, et conjuguées par glucucoridation et sulfo-conjugaison. Ces deux toxines semblent principalement détoxifiées au niveau pulmonaire. Si une activation métabolique de la stérigmatocystine est possible, celle-ci semble limitée / Human health effects of inhaled mycotoxins remains poorly documented, despite these toxins are present in fungal spores et can directly reach the airway epithelia. Xenobiotic metabolozing enzymes can modulate lung toxicity of these mycotoxins through detoxification or reactive metabolite formation. Our aim was to study in vitro the metabolism and the cellular toxic consequences of two mycotoxins present in mold-contaminated environments, e.g. sterigmatocystin and methoxy-sterigmatocystin. The metabolism studies using recombinant cytochromes P450 enzymes and porcine tracheal epithelial cell primary cultures, showed that these mycotoxins could be oxidized by cytochrome P450 1A and conjugated by glucucoridation and sulfo-conjugation. Sterigmatocystin and methoxysterigmatocystin seem mainly detoxified in respiratory cells. If a metabolic activation of sterigmatocystin is possible, it seems limited

Dans le cadre de l’évaluation de la néphrotoxicité métabolique du cadmium, nous avons étudié l'effet du chlorure de cadmium (CdCl2) sur la néoglucogenèse dans les tubules rénaux proximaux murins et humains. Les expériences de dose-effets in vitro montrent que le CdCl2 inhibe l’utilisation de lactate et la production de glucose de façon dose-dépendante. En outre, le CdCl2 induit une diminution importante des concentrations cellulaires de l'ATP et des principaux composés contenant des groupements thiols tels que les coenzymes A et le glutathion réduit. Les mesures enzymatiques et de spectroscopie RMN du carbone 13, montrent que le CdCl2 produit dans les tubules rénaux murins et humains respectivement aux concentrations de 10 et 100 μM, une inhibition des flux à travers la lactate déshydrogénase et l'ensemble de la voie de la néoglucogenèse. Nos résultats sont en faveur d’une action inhibitrice directe du cadmium sur les enzymes intervenant dans la voie de la néoglucogenèse. Toutefois, la baisse intracellulaire en ATP, coenzymes A et glutathion, aurait un effet potentialisateur de cette inhibition. Ainsi, cette étude fournit une base biochimique pour une meilleure compréhension des mécanismes cellulaires des tubulopathies proximales survenant chez l'homme suite à une exposition chronique au cadmium. / As part of the assessment of metabolism nephrotoxicity of cadmium, we have studied the effect of cadmium chloride (CdCl2) on gluconeogenesis in isolated mouse and human renal proximal tubules. The dose-response experiments in vitro have shown that CdCl2 inhibits the use of lactate and glucose production in a dose-dependent fashion. Besides, the CdCl2 induced a significant decrease in cellular concentrations of ATP and the main compounds containing thiol groups such as coenzyme A and reduced glutathione. The enzymatic steps and 13C-NMR spectroscopy showed that CdCl2 produced in mouse and human kidney tubules respectively at concentrations of 10 and 100 μM, an inhibition of fluxes through lactate dehydrogenase and the entire gluconeogenic pathway. Our results are in favor of a direct inhibitory action of cadmium on enzymes involved in the gluconeogenic pathway. However, the decrease in intracellular ATP, glutathione and coenzyme A, would have a potentiating effect of this inhibition. Therefore, this study provides a biochemical basis for better understanding the cellular mechanisms of proximal tubular nephropathy occurring in humans following chronic exposure to cadmium.

