Oxidative stress plays a vital role in the pathogenesis of many chronic and acute inflammatory diseases. Reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) are two key mediators that are known to induce cellular and tissue oxidative stress. The generation of ROS and RNS is mediated by innate immune signaling processes. Lipopolysaccharide (LPS), a major inflammatory signal, is known to be a potent inducer of ROS/RNS. Thus, strategies that may block LPS-mediated generation of free radicals may hold promise in treating various inflammatory disease processes. However, the molecular mechanisms underlying LPS-mediated ROS/RNS production are not fully defined. Interleukin-1 Receptor associated kinase (IRAK-1), an intracellular kinase downstream of Toll-like Receptor 4 (TLR4) has been shown to contribute to the inflammatory cascade associated with LPS-TLR4 signaling pathway. However, its role in ROS production has not been defined. Therefore, we tested the hypothesis that IRAK-1 plays an important role in regulating ROS/RNS production. Both in vitro and in vivo studies were conducted to investigate the role of IRAK-1 in modulating free radicals as well as oxidative stress. In vitro studies demonstrate that IRAK-1 is a critical molecule involved in the induction of ROS/RNS. IRAK-1 deletion ablated free radical production following LPS challenge in a variety of cell types including macrophages, fibroblasts and microglia. Mechanistically, we observed that IRAK-1 is required for optimal expression and activity of NADPH oxidase subunits and iNOS. IRAK-1 deletion reduced LPS-triggered p47phox membrane translocation, suppressed NOX-1 expression and protein levels as well as hampered Rac1 activation. On the other hand, IRAK-1 deletion sustained antioxidative enzyme activity and levels in IRAK-1-/- macrophages and fibroblasts. In terms of the in vivo physiological consequences, IRAK-1-/- mice exhibited attenuated lipid peroxidation in vital organs, attenuated histopathological lesions in liver and kidney, and reduced endotoxemia-associated mortality. Taken together, IRAK-1 may, at least in part, serve as an important therapeutic target in the treatment of various inflammatory disease processes. / Ph. D.

Generation of reactive oxygen species (ROS) by mammalian host cells is a double-edged sword. ROS are clearly beneficial in directly killing pathogens and as a signaling molecule to alert macrophages and neutrophils to the site of infection. However, ROS are also capable of damaging host cells by destroying DNA, oxidizing proteins and lipids, inactivating enzymes, and eliciting apoptosis. Therefore the balance of ROS generation and clearance is essential for homeostasis. Although multiple mechanisms can contribute to the generation of ROS, NADPH oxidase (Nox) is a primary producer. In terms of clearance, several ROS scavenging enzymes are induced by Nrf2, a sensor of excessive ROS. The mechanisms behind the skewing of this balance toward prolonged accumulation of ROS under chronic inflammatory conditions are not well understood. Lipopolysaccharide (LPS), a major component of the Gram-negative bacteria cell wall, is specifically recognized by Toll-like receptor 4 (TLR4). LPS triggers robust activation of Nox and ROS production through TLR4, while also activating Nrf2 and ROS clearance. Intracellular pathways regulating ROS generation and clearance mediated by TLR4 are not well defined. Since interleukin-1 receptor associated kinase 1 (IRAK-1) is a key downstream component of TLR4, we test the hypothesis that IRAK-1 may play a critical role in maintaining the balance of LPS triggered ROS generation and clearance. Using wild type and IRAK-1 deficient murine embryonic fibroblasts, we tested the dynamic induction of Nox1 (a key NADPH oxidase) and Nrf2 by varying dosages of LPS. Our data confirm that high dose LPS (as seen in acute bacterial infection) induced both Nox1 and Nrf2. The generation of Nox1 is IRAK-1 dependent. Low dose LPS (as seen in chronic metabolic endotoxemia) fails to induce Nrf2 and induces mild and prolonged expression of Nox1. Cells pre-challenged with low dose LPS are primed for more robust expression of ROS following a second LPS challenge. The conclusions and implications generated by this study are that chronic low dose endotoxemia (prevalent in adverse health conditions) may skew the balance of ROS generation and clearance to favor prolonged ROS accumulation, and that IRAK-1 represents a potential therapeutic target to treat chronic inflammatory diseases. / Ph. D.

