Les proteins matricellulaires (MPs) sont des macromolécules non structurales de la matrice extracellulaire (ECM) qui sont induites de façon transitoire lors du développement, de la réparation et du remodelage tissulaire et lors de l’inflammation. L’expression des MPs peut être déclenchée par des dommages tissulaires aigus, et leur expression à long terme peut contribuer à certaines maladies chroniques. Les MPs agissent principalement pour médier les événements du remodelage tissulaire en facilitant les interactions et les signaux à partir de l’ECM vers l’environnement cellulaire avoisinant. En utilisant des données de RNA-seq provenant de deux modèles distincts de dommages rénaux, soit l’Acide Folique (FA) ou l’Obstruction Urétérale Unilatérale (UUO), nous avons analysé les profils d’expressions de plusieurs familles bien connues de MPs lors des blessures aigues et chroniques. Nous révélons de nouvelles MPs impliquées dans les dommages rénaux et présentons de nouveaux réseaux entre les membres de chaque famille de MPs, en utilisant des outils bioinformatiques. L’expression de l’ARNm de certaines MPs a été confirmée par immuno-buvardage de type Western (WB). Afin d’approfondir notre connaissance des mécanismes de réparation tissulaire et de remodelage de la matrice, nous avons choisi SMOC-2 comme MP modèle dans l’étude des carcinomes cellulaires rénaux (RCC), cancers qui présentent de fortes tendances métastatiques. Nous avons démontré que la surexpression de SMOC-2 ainsi que le traitement avec la protéine recombinante de lignées cellulaires RCC (786-O, et ACHN) induisent un profil métastatique de transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) par WB et des tests fonctionnels. Nous avons également démontré que l’inhibition de SMOC-2 par siRNA donne les résultats opposés. L’ensemble de nos travaux utilise la compréhension des patrons d’expressions temporels des MPs pour améliorer notre compréhension des mécanismes et conditions qui supportent une activation persistante dans des états pathologiques chroniques. Globalement, notre étude sur SMOC-2 offre une perspective ainsi qu’un modèle intéressant pour l’étude et la caractérisation de nouvelles MPs dans des maladies impliquant le remodelage et la réparation de la matrice. / Matricellular proteins (MPs) are non-structural ECM macromolecules induced transiently during development, tissue repair and remodeling, and inflammation. Expression of MPs can be triggered by acute tissue injury and their sustained expression can contribute to chronic disease. MPs primarily act to mediate tissue remodeling events by facilitating interactions and signals from the ECM to the surrounding cellular niche. Using published RNA-seq data from two distinct models of kidney injury, Folic Acid (FA) and Unilateral Ureteral Obstruction (UUO), we analyzed the expression profile of various members of well-known MP families during the acute and fibrotic injury phases. We reveal novel MPs implicated in renal injury and present informative networks between members of each MP family using bioinformatic tools. mRNA expression of select candidate MPs were confirmed by Western blot. To extend our understanding of translatable mechanisms in repair and matrix remodeling, we chose SMOC-2 as our MP model to study in Renal Cell Carcinoma (RCC) which has strong metastatic tendencies. SMOC-2 overexpression and recombinant protein treatment of RCC cell lines (786-O, ACHN) were shown to induce a metastatic EMT profile by Western blot analysis, supported by functional assays (proliferation, migration). Silencing SMOC-2 by siRNA showed the contrary results. Taken together, our work utilizes the understanding of temporal expression patterns of MPs to gain insight into mechanisms and conditions that support persistent activation in chronic injury states. Overall, our work with SMOC-2 provides a valuable perspective and template to approach studying and characterizing novel MPs in diseases involving pathological matrix remodeling and repair.