Cette thèse porte sur l'écophysiologie et la physiologie d'une bactérie hyperthermophile et microaérophile, Aquifex aeolicus, cultivée dans différentes conditions d'oxygénation. Au cours de ce travail, trois systèmes expérimentaux (jarres, microcosmes et fermenteur) ont été testés : (1) le nouveau système de jarres qui été mis au point est muni de microplaques de 24 puits couplé à un robot. Il permet d'étudier un grand nombre de facteurs trophiques ou de formulations de milieux de cultures tout en conservant une atmosphère de composition constante, (2) pour l'étude de facteurs trophiques gazeux, l'utilisation des microcosmes a été montrée peu adaptée, amenant même dans certains cas, à des interprétations erronées, et, 3) le fermenteur reste le meilleur outil pour étudier l'influence de la concentration en O2 dissous (pO2) sur le métabolisme d'A. aeolicus. A partir des cinétiques de croissance obtenues en fermenteur, il a été établi que la densité de biomasse est constante et que la vitesse de croissance est maximale pour une pO2 comprise, respectivement, entre 0.006 et 6 mg/L et, entre 1 et 2 mg/L. Pour des pO2 supérieures à 2 mg/L, il a été montré que l'oxygène a un effet toxique sur la croissance d'A. aeolicus. Pour des conditions optimales d'oxygénation (pO2=1.5 mg/L) et lorsque l'H2 (100 mL/min) limite la croissance, le catabolisme énergétique est alors dévié vers la consommation du thiosulfate. En effet, pour les débits d'H2 de 450 et 100 mL/min, d'une part 97 et 79 % de l'O2 sont respectivement réduits par l'hydrogène et d'autre part 3 et 21 % de l'O2 sont respectivement réduits par le thiosulfate. / This manuscript addresses the physiology and ecophysiology of the microaerophilic hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus, grown under different oxygen-supply conditions. Three experimental systems, jar, microcosm and fermentor were tested in those experiments: (1) a newly-engineered jar system containing 24-well microplates coupled to an automated controller. This system allows to study a broad spectrum of trophic factors or culture media formulations while maintaining a constant atmospheric composition; (2) microcosm systems were, here, proved ill-adapted to studying gas-phase trophic factors, and in some cases even to leading to false interpretations; 3) the fermentor system remains the best tool to studying the influence of dissolved O2 concentration (pO2) on A. aeolicus metabolism. Based on in-fermentor growth kinetic curves, we established that biomass density was maximum and constant at a pO2 in the range 0.006 to 6 mg/L and growth rate was maximum at a pO2 of about 2 mg/L. At a pO2 over 2 mg/L, oxygen level had a toxic effect on A. aeolicus growth. Under optimal oxygen supply (pO2 = 1.5 mg/L) and when H2 (100 mL/min) is the growth-limiting factor, energy catabolism is diverted towards thiosulfate consumption: at H2 flow-rates of 450 and 100 mL/min, 97% and 79% of O2 is reduced by hydrogen while 3% and 21% of O2 is reduced by thiosulfate, respectively. Under over-oxygenation conditions (pO2 = 10.5 and 12 mg/L), growth was correlated to high thiosulfate consumption whereas the expression of genes encoding hydrogenases was significantly downregulated and hydrogenase activity was null.

L'ozone (O3), polluant atmosphérique et gaz à effet de serre, est responsable des pertes de production pour plusieurs espèces végétales. Actuellement, les seuils de risques ne prennent pas en considération la capacité de détoxication intrinsèque des cellules, qui dépend en partie de la régénération du NADPH. Dans cette dernière perspective, l'étude des différentes NADP-déshydrogénases cytosoliques dans les feuilles de deux génotypes de peuplier euraméricain (Populus deltoides x Populus nigra), montre que les activités de la cG6PDH (glucose-6-phosphate déshydrogénase) et de la ME (enzyme malique) sont plus élevées chez le génotype tolérant Carpaccio en réponse à un traitement O3 (120 ppb pendant 17 jours). Dans ces conditions, le maintien des teneurs en NADPH chez Carpaccio, nous a permis de conclure que la capacité des cellules à régénérer ce nucléotide, contribue à améliorer la tolérance face à l'O3. Par une approche de génétique inverse chez Arabidospis, nous avons étudié l'importance de l'activité isocitrate déshydrogénase (ICDH) et de la glutathion réductase 1 (GR1) sous O3, dans un contexte de modulation de la durée du jour. Nous montrons ainsi pour les différents génotypes une plus grande sensibilité à l'O3 lorsque les plantes croissent sous un régime de jours longs, nous soulignons l'interconnexion entre déshydrogénases NADPdépendantes chez le mutant icdh et nous mettons en évidence un possible rôle du glutathion dans le contrôle des interactions entre les fonctions de signalisation oxydante et antioxydante chez le mutant gr1. Enfin, nous avons montré que le monoxyde d'azote (NO) pouvait