Yes / The identification and quantification of functional cytochromes P450 (CYPs) in biological samples is proving important for robust analyses of drug efficacy and metabolic disposition. In this study, a novel CYP activity-based probe was rationally designed and synthesised, demonstrating selective binding of CYP isoforms. The dependence of probe binding upon the presence of NADPH permits the selective detection of functionally active CYP. This allows the detection and analysis of these enzymes using biochemical and proteomic methodologies and approaches. / Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) and Yorkshire Cancer Research

Les voies respiratoires sont exposées à une panoplie de pathogènes. Lors d’une infection virale respiratoire les cellules qui recouvrent ces voies participent activement à la défense immunitaire contre ces derniers en limitant la propagation du virus et en engendrant une réponse proinflammatoire. Un évènement clef dans ces processus est l’activation des facteurs de transcription, notamment le « Nuclear Factor » (NF)-κB et l’« Interferon Regulatory Factor -3 » (IRF-3), qui régulent l’expression des cytokines antivirales et proinflammatoires. Des données récentes démontrent que les dérivés actifs de l’oxygène (ROS), produits suite à une infection virale, ont la capacité de réguler les voies de signalisation enclenchées par NF-κB et IRF-3. Une source importante de ROS est la famille de NADPH oxydases (NOX), qui contient les membres NOX1-5 et DUOX1 et 2. L’objectif de notre étude était d’identifier la NOX qui régule les mécanismes antiviraux et proinflammatoires suite à l’infection avec le virus respiratoire syncytial (RSV), qui cause des complications respiratoires majeures, et le virus Sendai (SeV), un modèle viral non-pathogène. Nos travaux ont permis d’identifier que NOX2 est une molécule clef dans la réponse proinflammatoire suite à l’infection virale. Plus spécifiquement, NOX2 est important pour l’activation de NF-κB et la sécrétion des cytokines régulées par ce dernier. De plus, nous avons observé une forte augmentation de la présence de DUOX2 dans les cellules de voies respiratoires humaines infectées par SeV. Une étude plus approfondie nous a permis de caractériser qu’une synergie entre deux cytokines secrétées lors de l’infection, soit l’interféron (IFN)β et le TNFα est responsable de l’induction de DUOX2. Nous avons aussi découvert que DUOX2 confère une activité antivirale et est nécessaire pour maintenir les taux des cytokines antivirales tardives IFNβ et IFNλ. Lors d’une infection avec RSV, l’induction de DUOX2 n’est pas détectable. Nous avons mis en évidence que RSV interfère avec l’expression de DUOX2 ce qui pourrait suggérer sa pathogénicité. En conclusion, nos travaux démontrent pour la première fois une implication spécifique des NADPH oxydase NOX2 et DUOX suite aux infections virales respiratoires. / The mucosal linings of the airways are constantly exposed to an array of microbial pathogens. During the course of respiratory viral infection, Airway epithelial cells (AEC) actively participate in the innate antiviral immune response by limiting the spread of respiratory viruses and by fostering a proinflammatory environment that attracts and activates players of the immune system. A key step in the establishment of the antiviral and proinflammatory state is the activation of Transcription Factors (TFs), such as Nuclear Factor (NF)-κB and Interferon Regulatory Factor 3 (IRF-3), which regulate the expression of antiviral and proinflammatory cytokines. For the efficient functioning of these events, the signaling pathways involved underlie strict regulatory mechanisms. Recent data suggest that Reactive Oxygen Species (ROS), which are produced upon viral infection, are able to regulate these intracellular signaling pathways. One important source of ROS is the NADPH oxidase (NOX) family of enzymes, which is composed of NOX1-5 and Dual Oxidase (DUOX) 1 and DUOX2. The aim of our study was to identify the NADPH oxidase(s) that regulate(s) antiviral and proinflammatory mechanisms following infection of AEC with Respiratory syncytial virus (RSV), which causes major human lower respiratory tract complications, and Sendai virus (SeV), a non pathogenic virus. During the course of our studies we identified that NOX2 is a key molecule in the early proinflammatory response to RSV and SeV infection. We demonstrate that NOX2 is necessary for the activation of NF-κB. Consequently, NOX2 impacts on the proinflammatory cytokine secretion upon AEC infection. Further, we observed that expression of the ROS-generating NADPH oxidase DUOX2 is strongly increased following infection of AEC with SeV. We identified that DUOX2 induction requires the synergistic stimulation by IFNβ and TNFα. Importantly, DUOX2 exhibited ROS-dependent antiviral action. We identified that DUOX2 was necessary for sustaining the levels of late antiviral cytokines IFNβ and IFNλ. When AEC were infected with RSV, DUOX2 expression was barely detectable. Our data reveal that RSV has developed an evasion mechanism to counteract DUOX2 induction likely contributing to RSV pathogenicity. In conclusion, our work demonstrates for the first time the specific implication of NOX2 and DUOX2 in the antiviral and proinflammatory response to respiratory virus infection.

