Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) sont responsables de cancers du poumon, de la vessie et de la peau. Parmi eux, seul le benzo(a)pyrène (BaP) est classé cancérogène certain pour l'homme. La surveillance biologique de leur exposition passe par le dosage du 1-hydroxypyrène urinaire (1-OHP), métabolite du pyrène non cancérogène. L'objectif de cette thèse était de développer un nouveau biomarqueur plus proche du risque cancérogène. Le 3-hydroxybenzo(a)pyrène (3-OHBaP) est apparu comme le meilleur candidat car c'est le métabolite majoritaire du BaP, car ses concentrations sont liées aux taux d'adduits à l'ADN mesurés dans le poumon de rat et car son dosage est réalisable dans les urines de sujets exposés. Nous avons développé une méthode analytique de routine associant l'extraction en phase solide à la chromatographie liquide avec une détection en fluorescence, qui nous a permis d'atteindre une limite de détection 0,02 ng/L. La médiane des concentrations de 3-OHBaP dans les urines de sujets fumeurs atteignait 0,02 nmole/mole de créatinine et était deux fois plus élevée que chez les non-fumeurs. Dans les secteurs de production du silicium, des cathodes et des anodes, de 30 à 70% des niveaux étaient supérieurs à la valeur recommandée en France, ce qui confirme le risque sanitaire lié à ces activités professionnelles. Lors d'une exposition répétée aux HAP pendant une semaine de travail, le prélèvement des urines doit être réalisé en fin de semaine fin de poste, du fait de l'atteinte d'un équilibre entre les doses de BaP absorbées et celles de 3-OHBaP éliminées. La corrélation entre les niveaux urinaires de 3-OHBaP et de 1-OHP est variable en fonction du secteur et des activités professionnelles. Ceci démontre la difficulté d'établir une seule valeur limite professionnelle en lien avec le risque cancérogène des HAP pour le 1-OHP et souligne tout l'intérêt de doser le 3-OHBaP. / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are responsible for lung, skin and bladder cancers. Among them, only benzo(a)pyrene (BaP) is classified as carcinogenic to humans. Their biomonitoring is performed by the determination of urinary 1-hydroxypyrene (1-OHP), a metabolite of the non-carcinogenic pyrene. The aim of this thesis was to develop a new biomarker closest carcinogenic risk. The 3-hydroxybenzo(a)pyrene (3-OHBaP) seemed to be the best candidate because it is the major metabolite of BaP, these urinary levels are related to the rate of DNA adducts measured in the lung of rats and its analysis is achievable in the urine of exposed subjects. We have developed a simple analytical method combining solid phase extraction and liquid chromatography with fluorescence detection, which achieved a detection limit of 0.02 ng/L. The median concentrations of 3-OHBaP in the urine of smokers reached 0.02 nmol/mol of creatinine and was two times higher than among non-smokers. In the industries of silicon, cathodes and anodes, from 30 to 70 % of levels were above the recommended value in France, which confirms the health risk associated with these occupational activities. In case of repeated exposure to PAH during a workweek, urine sampling should be performed at the end of the shift the last workday, due to a balance between the amounts of BaP absorbed and those of 3-OHBaP eliminated. The correlation between urinary levels of 3-OHBaP and 1-OHP is variable depending on the sector and occupational activities. This demonstrates the difficulty of establishing a single limit value in connection with the carcinogenic risk of PAH for 1-OHP and highlights the interest of the 3-OHBaP.