Les biofilms périphytiques, ou périphyton, sont des assemblages de microorganismes colonisant les surfaces d’une variété de substrats de la zone photique des habitats aquatiques. Retrouvés à la base des réseaux trophiques, ils présentent une grande importance écologique. Les microorganismes du périphyton sont maintenus les uns aux autres par une matrice extracellulaire composée de substances exopolymériques endogènes. Cette matrice permet la formation de microenvironnements aux propriétés physicochimiques distinctes du milieu extrapériphytique. En raison de la diversité microbienne qui les compose, de leur capacité à moduler l’environnement immédiat et leur propension à séquestrer puis à transformer les métaux, les biofilms périphytiques représentent des modèles de recherche des plus pertinents d’un point de vue biogéochimique. L’objectif général de la présente thèse est d’étudier le rôle des biofilms périphytiques, de leur matrice extracellulaire et de la matière organique qu’elle contient sur le cycle des métaux, plus particulièrement le mercure. Dans un premier temps, nous avons mené une étude sur la composition organique de la matrice extracellulaire du périphyton de lacs d’environnements non contaminés et sur la mobilité des métaux dans les différentes fractions de cette matrice. Nos résultats ont démontré que la matrice extracellulaire du périphyton était riche en matière organique fluorescente et nous y avons identifié deux composantes majeures d’origine périphytique. Nous avons observé une cooccurrence de certains métaux avec ces composantes dans les fractions mobiles et attachées de la matrice extracellulaire du périphyton. Nous avons constaté que l’une des composantes périphytiques entraînait une diminution des concentrations de métaux dans les cellules du périphyton, alors que l’autre était associée à des concentrations plus élevées de métaux essentiels. Notre étude a montré que la matière organique de la matrice extracellulaire joue un double rôle sur la mobilité des métaux et apporte un regard nouveau sur les mécanismes naturels de gestion des métaux du périphyton. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé une étude de terrain dans une rivière altérée par des centrales hydroélectriques au fil de l’eau et par la création de milieux humides artificiels. Cette étude avait pour objectif de déterminer si le périphyton de ces habitats modifiés pouvait produire du méthylmercure. En combinant des mesures des taux de transformation in situ à des approches génomiques ciblant les gènes hgcAB, responsables de la méthylation du mercure, nous avons démontré que le périphyton des milieux artificiels avait la capacité de produire du méthylmercure. Nous avons mesuré des taux de méthylation positifs et nous avons détecté la présence du gène hgcA dans les communautés périphytiques des milieux humides. Nous avons majoritairement associé le gène hgcA aux bactéries réductrices de fer de la famille des Geobacteraceae. Notre travail a apporté de nouvelles informations sur la méthylation du mercure au sein du périphyton colonisant des rivières ayant subi des transformations d’habitats. Nos résultats ont également permis d'associer cette méthylation aux bactéries réductrices de fer, jusqu’alors rarement considérées comme potentielles méthylatrices dans le périphyton. Finalement, nous avons étudié les impacts de la mise en eau d’une rivière par des centrales hydroélectriques au fil de l’eau sur les dynamiques du mercure en nous attardant au périphyton et aux premiers niveaux des réseaux trophiques. La création de nouveaux habitats aquatiques favorise l’accumulation et la transformation du mercure en plus de fournir des conditions propices à l’établissement et à la croissance du périphyton. Nos résultats ont démontré que le périphyton de ces habitats pouvait accumuler d’importantes concentrations de méthylmercure et qu’il était une voie d’entrée efficace de ce contaminant pour les macroinvertébrés benthiques. Cette étude souligne les rôles clés que joue le périphyton dans le cycle du mercure des écosystèmes aquatiques. Les résultats de la thèse appuient la pertinence de considérer le périphyton comme un compartiment biologique de haute incidence sur les cycles biogéochimiques des métaux lors de l’étude ou de la gestion des écosystèmes aquatiques. / Periphytic biofilms, or periphyton, are collections of microorganisms that colonize the surfaces of a variety of substrates in the photic zone of aquatic habitats. Found at the base of trophic webs, they are of major ecological importance. Periphytic microorganisms are linked to each other by an extracellular matrix composed of endogenous exopolymeric substances. This matrix allows the formation of microenvironments with physicochemical properties distinct from the extraperiphytic environment. Because of their microbial diversity, their ability to modulate the immediate environment and their propensity to sequester and then transform metals, periphytic biofilms represent relevant research models from a biogeochemical perspective. The general objective of this thesis is to study the role of periphytic biofilms, their extracellular matrix and the organic matter they contain on the cycling of metals, more specifically mercury. First, we conducted a study on the organic composition of the periphyton extracellular matrix of lakes from uncontaminated environments and on the mobility of metals in the different fractions