être en partie impliqué dans la régulation post-traductionnelle de la PEPC sous O3. En effet, nous avons montré que le SNP (donneur de NO) mime les effets de l'O3 alors que le prétraitement de rcd1, mutant surproducteur de NO sous O3, avec du cPTIO + LNNA prévient partiellement ces effets. De plus, l'incubation in vitro d'extraits protéiques foliaires avec du GSNO stimule fortement l'activité PEPC. Tous ces résultats corroborent l'hypothèse que sous O3, l'activité PEPC pourrait être modulée via S-nitrosylation. Cette hypothèse est confortée par la prédiction dans la séquence d'acides aminés de la PEPC de trois cystéines S-nitrosylées, très conservées chez les plantes / Ozone (O3), both an air pollutant and a greenhouse gas, is responsible for yield production losses. Current flux based threshold indices do not take in consideration intrinsic cell capacity for detoxification, which partly depends on NADPH regeneration. In this optic, the study of the NADP-dehydrogenases within leaves of two hybrid poplar (Populus deltoides x Populus nigra) genotypes showed that the activation of cG6PDH (glucose-6-phosphate dehydrogenase) and of ME (malic enzyme) was higher in the tolerant genotype (Carpaccio) in response to O3 treatment (120 ppb for 17 days). The maintenance of NADPH levels in Carpaccio, supported the hypothesis that the capacity for cells to regenerate this nucleotide, contributes to improve tolerance to O3.To investigate the importance of a specific cytosolic NADP?dehydrogenase, we used a reverse genetic approach to test isocitrate dehydrogenase (icdh) and glutathione reductase 1 (gr1) mutants to O3 in a context of day?length modulation. Our study reveals an important role for day length conditions in influencing O3 responses with extended damage for all the genotypes in long days, we pointed to overlapping functions of NADP-dependent dehydrogenases in icdh mutants, and highlights novel roles for the glutathione system in controlling the interactions between antioxidative and oxidative signaling functions in gr1 mutant. Finally, we showed that nitric oxide (NO) could be partly implied in the posttranslational regulation of PEPC under ozone. Treatment of the wild ecotype Col?0 with the NO donor SNP mimicked the O3 effects concerning development of visible injuries and the stimulation of PEPC activity. The pre-treatment of the NO-overproducer mutant rcd1, with cPTIO+L-NNA partially prevented both of these O3 effects. Additionally, in vitro incubation of a protein extract with GSNO strongly enhanced PEPC activity. All together, these results corroborated the hypothesis of the modulation of PEPC activity via Snitrosylation under O3, which is reinforced by the presence of three predicted and highly preserved Snitrosylated cysteines in the protein sequence

Le paludisme est responsable de la mort de près d'un million de personnes chaque année. Cette maladie est causée par le Plasmodium, parasite protozoaire appartenant à la famille des Apicomplexes. Dans cette thèse, nous avons développé des approches de biologie de systèmes pour l'étude du métabolisme des phospholipides (PL) métabolisme et de sa régulation chez Plasmodium. Ces voies métaboliques sont d'une importance primordiale pour la survie du parasite. À l'étape intra-érythrocytaire du développement, les espèces de Plasmodium exploitent un nombre important de voies de synthèse phospholipidique, qui sont rarement trouvées ensemble dans un seul organisme : (i) la voie dépendante ancestrale CDP-diacylglycerol des procaryotes ( ii) les voies eucaryotes de novo CDP- choline et CDP-éthanolamine (Kennedy) ( iii ) de plus P.falciparum et P. knowlesi emploient des réactions supplémentaires qui relient une à l'autre certaines de ces routes. Une voie de synthèse caractéristique aux plantes, qui utilise la sérine en tant que source supplémentaire de phosphatidyl-choline (PC) et de phosphatidyl-éthanolamine (PE), est nommée la voie méthyltransférase décarboxylase - phosphoéthanolamine sérine (SDPM). Pour comprendre la dynamique d'acquisition et le métabolisme des phospholipides chez Plasmodium, nous avons construit un modèle cinétique quantitatif basé sur des données fluxomiques. La dynamique in vitro d'incorporation de phospholipides révèle plusieurs voies de synthèse. Nous avons construit un réseau métabolique détaillé et nous avons identifié les valeurs de ses paramètres cinétiques (taux maximaux et constantes Michaelis). Afin d'obtenir une recherche globale dans l'espace de paramètres, nous avons conçu une méthode d'optimisation hybride, discrète et continue. Des paramètres discrets ont été utilisés pour échantillonner le cône des flux admissibles, alors que les constantes des Michaelis et les taux maximaux ont été obtenus par la minimisation locale d'une fonction objective. Cette méthode nous a également permis de prédire la répartition des flux