Les bactéries ajustent constamment leur composition moléculaire pour répondre à deschangements environnementaux. Nous nous intéressons aux systèmes de régulation métabolique et génique permettant une telle adaptation, notamment dans le contexte de la diauxie chez Escherichia coli lors de la transition de croissance sur une source de carbone riche, le glucose, à une source plus pauvre, l’acétate. Afin de modéliser de tels réseaux métaboliques, nous utilisons un formalisme cinétique approché appelé linlog et abordons les problèmes ren- contrés lors de l’estimation de paramètres. Ainsi, nous proposons une méthode d’estimationde paramètres à partir de jeux de données incomplets basée sur l’algorithme EM (“Expec- tation Maximization”) et l’appliquons au modèle linlog du métabolisme central du carbone. Nous proposons également une méthode d’analyse d’identifiabilité et de réduction de modèles non identifiables que nous appliquons ensuite sur des jeux de données simulés ou obtenus expérimentalement. Par ailleurs, nous mesurons des profils temporels d’expression de gènes impliqués dans le contrôle de la diauxie et mettons en évidence, à l’aide de modèles cinétiques développés dans ces travaux, l’importance de la contribution de l’état physiologique de la cellule dans la régulation génique. En se confrontant aux défis méthodologiques rencontrés lors du développement de modèles de réseaux métabolique et génique, cette thèse contribue aux efforts futurs portant sur l’intégration de ces deux types de réseaux dans des modèles quantitatifs. / Bacteria manage to constantly adapt their molecular composition to respond to environmentalchanges. We focus on systems of both metabolic and gene regulation that enablesuch type of adaptation, notably in the context of diauxic growth of Escherichia coli, when itshifts from glucose to acetate as a carbon source. To model a metabolic network, we use anapproximate kinetic formalism called linlog and address methodological issues encounteredwhen performing parameter estimation. We propose a maximum-likelihood method basedon Expectation Maximization for parameter estimation from incomplete datasets. We then apply it to the linlog model of central carbon metabolism. We also propose a method foridentifiability analysis and reduction of nonidentifiable models that we then apply to bothsimulated and experimental datasets. Moreover, we monitored gene expression patterns for agene network involved in the control of diauxie and highlight, by means of kinetic models developedin this study, the role of the global physiological state of the cell in regulation of geneexpression. By addressing methodological challenges encountered with models of metabolicand gene networks, this thesis contributes to future efforts integrating both types of networksinto quantitative models

Le transfert adoptif de cellules T exprimant un récepteur chimérique reconnaissant un antigène (CAR), est un traitement qui génère des réponses impressionnantes dans les cancers hématologiques mais est beaucoup moins efficace pour le traitement de tumeurs solides. Les tumeurs solides modulent leur microenvironnement induisant des formes multiples d’immunosuppression qui inhibent l’efficacité des fonctions effectrices des cellules T ayant infiltrées la tumeur. Au cours de ma thèse, j’ai évalué le potentiel de deux stratégies pour améliorer les réponses anti-tumorales des cellules T CAR. La première se focalise sur l’étude du rôle potentiel des cellules immunes non T, exprimant un CAR sur la stimulation des fonctions et de la persistance de cellules T CAR+ dans le microenvironnement tumoral. Afin d’étudier la fonction des cellules CAR non T, nous avons généré un modèle de souris transgénique (vav-CAR) dans lequel les cellules immunes expriment un CAR reconnaissant l’antigène tumoral Her2 (ErbB2). Comme attendu, les cellules T CAR+ possèdent des fonctions anti-tumorales, mais nous avons aussi mis en évidence que les macrophages et les cellules NK exprimant le CAR montraient une réponse cytokinique, cytotoxique et phagocytiques spécifiques de l’antigène. De plus, en utilisant le modèle vav-CAR, nous avons démontré le potentiel des cellules immunes CAR+ dans le rejet des tumeurs et cela indépendamment des cellules T CD8+. Les cellules T CD4+ sont essentielles puisque leur élimination réduit considérablement les réponses anti-tumorales dans notre modèle vav-CAR. Il a été démontré que certaines sous-populations de cellules T auxiliaires participent aux réponses anti-tumorales avec les cellules Th1 et Th17 démontrant une efficacité plus robuste que les autres sous-populations. Notre deuxième stratégie s’est focalisée sur l’étude de l’impact du métabolisme au cours de la polarisation des cellules T CD4+ et plus particulièrement lors de la différenciation des cellules T CAR+ en cellules Th1. En effet, l’activation et différenciation des cellules T sont fortement associées à une augmentation des besoins métaboliques. Dans le microenvironnement tumoral, en raison de la forte