Le vieillissement vasculaire est caractérisé par une dysfonction de l’endothélium. De nombreux facteurs de risque cardiovasculaire tels que l’obésité et l’hypertension prédisposent l’endothélium à un stress oxydant élevé aboutissant à une dysfonction endothéliale, celle-ci étant communément accompagnée d’une diminution de la biodisponibilité du monoxyde d’azote. Bien que la fonction endothéliale soit un déterminant majeur de la prédiction du risque cardiovasculaire des patients, son évaluation individuelle reste très limitée. En conséquence, il existe un intérêt scientifique grandissant pour la recherche de meilleurs biomarqueurs. L’Angiopoiétine like-2 (angptl2), une protéine identifiée récemment, joue un rôle pro-inflammatoire et pro-oxydant dans plusieurs désordres causés par une inflammation chronique allant de l’obésité à l’athérosclérose. L’inflammation et un stress oxydant accru ont été établis comme des mécanismes sous-jacents à l’apparition d’une dysfonction endothéliale, c’est pourquoi ce travail met l’accent sur le rôle de l’angptl2 dans la dysfonction endothéliale. Plus précisément, ce travail vise à: 1) déterminer les effets aigus de l’angptl2 sur la fonction endothéliale, 2) caractériser la fonction endothéliale et la contribution des différents facteurs relaxants dérivés de l'endothélium (EDRF) dans plusieurs lits vasculaires, et ce, dans un modèle de souris réprimant l’expression de l’angptl2 (knock-down, KD), et 3) examiner si l'absence d'expression angptl2 protège contre la dysfonction endothéliale induite par un régime riche en graisses (HFD) ou par perfusion d'angiotensine II (angII) chez la souris. Dans la première étude, l’incubation aigue avec de l’angptl2 recombinante induit une dysfonction endothéliale dans les artères fémorales isolées de souris de type sauvage (WT), probablement en raison d’une production accrue d'espèces réactives oxygénées. Les artères fémorales de souris angptl2 KD présentent une meilleure fonction endothéliale en comparaison aux souris WT, vraisemblablement par une plus grande contribution de la prostacycline dans la vasodilatation. Après 3 mois d’une diète HFD, les principaux EDRF respectifs des artères fémorales et mésentériques sont conservés uniquement dans les souris angptl2 KD. Cette préservation est associée à un meilleur profil métabolique, une moindre accumulation de triglycérides dans le foie et des adipocytes de plus petite taille. De plus, l’expression de gènes inflammatoires dans ces tissus adipeux n’est augmentée que chez les souris WT. Dans la seconde étude, l’absence d’angptl2 résulte en une production accrue de monoxyde d’azote dans les artères cérébrales isolées par rapport à celles des souris WT. La perfusion chronique d’angII provoque, seulement chez les souris WT, une dysfonction endothéliale cérébrale probablement par le biais d’une augmentation de la production d’espèces réactives oxygénées, probablement dérivé des NADPH oxydase 1 et 2, ainsi que l'augmentation des facteurs constricteurs dérivés de l’endothélium issus de la cyclo-oxygénase. En revanche, l’apocynine réduit la dilatation cérébrale chez les souris KD traitées à l’angII, ce qui suggère le recrutement potentiel d’une voie de signalisation compensatoire impliquant les NADPH oxydases et qui aurait un effet vaso-dilatateur. Ces études suggèrent fortement que l’angptl2 peut avoir un impact direct sur la fonction endothéliale par ses propriétés pro-inflammatoire et pro-oxydante. Dans une optique d’application à la pratique clinique, les niveaux sanguins d’angptl2 pourraient être un bon indicateur de la fonction endothéliale. / Vascular aging is characterized by changes in the endothelium. Common cardiovascular risk factors, including obesity and hypertension, predispose the endothelium to increased oxidative stress, leading to endothelial dysfunction commonly characterized by diminished nitric oxide bioavailability. Although endothelial function can be a major determinant of cardiovascular risk prediction in patients, individual testing is still limited in clinical settings and thus there is increasing scientific interest in finding better biomarkers. Angiopoietin like-2 (angptl2), a recently identified protein, is a pro-inflammatory and pro-oxidative protein involved in chronic inflammatory disorders ranging from obesity to atherosclerosis. As inflammation and increased oxidative stress are established underlying mechanisms by which endothelial dysfunction