au sein du réseau pour différents précurseurs métaboliques. Cette analyse quantitative a également été utilisée pour comprendre les liens éventuels entre les différentes voies. La principale source de PC est la voie Kennedy CDP-choline. Des expériences de knock-out in silico ont montré l'importance comparable des voies phosphoéthanolamine-N-méthyltransférase (PMT) et de la phosphatidyléthanolamine-N-méthyltransférase (PEMT) pour la synthèse de PC. Les valeurs des flux indiquent que plus grande partie de la PE dérivée de la sérine est formée par décarboxylation, alors que la synthèse de PS est majoritairement effectuée par des réactions d'échange de base. L'analyse de sensitivité de la voie CDP- choline montre que l'entrée de choline dans le parasite et la réaction cytidylyltransferase de la phosphocholine ont les plus grands co-efficients de contrôle sur cette voie, mais ne permet pas de distinguer une réaction comme l'unique étape limitante. Ayant comme objectif la compréhension de la régulation de l'expression génique chez Plasmodium falciparum et son influence sur le fonctionnement métabolique, nous avons effectué une étude bioinformatique intégrative des données du transcriptome et du métabolome pour les principales enzymes impliquées dans le métabolisme PL. L'étude de la dépendance temporelle des variables métaboliques et transcriptomiques au cours du cycle intra-érythrocytaire, a mis en évidence deux modes d'activation des voies PL. Les voies Kennedy sont activées pendant la phase schizogonique et au début de la phase anneau, alors que les voies SDPM et d'échange de bases sont activées lors de la fin de la phase anneau cycle et lors de la phase tropozoïte. / Malaria is responsible of the death of up to one million people each year. This disease is caused by Plasmodium, a protozoan parasite. In this thesis we have developed systems biology approaches to the study of phospholipid (PL) metabolism and its regulation in Plasmodium. These pathways are of primary importance for the survival of the parasite. At the blood stage, Plasmodium species display a bewildering number of PL synthetic pathways that are rarely found together in a single organism (i) the ancestral prokaryotic CDPdiacylglycerol dependent pathway (ii) the eukaryotic type de novo CDP-choline and CDPethanolamine (Kennedy) pathways (iii) P. falciparum and P. knowlesi exhibits additional reactions that bridge some of these routes. A plant-like pathway that relies on serine to provide additional PC and PE, is named the serine decarboxylase-phosphoethanolamine methyltransferase (SDPM) pathway. To understand the dynamics of PL acquisition and metabolism in Plasmodium we have used fluxomic data to build a quantitative kinetic model. In vitro incorporation dynamics of phospholipids unravels multiple synthetic pathways. A detailed metabolic network with values of the kinetic parameters (maximum rates and Michaelis constants) has been built. In order to obtain a global search in the parameter space, we have designed a hybrid, discrete and continuous, optimisation method. Discrete parameters were used to sample the cone of admissible fluxes, whereas the continuous Michaelis and maximum rates constants were obtained by local minimization of an objective function.The model was used to predict the distribution of fluxes within the network of various metabolic precursors. The quantitative analysis was used to understand eventual links between different pathways. The major source of phosphatidylcholine (PC) is the CDP-choline Kennedy pathway. In silico knock-out experiments showed comparable importance of phosphoethanolamine-N-methyltransferase (PMT) and phosphatidylethanolamine-N-methyltransferase (PEMT) for PC synthesis. The flux values indicate that, major part of serine derived phosphatidylethanolamine (PE) is formed via serine decarboxylation, whereas the phosphatidylserine (PS) is mainly predominated by base-exchange reactions. Metabolic control analysis of CDP-choline pathway shows that the carrier-mediated choline entry into the parasite and the phosphocholine cytidylyltransferase reaction have the largest control coefficients in this pathway, but does not distinguish a reaction as an unique rate-limiting step.With a vision to understand regulation of gene expression in Plasmodium falciparum and its influence on the metabolite expression, we have performed an integrative bioinformatic studies. The study integrates transcriptome and metabolome data for the main enzymes involved in PL metabolism. The study of the correlated time dependence of metabolic and transcriptomic variables during the intraerythrocytic cycle showed that there are two modes of activation of PL pathways. Kennedy pathways are activated during schizogony and early ring stages, whereas SDPM and base exchange pathways are activated during late ring and tropozoite stages.