of this matrix. Our results showed that extracellular matrix of periphyton was rich in fluorescent dissolved organic matter and we identified two major organic components of periphyton origin. We observed co-occurrence of some metals with these components in the loosely- and tightly-bound fractions of the extracellular matrix. We found that one of the periphytic components resulted in decreased metal concentrations in periphyton cells, whereas the other was associated with higher concentrations of essential metals. Our study showed that the dissolved organic matter of the extracellular matrix plays a dual role on metal mobility and provides new insight into the natural mechanisms of metal management of periphyton in its immediate environment. Second, we conducted a field study in a river impacted by run-of-river hydroelectric power plants and the creation of artificial wetlands. The objective of this study was to determine if the periphyton of these modified habitats could produce methylmercury. By combining measurements of in situ transformation rates with genomic approaches targeting the hgcAB genes, associated with microbial mercury methylation, we demonstrated that the periphyton of the artificial wetlands had the capacity to produce methylmercury. We measured positive vi methylation rates and detected the presence of the hgcA gene in the periphytic communities of the wetland site. We mostly associated the hgcA gene with iron-reducing bacteria of the Geobacteraceae family. Our work provided new information on mercury methylation within periphyton colonizing rivers with altered habitats. Our results also allowed us to associate the methylation of mercury with iron-reducing bacteria, which are rarely considered as potential methylators in periphyton. Finally, we studied the impacts of river impoundment by run-of-river hydroelectric power plants on mercury dynamics by focusing on periphyton and lowertrophic web layers. The creation of new aquatic habitats promotes the accumulation and transformation of mercury and provides conditions for periphyton growth. Our results showed that periphyton in these habitats can accumulate important concentrations of methylmercury and is an efficient gateway to this contaminant for benthic macroinvertebrates. This study highlights the key roles that periphyton plays in the cycling of mercury in aquatic ecosystems. The results of this thesis support the relevance of considering periphyton as a biological compartment of high impact on biogeochemical metal cycles when studying or managing aquatic ecosystems.

La présence de matière biologique (biofilms) dans les sites de stockage géologique profond, d'éléments toxiques ou encore de l'eau potable des aquifères est maintenant clairement démontrée. Cette biomasse est à l'origine de processus physiques et chimiques qui modifient considérablement la durabilité et la pérennité des sites concernés. Ces processus, principalement de type oxydo-réductif, sont encore mal compris. Ceci est principalement dû aux méthodes d'investigation, principalement macroscopiques, loin de l'échelle micrométrique caractéristique des bactéries. Seules des études, basées sur des méthodes d'investigation locale, peuvent apporter les informations requises. Ainsi, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur l'utilisation combinée de la microscopie optique (en transmission), la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie AFM en mode électrique et électrochimique (EC_AFM) afin d'obtenir des informations simultanées sur la topographie de l'échantillon et sur les processus électrochimiques à l'échelle des bactéries. La première étape sensible consistait à utiliser l'AFM sur des échantillons biologiques en milieu liquide: nous présentons ici les résultats de l'imagerie AFM en milieu liquide de plusieurs types de bactéries dans leurs conditions physiologiques naturelles (conditions in vivo). Aucun protocole d'immobilisation, ni chimique ni mécanique, n'a été nécessaire; et pour la première fois, les mouvements de reptation de cyanobactéries Nostoc ont été étudiés par l'AFM. Les études AFM ont permis d'acquérir des données topographiques mais aussi mécaniques : nous avons pu ainsi mesurer le module d'Young, la pression de turgescence de différentes souches bactériennes (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Cette étude complète, a révélé que l'imagerie AFM est donc possible sur des espèces vivantes en mouvement. Ces résultats ouvrent une grande fenêtre sur de nouvelles études d'intérêts tels que la formation de biofilms et les propriétés dynamiques de bactéries dans des conditions physiologiques réelles. La deuxième étape délicate était de combiner l'AFM aux mesures optiques et électriques. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental permettant (i) le suivi de l'évolution de la croissance bactérienne par la mesure des propriétés optiques comme la densité optique DO (pour le développement bactérien en volume - milieu planctonique) , ou l'analyse de l'image du substrat par comptage du nombre de bactéries sur la surface de l'échantillon (biofilm), et (ii) les mesures électriques et électrochimiques. L'ensemble de ces résultats sera prochainement appliqué au développement de nouveaux outils de surveillance d'une biodépollution de terrain contaminé par les hydrocarbures, par le suivi in situ et en temps réel de l'activité de bactéries dépolluantes (ECOTECH_BIOPHY ANR).