demande en ressources de la tumeur, la déprivation en nutriments ainsi générée peut limiter l’accès aux nutriments d’autres types cellulaires et ainsi altérer le devenir et les fonctions des cellules immunes greffés infiltrant la tumeur. En conséquence, modifier les cellules immunes CAR+ afin qu’elles puissent résister à la compétition métabolique du microenvironnement tumoral pourrait leur permettre de conserver leurs fonctions effectrices. En étudiant l’impact de la déprivation en nutriments sur la différenciation des cellules T, nous avons trouvé que des concentrations limitantes en glutamine, l’acide aminé le plus abondant du plasma, inhibaient le potentiel des cellules T à se différencier vers la voie Th1 associée à la production d’IFNγ. Au contraire, cette condition favorisait la conversion de cellules T CD4 naïves en cellules régulatrices Foxp3+ ayant des fonctions suppressives (Tregs). De plus, nous avons montré que la présence d’un seul métabolite dérivé de la glutamine, l’α-ketoglutarate (αKG), suffisait à augmenter les fonctions effectrices anti-tumorales de plusieurs sous-types de cellules T auxiliaires CAR+, augmentant la production d’IFNγ et diminuant l’expression de FOXP3. Ainsi, durant ma thèse, j’ai développé un modèle murin vav-CAR, générant un outil permettant d’étudier et manipuler les fonctions de multiples populations de cellules immunitaires exprimant un CAR. Ce modèle permettra de promouvoir l’utilisation de cellules immunes optimisées exprimant un CAR dans le cadre d’immunothérapies dirigées contre des tumeurs solides. De plus, en utilisant ce modèle, nous avons identifié un métabolite de la glutamine, qui orchestre les réponses immunitaires au moyen d’une reprogrammation métabolique des cellules T CD4. / The adoptive transfer of T cells expressing a chimeric antigen receptor (CAR) as a treatment for cancer has achieved impressive responses in haematological malignancies, but has been less successful in the treatment of solid tumors. The tumor microenvironment of solid tumors presents multiple forms of immunosuppression, inhibiting the efficient effector function of infiltrating anti-tumor T cells. During my PhD, we assessed the potential of two strategies to enhance the anti-tumor function of CAR T cells. The first focuses on the potential of other CAR-expressing immune subsets to stimulate CAR T cell function and persistence in the tumor microenvironment. To elucidate the function of CAR-expressing non-T lymphocytes, we generated a transgenic mouse model (vav-CAR) in which immune cells express a CAR against the Her2 (ErbB2) tumor antigen. As expected, CAR T cells harboured anti-tumor function but we also found that CAR-modified macrophages and natural killer cells (NKs) exhibited significant antigen specific cytokine secretion, cytotoxicity and phagocytosis. Moreover, using the vav-CAR model, we demonstrated the potential of CAR immune cells to mediate tumor rejection independently of CD8+ T cells. CD4+ T cells were critical for this response as their deletion severely abrogated the anti-tumor responses in our vav-CAR model. Distinct T helper subsets have been shown to participate to anti-tumor responses, with Th1 and Th17 cells demonstrating a more robust efficacy as compared to other T helper subsets. Our second strategy was focused on the impact of metabolism in the polarisation of CD4+ T cells, in particular the differentiation of CAR T cells to Th1 lineage. T cell activation and polarisation is highly associated with increased metabolic needs. Given that nutrient deprivation in the tumor microenvironment, due to a high demand of the tumor for resources, can limit the nutrients available for other cell types, the fate and function of adoptively transferred immune cells may be altered upon entering the tumor. Therefore, modifying CAR immune cells to resist metabolic suppression in the tumor microenvironment may help retain their effector functions. Upon assessing the effects of nutrient deprivation on T cell differentiation, we found that limiting concentrations of glutamine, the most abundant amino acid in the plasma, inhibited the potential of T cells to undergo Th1 differentiation with associated IFNγ secretion. Rather, this condition resulted in the conversion of naïve CD4+ T cells into suppressive Foxp3+ regulatory T cells (Tregs). Furthermore, we determined that a single glutamine-derived metabolite, α-ketoglutarate (αKG), enhanced the anti-tumor effector functions of multiple CAR T helper subsets, increasing the production of IFNγ and reducing FOXP3 expression.Thus, during my PhD, I generated a vav-CAR model, providing a platform in which the function of multiple CAR-bearing immune subsets can be studied and manipulated. This model will promote the utilisation of optimized CAR-bearing immune cells in adoptive immunotherapy for solid tumors. Furthermore, using the CAR model, we have identified a glutamine metabolite that orchestrates immune responses through the metabolic reprogramming of CD4 T cells.