La protéine de fonction inconnue, YvcK, est vitale chez Staphylococcus aureus mais non essentielle chez les bactéries modèles Bacillus subtilis ou Escherichia coli. Chez B. subtilis, les bactéries délétées du gène yvcK, sont sérieusement affectées dans leur croissance et leur morphologie dans des conditions de croissance gluconéogéniques. Les défauts observés peuvent être compensés par l’ajout de fortes concentrations de magnésium ou par l’inactivation de gènes impliqués dans le métabolisme. Ceci suggère que, les mutants yvcK présentent des altérations au niveau de la paroi bactérienne qui sont probablement dues à un désordre du métabolisme. Le phénotype lié à l’absence d’YvcK est similaire à celui observé chez des souches mutées au niveau de gènes impliqués dans la synthèse du peptidoglycane ou constituant le cytosquelette. La protéine MreB, composant majeur du cytosquelette bactérien, forme une structure hélicoïdale sous la membrane cytoplasmique pour positionner les enzymes de synthèse et la maturation du peptidoglycane. In vivo, la protéine YvcK est également localisée sous la forme d’une hélice. Par ailleurs, la surexpression de YvcK supprime le défaut de morphologie du mutant mreB et vice versa. Il a été montré que, chez B. subtilis, la localisation de la protéine membranaire PBP1 était dépendante de MreB. Une délétion de ponA, gène codant pour PBP1, rétablit la viabilité d’un mutant mreB et celle du mutant yvcK dans des conditions de croissance gluconéogéniques. La protéine de fusion GFP-PBP1 dans une souche délétée du gène yvcK, cultivée en milieu liquide CE-gluconate est délocalisée expliquant le gonflement des cellules. Ce résultat suggère que la localisation normale de PBP1 au septum due à la surproduction de YvcK dans un mutant mreB (et réciproquement) permet la restauration de la croissance et de la morphologie. De plus, nous avons montré que, comme son homologue présent chez Mycobacterium tuberculosis, YvcK est phosphorylée in vitro. Nous avons caractérisé la phosphorylation d’YvcK par la protéine kinase PrkC et nous avons identifié la Thr 304 comme site unique de phosphorylation. Cette phosphorylation semblerait jouer un rôle important dans la complémentation du mutant mreB et du repositionnement de la PBP1. / The YvcK protein is a bacterial conserved protein of unknown function. It is essential in Staphylococcus aureus but not essential in both Bacillus subtilis and Escherichia coli. In B. subtilis, inactivation of the yvcK gene seriously affects growth and morphology on neoglucogenic carbon sources. The defects observed in a yvcK mutant can be offset by the addition of high concentrations of magnesium or by inactivation of genes involved in metabolism. This suggests that, when grown on some carbon sources, yvcK mutants display alterations in their cell wall probably due to a disorder in this metabolism. The phenotype associated with the absence of YvcK is similar to that observed with strains mutated in genes involved in peptidoglycan synthesis or encoding proteins of the cytoskeleton. The major component of cytoskeleton, MreB, an actin-like protein, together with other proteins, forms a helical structure at the cell membrane that participates in the organization and positioning of the enzymes of peptidoglycan synthesis and maturation. We showed that YvcK is organized as a helical like pattern localized near the inner surface of the membrane, independently of the presence of MreB. Surprisingly and despite that these two proteins do not harbour any similarity of sequence or structure, an overproduction of YvcK restored a normal morphology in an mreB mutant strain and vice versa. Furthermore, as already observed for the mreB mutant, in a yvcK mutant strain, the penicillin-binding protein PBP1 is delocalized and deletion of its gene restores growth of a yvcK mutant on gluconate medium. All these results suggest that YvcK is not only involved in the synthesis of cell wall from gluconeogenic carbon sources but also plays a role in cell morphogenesis. In addition, we have shown that similarily to its Mycobacterium tuberculosis homolog, YvcK is phosphorylated in vitro. We have characterized the phosphorylation of YvcK by the protein kinase PrkC and we identified the Thr 304 as the single phosphorylation site. Furthermore, this phosphorylation appears to play an important role in the complementation of the mreB mutant and repositioning of PBP1.

Les hormones thyroïdiennes jouent un rôle dans de nombreux processus métabolique tels que le développement, la croissance et le contrôle du métabolisme. Les HT se fixent sur leurs récepteurs nucléaires, les TR (TRalpha et beta). Ces TR sont des facteurs de transcription dont l’activité est contrôlée par la fixation de leur ligand, ils appartiennent à la super famille des récepteurs nucléaires d’hormone. Au cours de ma thèse je me suis intéressée aux rôles des TR dans deux contextes particuliers. Dans un premier temps, j’ai pu mettre en évidence le rôle de TRbeta dans la régulation du métabolisme hépatique via l’activation d’un gène clé ChREBP permettant la détection du glucose. Par l’utilisation d’animaux transgéniques et des systèmes in vitro, j’ai pu montrer que TRbeta régule positivement l’expression de ChREBP via le fixation sur son élément de réponse présent de le promoteur. Nous avons pu montrer que cette activation est isoforme spécifique, indépendante d’un autre récepteur nucléaire LXR. Dans un deuxième temps, j’ai montré que l’autre isoforme de TR, TRalpha est impliqué dans le développement de l’athérosclérose, une maladie cardiovasculaire. Par l’utilisation d’un modèle de souris transgénique, j’ai pu mettre en évidence que TRalpha possède à la fois un rôle anti-inflammatoire et également il est capable de stimuler l’élimination du cholestérol par les macrophages. L’absence de ce récepteur induit une augmentation du développement de la maladie ainsi que des cytokines circulantes chez la souris. Par l’utilisation d’un système in vitro, j’ai pu mettre en évidence que l’absence de TRalpha diminue l’efflux de cholestérol dans les macrophages de souris. Ces données suggèrent un nouveau rôle des HT/TR dans le développement de pathologies humaines, notamment un effet anti-inflammatoire longtemps supposer mais mis en évidence que très récemment. / Thyroid hormones (TH) play a role in many processes such as development, growth and metabolic control. HT bind to their nuclear receptors, the TR (TRalpha and beta). TRs belong to the superfamily of nuclear hormone receptors. These TRs are transcription factors whose activity is controlled by the binding of their ligand. During my PhD thesis I focused on the roles of TR in two contexts. Initially, I highlighted the role of TRbeta in the regulation of the hepatic metabolism via the activation of the key gene ChREBP, a glucose-responsive transcription factor. Using transgenic animal models and in vitro systems, I showed that TRbeta up regulates the expression of ChREBP via binding to its response element present in the promoter. I have shown that this activation is isoform specific and independent of another nuclear receptor LXR. In a second part, I demonstrated that the TRalpha isoform is involved in the development of atherosclerosis, a cardiovascular disease. Using a transgenic mice model, I observed that TRalpha has an anti-inflammatory effect and it is also able to stimulate the reverse cholesterol transport by macrophages. The absence of this receptor induces an increase in the development of the disease as well as in the level of circulating cytokines in mice. The deletion of TRalpha decreases the cholesterol efflux in bone marrow derived macrophages in vitro and it is correlated with a decrease of ABCA1 expression. All these data suggest a novel role of HT / TR in the development of human pathologies, including an anti-inflammatory role assumed, but recently demonstrated.

Dans le milieu marin, les émissions biogéniques de composés iodées jouent un rôle essentiel dans le cycle biogéochimique de l’iode. Cependant les processus enzymatiques responsables de l'absorption, du stockage ou de la synthèse de métabolites iodés restent mal connus chez les chez les organismes marins, et plus encore chez les bactéries. Plusieurs gènes, potentiellement impliqués dans le métabolisme de l’iode, ont été identifiés dans le génome de la bactérie marine, Zobellia galactanivorans, dont celui codant une iodoperoxydase à vanadium (VIPO), enzyme spécifique de l'oxydation des iodures. La partie principale du projet de thèse a consisté à comprendre les mécanismes moléculaires contrôlant la spécificité pour certains halogénures des haloperoxydases à vanadium, en étudiant la VIPO de Z. galactanivorans par des approches de mutagénèse dirigée et de biologie structurale. Les douze enzymes mutantes produites et caractérisées au niveau biochimique montrent soit une perte d’activité, soit des modifications de leurs propriétés catalytiques, soit encore une faible activité bromoperoxydase. Les enzymes sauvage et mutantes ont également été étudiées par diffraction et absorption des rayons X, afin de relier les modifications structurales à leurs propriétés catalytiques. Les résultats suggèrent que le principal facteur modulant la spécificité chez ces enzymes est le potentiel d’oxydoréduction de l’intermédiaire réactionnel, le peroxovanadate. Des analyses biochimiques ont aussi été entreprises pour deux autres protéines identifiées sur le génome de Z. galactanivorans. La première protéine s’est révélée être une seconde VIPO. Pour la deuxième protéine, similaire à une iodotyrosine déiodinase, l’activité biochimique reste encore à être caractérisée. Z. galactanivorans posséderait plusieurs enzymes pouvant oxyder l’iodure, ainsi qu’une permettant de cliver les liaisons C-I. En parallèle à ce travail, la localisation et la spéciation de l’iode ont été étudiées par imagerie chimique chez Z. galactanivorans et chez l’algue brune, Laminaria digitata, connue pour ses fortes teneurs en iode. Les résultats de ce travail apportent un nouvel éclairage sur les mécanismes contrôlant la spécificité des haloperoxydases à vanadium envers les halogénures, et également sur l’origine bactérienne de cette famille d’enzymes. Plus globalement, ces études permettent de mieux appréhender le rôle du métabolisme de l’iode chez certaines bactéries marines et leurs importances dans le cycle biogéochimique de l’iode. / In marine environment, biogenic emissions of iodinated compounds play an essential role in biogeochemical cycle of iodine. Nevertheless, enzymatic process involved in absorption and storage of iodine or in the synthesis of iodinated compounds are unknown marine organisms, especially in bacteria. Several genes, potentially involved in iodine metabolism, have been identified in the genome of a marine bacterium, Zobellia galactanivorans. One of these genes codes for a vanadium iodoperoxydase (VIPO), an enzyme specific of iodide oxidation. The main part of the thesis project was to understand molecular mechanisms controlling the specificity vanadium halopéroxydase (VHPO) for some halide, by studying the VIPO from Z. galactanivorans by directed mutagenesis and structural biology. To lead this project, twelve mutated enzymes were produced and characterized at biochemical level. For some of them, mutations lead to a loss of activity or to modification of catalytic properties or to a slight VBPO activity. The wild type enzyme and three mutants were also analyzed by X ray absorption and diffraction spectroscopy in order to link the structural modifications to their catalytic properties. The results of this study suggest that the main factor modulating the specificity in these enzymes is modification of redox potential of the peroxovanadate. Biochemical analyses lead with two other proteins identified in the genome of Z. galactanivorans. The first protein was characterized as a new VIPO. For the second protein, similar to mammal iodotyrosine deiodinase, the biochemical activity remains to be characterized. Z. galactanivorans seems to have several enzymes which oxidize iodide or split C-I bond. In parallel at this work, the localization and speciation of iodine were analyzed by chemical imaging in Z. galactanivorans and in the kelp L. digitata, known to concentrate highly iodide. All this information allow to a better understanding of molecular mechanisms involved in the specificity for halide in VHPO and the bacterial origin of these proteins. More generally, these studies assess to understand the role of iodine metabolism in some marine bacteria and there role in biogeochemical cycle of this element.