Une analyse du transcriptome d’Arabidopsis thaliana soumis à différents stress biotiques a révélé l’activation de certains membres de la famille CYP76, particulièrement celle de CYP76C2 (≈ 50 fois). La caractérisation fonctionnelle de la famille CYP76, et plus particulièrement celle de CYP76C2 a donc fait l’objet de cette thèse. Après confirmation de l’activation sélective de CYP76C2 en réponse aux pathogènes par qRT-PCR, le phénotype de ses mutants d’insertion et de surexpression a été caractérisé sous différentes conditions d’infection par: Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, P. syringae pv. tomato DC3000 avrRpm1 et par Botrytis cinerea. Afin d’identifier la voie métabolique faisant intervenir CYP76C2, un profilage métabolique ciblé et non ciblé a été entrepris, centré sur le(s) métabolite(s) différentiellement accumulés dans les différents mutants en condition d’infection. Alors que des différences subtiles de sensibilité des mutants de CYP76C2 aux pathogènes semblent confirmer son rôle dans la réponse aux pathogènes, les lignées affectées dans son expression ne présentent pas de phénotypes clairement différents de ceux des plantes sauvages. Une analyse non–ciblée en UPLC-MS (Orbitrap) a permis d’identifier un composé absent dans le mutant cyp76c2 qui pourrait correspondre à un dérivé conjugué en C11, sans que sa structure ne puisse pour l’instant être identifiée (formule brute C17H28O9). CYP76C2 ne semble pas impliqué directement dans la synthèse d’une molécule cruciale pour la mise en place du processus de défense, mais exerce plus probablement une fonction spécialisée ou partiellement redondante de défense ou de détoxication. / A transcriptome analysis of Arabidopsis thaliana subjected to biotic stresses has revealed the activation of members of the CYP76 family, especially of CYP76C2 (≈ 50 times). The functional characterization of CYP76C2, has been the objective of this thesis. After confirmation of the selective activation of CYP76C2 by pathogens, the phenotype of its insertion and overexpressor mutants was characterized under infection by Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, P. syringae pv. tomato DC3000 avrRpm1 and Botrytis cinerea. In order to identify the metabolic pathway involving CYP76C2, targeted and non-targeted metabolic profiling was focused on differentially accumulated compounds in the different mutants after infection. Whereas subtle differences of response of the CYP76C2 mutant lines in response to pathogens seemed to confirm its involvement in response to biotic stress, phenotypes strikingly different from those of wild-type plants were not observed. A non-targeted analysis by UPLC-MS (Orbitrap) identified a compound absent in the cyp76c2 line that may correspond to an oxygenated C11 conjugate (raw formula C17H28O9), but its structure was not identified. CYP76C2 thus does not seem directly involved in the synthesis of a molecule crucial for defense responses, but more likely has a role in the synthesis of a potentially redundant specialized defense compound or in a detoxification process.

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) sont responsables de cancers du poumon, de la vessie et de la peau. Parmi eux, seul le benzo(a)pyrène (BaP) est classé cancérogène certain pour l'homme. La surveillance biologique de leur exposition passe par le dosage du 1-hydroxypyrène urinaire (1-OHP), métabolite du pyrène non cancérogène. L'objectif de cette thèse était de développer un nouveau biomarqueur plus proche du risque cancérogène. Le 3-hydroxybenzo(a)pyrène (3-OHBaP) est apparu comme le meilleur candidat car c'est le métabolite majoritaire du BaP, car ses concentrations sont liées aux taux d'adduits à l'ADN mesurés dans le poumon de rat et car son dosage est réalisable dans les urines de sujets exposés. Nous avons développé une méthode analytique de routine associant l'extraction en phase solide à la chromatographie liquide avec une détection en fluorescence, qui nous a permis d'atteindre une limite de détection 0,02 ng/L. La médiane des concentrations de 3-OHBaP dans les urines de sujets fumeurs atteignait 0,02 nmole/mole de créatinine et était deux fois plus élevée que chez les non-fumeurs. Dans les secteurs de production du silicium, des cathodes et des anodes, de 30 à 70% des niveaux étaient supérieurs à la valeur recommandée en France, ce qui confirme le risque sanitaire lié à ces activités professionnelles. Lors d'une exposition répétée aux HAP pendant une semaine de travail, le prélèvement des urines doit être réalisé en fin de semaine fin de poste, du fait de l'atteinte d'un équilibre entre les doses de BaP absorbées et celles de 3-OHBaP éliminées. La corrélation entre les niveaux urinaires de 3-OHBaP et de 1-OHP est variable en fonction du secteur et des activités professionnelles. Ceci démontre la difficulté d'établir une seule valeur limite professionnelle en lien avec le risque cancérogène des HAP pour le 1-OHP et souligne tout l'intérêt de doser le 3-OHBaP.

L’enzim Carnitina palmitoïltransferasa 1 (CPT1) permet l’entrada dels àcids grassos de cadena llarga a la matriu mitocondrial per tal de ser degradats i utilitzats així com a substrat energètic. El malonil-CoA, primer intermediari en la síntesi d’àcids grassos, és un inhibidor al•lostèric de CPT1, fet que permet una regulació coordinada entre la síntesi i l’oxidació d’àcids grassos en un mateix teixit, evitant així que es donin ambdós processos alhora. Una inhibició específica de CPT1, doncs, és una bona aproximació farmacològica per al tractament de desordres metabòlics que impliquin acumulació d’àcids grassos i resistència a insulina, com la diabetis tipus 2 i l’obesitat. La present tesi doctoral s’ha centrat en l’estudi de la regulació per malonil-CoA dels isotips hepàtic (CPT1A) i muscular (CPT1B) de CPT1, així com en l’estudi de l’isotip més recentment descrit de la proteïna d’expressió en cervell, CPT1C. Per tal d’aprofundir en l’estudi de determinants moleculars de CPT1 que marquen el seu grau d’inhibició per malonil-CoA, s’han realitzat construccions mutants i delecionades dels enzims CPT1A i CPT1B i s’han expressat en el llevat “Pichia pastoris”. Mitjançant l’anàlisi del paràmetre IC50, hem demostrat que la regió aminoterminal de l’enzim CPT1A de rata (residus 1-18) exerceix un efecte dominant sobre les posicions Glu590 i Met593 en determinar la sensibilitat a la inhibició per malonil-CoA. Paral•lament, s’han generat construccions amb la seqüència de l’enzim CPT1 de porc, que presenta una gran diferència en el seu comportament enzimàtic quan es compara amb l’enzim humà, tant l’isotip hepàtic com el muscular. En aquest treball s’ha identificat l’existència d’un determinant negatiu en la posició Glu17 que explica parcialment la menor sensibilitat d’aquest enzim a la inhibició pel malonil-CoA. A més a més, s’ha construït un model 3-D in silico de la CPT1B humana, que permet justificar observacions experimentals mostrades en aquest treball, tot i que no explica encara les diferències en el comportament cinètic entre els isotips hepàtics i musculars de la proteïna. CPT1C és l’isotip descrit més recentment, i encara avui se’n desconeix la seva funció, existeix controvèrsia respecte a la seva distribució subcel•lular i no se n’han descrit els mecanismes que en regulen l’expressió. Els resultats mostrats en aquest treball demostren que CPT1C és una proteïna sense activitat enzimàtica, independentment de la característica extensió C-terminal que presenta respecte els altres isotips. D’altra banda, el patró d’expressió observat del gen Cpt1c no és compatible amb el paper que se li ha atorgat sobre la regulació de la ingesta. A més a més, hem identificat l’expressió d’una isoforma soluble de CPT1C en cervell humà adult, que ofereix una eina útil per a l’obtenció d’un cristall de la regió C-terminal citosòlica de CPT1C. / STRUCTURE-FUNCTION RELATIONSHIP OF CPT1 PROTEINS CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1) enables the entry of long chain fatty acids into the mitochondrial matrix, in order to be degraded and used as energetic substrate. Malonyl-CoA, the first intermediate in the synthesis of fatty acids, is an allosteric inhibitor of CPT1. Through CPT1 inhibition, it establishes a coordinated regulation between fatty acid synthesis and oxidation, thus preventing that both pathways coexist at the same time. A specific inhibition of CPT1 is therefore a good approximation or the pharmacological treatment of metabolic disorders involving accumulation of fatty acids and nsulin resistance, such as type-2 diabetes and obesity. This thesis has focused on the study of malonyl-CoA regulation of both CPT1A and CPT1B isotypes. In addition, we studied the more recently described isotype of the protein, CPT1C. To gain insight into the study of CPT1 molecular determinants of malonyl-CoA inhibition, mutants of both CPT1A and CPT1B enzymes were expressed in yeast Pichia pastoris. Analysis of the IC50 parameter, demonstrated that the aminoterminal region (residues 1-18) of the rat CPT1A enzyme has a dominant effect over Glu590 and Met593 positions in determining its sensitivity to malonyl-CoA inhibition. We also identified the existence of a negative determinant within the sequence of pig CPT1A (position Glu17), which partially explains the low sensitivity of this enzyme to malonyl-CoA inhibition. In addition, we designed an in silico 3-D model of human CPT1B, which still does not explain the kinetic differences between liver and muscle isotypes of the protein, but justifies some of our experimental data. CPT1C is the more recently described isotype of the protein. Its function still remains unknown, and controversy exists regarding its subcellular distribution and the mechanisms that regulate its expression. Here we show that CPT1C is a protein without enzymatic activity, regardless of its characteristic C-terminal extension, compared to the other isotypes. Moreover, the observed gene expression pattern is not compatible with its given role on the regulation of food intake. In addition, we identified the expression of a soluble isoform of CPT1C in human adult brain, providing a useful tool for obtaining a crystalline structure of the cytosolic C-terminal region of CPT1.