Dans le cadre de l'évaluation de la qualité des écosystèmes aquatiques, les réponses en lien avec l'énergie semblent particulièrement pertinentes pour appréhender l'état physiologique des êtres vivants et prévoir des effets populationnels. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail a été de proposer un biomarqueur de l'assimilation de l'énergie chez un amphipode d'eau douce Gammarus fossarum. La caractérisation des activités enzymatiques digestives (amylase, cellulase et trypsine) et des réserves énergétiques (glycogène, lipides et protéines) soumises à l'influence de divers facteurs biotiques et abiotiques (sexe, stade reproducteur, température, conductivité et quantité de nourriture) a permis d'identifier l'amplitude des réponses étudiées afin d'améliorer l'interprétation des réponses obtenues en milieu naturel. Ces résultats ont également validé l'utilisation d'organismes mâles standardisés et nourris ad libitum dans le cadre d'approche active. D'autre part, la pertinence écologique des enzymes digestives en tant que biomarqueur a été évaluée en étudiant le lien existant entre une perturbation des réponses enzymatiques digestives au niveau sub-individuel et ses conséquences au niveau individuel sur le succès reproducteur des gammares. Par ailleurs, dans le cadre de deux campagnes de terrain, les mesures des activités enzymatiques digestives réalisées chez les organismes transplantés ont permis de discriminer les sites en fonction de leur qualité chimique et de proposer pour chaque marqueur une valeur référence et seuil traduisant un effet. Ainsi les activités enzymatiques digestives peuvent être utilisées comme outil pour établir un diagnostic de risque environnemental. / For the assessment of the aquatic ecosystems health, responses related to energy metabolism seem particularly relevant to understanding the physiological state of living organisms and provide population- effects. In this context, the objective of this work was to propose a biomarker of energy assimilation in a freshwater amphipod Gammarus fossarum. The characterization of digestive enzymes activities ( amylase , cellulase and trypsin) and energy reserves (glycogen , lipids and proteins) submited to the influence of various biotic and abiotic factors (sex, reproductive stage , temperature, conductivity and amount of food ) determine the range of responses studied to improve the interpretation of data obtained in the field. These results can also validate the use of standardized male fed ad libitum in caging approach. On the other hand, the ecological relevance of digestive enzymes was assess, the link between digestive enzyme impairments at sub -individual level and its consequences on the fitness of the gammarid population at individual level was established. Furthermore, in the context of two field campaigns, measures of digestive enzyme activities in organisms transplanted allowed to discriminate sites according to their chemical quality and to propose for each marker a benchmarck and a threshold value reflecting an effect. Thus, digestive enzyme activities can be used as diagnostic tool for environmental risk assessment.