Las líneas de investigación de la presente tesis se encuentran enmarcadas en dos aspectos de la respuesta de los sistemas biológicos ante la presencia de metales. Los sujetos de investigación son tanto (1) elementos individuales (las proteínas denominadas Metalotioneínas), como (2) redes de respuesta global (Metalómica), y su relación e imbricación con el metabolismo celular (Metabolómica). Las metalotioneínas (MT), aunque ubicuas, son probablemente de origen polifilético, de modo que habrían aparecido numerosas “familias de homología” a lo largo de la evolución. El análisis computacional de los miembros de la familia de metalotioneínas en los genomas de Drosophila (5 formas parálogas), en doce especies (12 conjuntos de ortólogos) condujo a la identificación de 60 secuencias de isogenes/proteínas con secuencias de DNA/proteína altamente conservadas. La conservación en el número de isogenes del sistema MT en Drosophila sugiere que la multiplicidad de estos genes es debida a un evento evolutivo anterior a la especiación de este género. A pesar de exhibir una gran plasticidad, la región cromosómica donde se localizan los componentes del sistema de MT en Drosophila, preserva su localización en el elemento Müller E en las doce especies. La arquitectura de los genes, formados por dos exones y un intrón, también se conserva en el conjunto de ortólogos/parálogos. La reorganización identificada en la región cromosómica donde se localizan las isoformas de MT en Drosophila es debida principalmente a eventos de inversión de DNA que implican orientaciones diferentes de los cinco genes. El análisis de las propiedades de coordinación de metales de la isoforma MtnE la clasifican como una Cu-tioneína de carácter intermedio o no extremo, ya que a pesar de formar complejos homometálicos con el Cu, la capacidad de unión de cobre es menor que la observada para el resto de las isoformas. MtnE muestra la capacidad coordinante menos específica, en comparación con el resto de isoformas, lo que sugiere una función fisiológica relacionada con condiciones en las que se necesite un péptido con amplio espectro de coordinación de metales, por ejemplo condiciones de toxicidad mixta por varios metales, o elevado nivel de toxicidad de Cu en los que apoyaría la acción del resto de isoformas. Además se identificaron dos secuencias (BfMT1 y BfMT2) como potenciales MT en el genoma de Branchiostoma floridae, organismo procordado ubicado en la base evolutiva de los vertebrados. Las secuencias de ORFs, sus regiones reguladoras, y correspondientes productos proteicos, mostraron características que los reafirman como potenciales MT. Los genes BfMT1 y BfMT2 fueron identificados in vivo mediante RT-PCR sobre RNA total de organismos de Branchiostoma lanceolatum. Ambos genes se inducen in vivo en B. lanceolatum en condiciones de exceso de metales (Cd o Cu), mostrando BfMT1 un patrón correspondiente a un gen de expresión basal o constitutiva, mientras que la expresión de BfMT2 se corresponde con la de un gen inducible. El tratamiento de organismos vivos con distintas concentraciones de Cd demostró que en condiciones de exceso de este metal, se produce además una disrupción en la homoestasis del zinc. En cuanto a los elementos de respuesta global, desarrollamos el estudio genómico y transcriptómico de las redes de respuesta de S. cerevisiae como organismo modelo ante dosis excesivas de Zn que alteran sus equilibrios homeostáticos. Resultados previos de nuestro grupo mostraron una interrelación entre las vías metabólicas de respuesta a estrés de Zn y aquellas de distintos metales. Análisis de varios mutantes tolerantes a zinc nos permitió identificar una imbricación relevante entre procesos metabólicos vitales como la respiración, la respuesta a estrés oxidativo, la estabilidad del DNA mitocondrial y la tolerancia a zinc mediante redes de respuesta y señalización global que implican interconexiones de proceso / This thesis is framed in two aspects of the of biological systems responses to metals. The subjects of research are: (1) individual elements (proteins called Metalothioneins), and (2) networks of global response (Metallomics), and their relationship and overlap with cellular metabolism (metabolomics). Computational analysis of the members of the family of MTs in the genomes of Drosophila (5 forms parálogas), twelve species (12 sets of orthologous) led to the identification of 60 isogenes/proteins with highly conserved sequences and architecture of DNA/protein sequences. All the components of the MT system are located in the Müller E element in the twelve species. The MtnE isoform is classified as a not extreme Cu-thionein, despite forming homometallic complexes with the Cu. MtnE shows the less specific coordinating capacity compared with the rest of isoforms, suggesting a physiological function related to the need for a peptide with a broad spectrum of coordination of metals. We also identified two sequences (BfMT1 and BfMT2) as potential MTs in the genome of Branchiostoma floridae. ORFs sequences, their regulatory regions, and corresponding protein products, showed characteristics which confirm them as potential MT. The BfMT1 and BfMT2 genes were identified in vivo using RT-PCR on total RNA from Branchiostoma lanceolatum. Both genes are induced in vivo in B. lanceolatum in excess of metals (Cd or Cu) conditions, showing BfMT1 a pattern corresponding to a basal or constitutive expression gene, while the expression of BfMT2 corresponds with an inducible gene. The treatment of living organisms with different concentrations of Cd showed that under conditions of excess of this metal, there is also a disruption in zinc homoestasis. With respect to the elements of global response, we studied the metabolic responses of S. cerevisiae to high zinc. Previous results of our group showed an interconnection of zinc related metabolic pathways and those related to other metals. Analysis of several mutants tolerant to high zinc allowed us to identify a significant overlap between metabolic life processes such as respiration, oxidative stress response, stability of mitochondrial DNA and tolerance to high zinc through networks of response and global signalling involving interconnected processes.

Les bactéries ajustent constamment leur composition moléculaire pour répondre à deschangements environnementaux. Nous nous intéressons aux systèmes de régulation métabolique et génique permettant une telle adaptation, notamment dans le contexte de la diauxie chez Escherichia coli lors de la transition de croissance sur une source de carbone riche, le glucose, à une source plus pauvre, l'acétate. Afin de modéliser de tels réseaux métaboliques, nous utilisons un formalisme cinétique approché appelé linlog et abordons les problèmes ren- contrés lors de l'estimation de paramètres. Ainsi, nous proposons une méthode d'estimationde paramètres à partir de jeux de données incomplets basée sur l'algorithme EM ("Expec- tation Maximization") et l'appliquons au modèle linlog du métabolisme central du carbone. Nous proposons également une méthode d'analyse d'identifiabilité et de réduction de modèles non identifiables que nous appliquons ensuite sur des jeux de données simulés ou obtenus expérimentalement. Par ailleurs, nous mesurons des profils temporels d'expression de gènes impliqués dans le contrôle de la diauxie et mettons en évidence, à l'aide de modèles cinétiques développés dans ces travaux, l'importance de la contribution de l'état physiologique de la cellule dans la régulation génique. En se confrontant aux défis méthodologiques rencontrés lors du développement de modèles de réseaux métabolique et génique, cette thèse contribue aux efforts futurs portant sur l'intégration de ces deux types de réseaux dans des modèles quantitatifs.

Resistance against anti-malarial drugs remains one of the greatest obstacles to the effective control of malaria. The current first-line treatment regimen for uncomplicated P.falciparum malaria is based on artemisinin combination therapies (ACTs). However, reports of an increase in tolerance of the malaria parasite to artemisinins used in ACTs have alarmed the malaria community. The spread of artemisinin-resistant parasites would impact negatively on malaria control. Chloroquine and amodiaquine are 4-aminoquinolines. Chloroquine and amodiaquine were evaluated in a primate model by comparing the bioavailability of these compounds in a reference formulation and also in a Pheroid® formulation. In vivo pharmacokinetic studies were conducted for chloroquine, and in vitro and in vivo drug metabolism and pharmacokinetic (DMPK) studies were conducted for amodiaquine. Pheroid® technology forms the basis of a colloidal drug delivery system, and it is the potential application of this technology in combination with the 4-aminoquinolines that was the focus of this thesis. Pheroid® is a registered trademark but for ease of reading will be referred to as pheroid(s) or pro-pheroid(s) throughout the rest of the thesis. The non-human primate model used for evaluation of the pharmacokinetic parameters was the vervet monkey (Chlorocebus aethiops). Chloroquine was administered orally at 20 mg/kg. A sensitive and selective LC-MS/MS method was developed to analyze the concentration of chloroquine in both whole blood and plasma samples. The Cmax obtained for whole blood was 1039 ± 251.04 ng/mL for the unformulated reference sample of chloroquine and 1753.6 ± 382.8 ng/mL for the pheroid formulation. The AUC0-inf was 37365 ± 6383 ng.h/mL (reference) and 52047 ± 11210 ng.h/mL (pheroid). The results indicate that the use of pheroid technology enhances the absorption of chloroquine. The effect of pheroid technology on the bioavailability of amodiaquine and N-desethylamodiaquine was determined in two groups of vervet monkeys, with the reference group receiving capsules containing the hydrochloride salt of amodiaquine and the test group receiving capsules containing a pro-pheroid formulation of amodiaquine. Amodiaquine was administered at 60 mg/kg. Blood concentrations of amodiaquine and N-desethylamodiaquine samples were monitored over 13 time points from 0.5 to 168 hours. Amodiaquine and pro-pheroid formulated amodiaquine were incubated in vitro with human and monkey liver (HLM and MLM) and intestinal (HIM and MIM) microsomes and recombinant cytochrome P450 enzymes. The in vitro metabolism studies confirm the rapid metabolism of amodiaquine to the main metabolite N-desethylamodiaquine in monkeys. Although the pharmacokinetic parameters varied greatly, parameters for both the parent compound and main metabolite were lower in the test formulation compared to the reference formulation. For HLM, MLM and CYP2C8, the pro-pheroid test formulation showed significantly longer amodiaquine clearance and slower formation of N-desethylamodiaquine. However, the effect was reversed in MIM. Pheroid technology impacts differently on the bioavailability of the various pharmaceutical classes of anti-malarials. Pheroid technology did not enhance the bioavailability of amodiaquine or N-desethylamodiaquine. This is contrary to the observed effects of pheroid technology on the pharmacokinetics of other drugs such as artemisone and chloroquine where it increases the area under the curve and prolongs the drug half-life. / Thesis (PhD (Pharmaceutics))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2013.