L’obésité est caractérisée par un état inflammatoire chronique dit « à bas bruit », se traduisant par l’augmentation des taux plasmatiques de facteurs inflammatoires qui contribuent au développement des complications métaboliques telles que le diabète de type 2 et la résistance à l’insuline.L’inflammation chronique est initiée par l’accumulation séquentielle et finement régulée de cellules immunes dans le tissu adipeux blanc, contribuant à créer un microenvironnement inflammatoire qui altère la physiologie et l’homéostasie du tissu. Une meilleure compréhension : 1) des mécanismes contrôlant les altérations de la composition en cellules immunes du tissu adipeux blanc et 2) du rôle de ces cellules dans la fonction des principaux tissus métaboliques, pourrait, à terme, permettre de proposer de nouvelles voies thérapeutiques d’immuno-intervention dans le traitement des complications métaboliques associées à l’obésité. Durant mon parcours de thèse, j’ai étudié les conséquences métaboliques et immunologiques du traitement de souris obèses par un agent immuno-modulateur : la rapamycine, ainsi que par des probiotiques ayant des propriétés anti-inflammatoires.Partie 1 : Etude des effets de la rapamycine sur la réponse inflammatoire et l’homéostasie énergétique chez la souris obèse.Cette étude représente la partie principale de mon travail de thèse. L’objectif de mon projet de thèse était de définir les conséquences de l’administration prolongée de rapamycine (ou Sirolimus) sur l’inflammation du tissu adipeux blanc et le métabolisme glucidique de souris obèses. La rapamycine est un inhibiteur spécifique de la voie du mechanistic target of rapamycin (mTOR) possédant des propriétés immunosuppressives et antiprolifératives et qui est fréquemment utilisé chez les patients transplantés afin d’éviter le rejet du greffon. Cependant, la rapamycine a été décrite comme possédant un potentiel diabétogène et pro-inflammatoire : en effet, certains patients traités développent un diabète post-transplantation et sont plus susceptibles de présenter des pathologies inflammatoires et ceci, malgré une perte de poids. Les objectifs de notre étude étaient de : 1) Déterminer les conséquences métaboliques (bénéfiques ou délétères) de l’administration de rapamycine et 2) Définir le profil inflammatoire des souris obèses traitées, notamment dans le tissu adipeux blanc.Partie 2 : Etude des effets des probiotiques sur le développement de l’obésité et la résistance à l’insuline chez la souris obèse.Les effets des probiotiques sur le développement de l’obésité et ses complications métaboliques et immunologiques associées sont contradictoires et restent donc à clarifier. Certaines études ont montré des effets obésogènes de certains probiotiques tandis que d’autres travaux décrivent des effets bénéfiques sur l’homéostasie énergétique. Les objectifs de notre étude étaient de : 1) Déterminer les conséquences métaboliques et immunologiques de l’ingestion prolongée de certaines souches (ou combinaison de souches) de probiotiques dans un modèle de souris obèses et 2) Définir les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-tendant les effets de probiotiques sur le développement de l’obésité et de l’inflammation associée. / Obesity is characterized by a low-grade chronic inflammation reflected by increased blood levels of inflammatory factors, which are known to contribute to the development of metabolic complications such as insulin resistance and type 2 diabetes.Obesity-related inflammation is initiated by the accumulation of inflammatory immune cells within the adipose tissue as observed in obese subjects, contributing to alteration of the physiology and the metabolic homeostasis of the tissue. A better understanding of the mechanisms controlling the balance between adipose tissue immune cells and the interaction of these cells with the metabolic tissues (e.g. white adipose tissue) could lead to the development of immune-based new therapeutic strategies to treat metabolic complications associated with obesity.During my PhD thesis, we worked on two projects that both aimed at studying the link between immunity and metabolism. We studied the consequences of the treatment of obese mice with the immunomodulatory drug rapamycin (Part 1) and with probiotics having anti-inflammatory properties (Part 2).Part 1: Beneficial Metabolic Effects of Rapamycin are Associated with Enhanced Regulatory Cells in Diet-Induced Obese MiceThis part corresponded to my main project. We aimed to analyze the effect of rapamycin (or Sirolimus), on the inflammatory response and the metabolic status of high-fat diet fed mice. Rapamycin is an immunosuppressive drug commonly used in transplanted patients to prevent graft rejection. However, the effects of rapamycin on metabolism remain elusive and it has been reported that rapamycin may have pro-inflammatory and prodiabetic properties since some transplanted patients can develop diabetes and inflammatory diseases. Rapamycin is a specific inhibitor of mTOR (mechanistic Target Of Rapamycin), a highly conserved kinase which play a key role in both metabolism and immunity. Our aims were: 1) to define the metabolic consequences of long-term rapamycin administration and 2) to analyze the immune profile of treated animals.Part 2: A Probiotic Mixture Alleviates Diet-Induced Obesity and Insulin Resistance in Mice through Adipose Tissue Cell-RemodelingThe effects of probiotics on the development of obesity and its associated-metabolic complications are contradictory and thus remain to be clarified. In our study, we evaluated the consequences of the consumption of different strains of probiotics (or a combination of strains) selected for their anti-inflammatory properties, on the development of obesity and inflammation. We thus defined the metabolic and immune profile of probiotic-treated obese mice, mostly focusing on the adipose tissue. Finally, we attempted to identify the cellular and molecular mechanisms by which our selected probiotics exerted their metabolic and immune protective effects.