Resistance against anti-malarial drugs remains one of the greatest obstacles to the effective control of malaria. The current first-line treatment regimen for uncomplicated P.falciparum malaria is based on artemisinin combination therapies (ACTs). However, reports of an increase in tolerance of the malaria parasite to artemisinins used in ACTs have alarmed the malaria community. The spread of artemisinin-resistant parasites would impact negatively on malaria control. Chloroquine and amodiaquine are 4-aminoquinolines. Chloroquine and amodiaquine were evaluated in a primate model by comparing the bioavailability of these compounds in a reference formulation and also in a Pheroid® formulation. In vivo pharmacokinetic studies were conducted for chloroquine, and in vitro and in vivo drug metabolism and pharmacokinetic (DMPK) studies were conducted for amodiaquine. Pheroid® technology forms the basis of a colloidal drug delivery system, and it is the potential application of this technology in combination with the 4-aminoquinolines that was the focus of this thesis. Pheroid® is a registered trademark but for ease of reading will be referred to as pheroid(s) or pro-pheroid(s) throughout the rest of the thesis. The non-human primate model used for evaluation of the pharmacokinetic parameters was the vervet monkey (Chlorocebus aethiops). Chloroquine was administered orally at 20 mg/kg. A sensitive and selective LC-MS/MS method was developed to analyze the concentration of chloroquine in both whole blood and plasma samples. The Cmax obtained for whole blood was 1039 ± 251.04 ng/mL for the unformulated reference sample of chloroquine and 1753.6 ± 382.8 ng/mL for the pheroid formulation. The AUC0-inf was 37365 ± 6383 ng.h/mL (reference) and 52047 ± 11210 ng.h/mL (pheroid). The results indicate that the use of pheroid technology enhances the absorption of chloroquine. The effect of pheroid technology on the bioavailability of amodiaquine and N-desethylamodiaquine was determined in two groups of vervet monkeys, with the reference group receiving capsules containing the hydrochloride salt of amodiaquine and the test group receiving capsules containing a pro-pheroid formulation of amodiaquine. Amodiaquine was administered at 60 mg/kg. Blood concentrations of amodiaquine and N-desethylamodiaquine samples were monitored over 13 time points from 0.5 to 168 hours. Amodiaquine and pro-pheroid formulated amodiaquine were incubated in vitro with human and monkey liver (HLM and MLM) and intestinal (HIM and MIM) microsomes and recombinant cytochrome P450 enzymes. The in vitro metabolism studies confirm the rapid metabolism of amodiaquine to the main metabolite N-desethylamodiaquine in monkeys. Although the pharmacokinetic parameters varied greatly, parameters for both the parent compound and main metabolite were lower in the test formulation compared to the reference formulation. For HLM, MLM and CYP2C8, the pro-pheroid test formulation showed significantly longer amodiaquine clearance and slower formation of N-desethylamodiaquine. However, the effect was reversed in MIM. Pheroid technology impacts differently on the bioavailability of the various pharmaceutical classes of anti-malarials. Pheroid technology did not enhance the bioavailability of amodiaquine or N-desethylamodiaquine. This is contrary to the observed effects of pheroid technology on the pharmacokinetics of other drugs such as artemisone and chloroquine where it increases the area under the curve and prolongs the drug half-life. / Thesis (PhD (Pharmaceutics))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2013.