occurs, this work focuses on the role of angptl2 in endothelial dysfunction, a topic that is largely unexplored. Specifically, this work aims to 1) determine the acute effects of angptl2 on endothelial function, 2) characterize endothelial function and contribution of different endothelium-derived relaxing factors in various vascular beds in a newly generated angptl2 knock-down (KD) mouse model, and 3) examine whether the lack of angptl2 expression protects against endothelial dysfunction induced by either a high-fat diet (HFD) or angiotensin II (angII) infusion in mice. In the first study, we show that a recombinant angptl2 acutely evokes endothelial dysfunction in the femoral artery isolated from wild-type (WT) mice, likely due to increased production of reactive oxygen species. Also in the femoral artery, angptl2 KD mice display better endothelial function compared to WT, which may be a result of greater prostacyclin contribution to vasodilation. After a 3-month HFD, the main respective endothelium-derived relaxing factors in the femoral and mesenteric arteries are preserved in angptl2 KD mice only, which was associated with a better metabolic profile, such as lower total cholesterol-to-high-density lipoprotein and low-density-to-high-density lipoprotein ratios compared to WT mice. After a HFD, KD mice have less triglyceride accumulation in the liver and smaller adipocytes in their mesenteric and epididymal white adipose tissues compared to WT mice, while inflammatory gene expressions in adipose tissues increase in WT mice only. In the second study, we reveal that the lack of angptl2 in KD mice results in greater nitric oxide production compared to WT mice in their isolated cerebral arteries. Chronic infusion of pro-inflammatory and pro-oxidative angII results in cerebral endothelial dysfunction only in WT mice, which is acutely ameliorated with either N-acetylcysteine, apocynin, or indomethacin, suggesting increased reactive oxygen species, likely derived from the NADPH oxidases 1/2, and increased cyclooxygenase-derived endothelium-derived contracting factors. In contrast, apocynin reduces cerebral dilation in angII-treated KD mice, suggesting recruitment of a potential compensatory dilatory NADPH oxidase pathway. These studies are the first to explore angptl2 contribution to endothelial dysfunction in different vascular beds, and strongly suggest that angptl2 can directly impair endothelial function by its pro-inflammatory and pro-oxidative properties. Translating this to the clinical setting, expression levels of angptl2 may be an indicator of endothelial function, and lowering angptl2 levels could become a potential therapeutic approach in the treatment of chronic inflammatory disorders including cardiovascular diseases.

Le stress oxydant est un acteur clé dans les réponses des plantes à des conditions contraignantes. En raison de la complexité de la régulation de l’état redox cellulaire, il reste beaucoup à élucider concernant les interactions entre différentes composantes dans ces conditions. Grâce à une approche de génétique inverse basée sur un mutant d’Arabidopsis déficient en catalase (cat2) qui présente des modifications d’état redox prévisibles et bien définies, cette étude a exploré les interactions entre le stress oxydant et (1) un gène spécifique impliqué dans la déphosphorylation des protéines, (2) des enzymes spécifiques impliquées dans les systèmes antioxydants réducteurs. Les résultats obtenus révèlent que la sous-unité B'γ de la protéine phosphatase de type 2A (PP2A-B'γ) est importante dans la détermination des phénotypes et des réponses de défense photopériode-dépendantes chez cat2. En conditions de jours courts (SD), un double cat2 pp2a-b'γ mutant montrait une gamme de réponses qui n’étaient pas observées chez cat2. Ces effets comprenaient l’apparition de lésions ainsi que l’accumulation de l’acide salicylique et d’autres composés de défense. Des analyses métabolomiques et protéomiques ont permis de démontrer que ces effets étaient accompagnés de modifications de l’abondance de métabolites et protéines spécifiques, ainsi que des changements dans le statut de phosphorylation de certains polypeptides. Dans un deuxième volet du travail, l’importance d’une enzyme productrice du NADPH a été évaluée en produisant des doubles cat2 nadp-me2 mutants chez lesquels l’isoforme majeure de l’enzyme malique cytosolique n’est plus exprimée. Malgré une induction de cette enzyme par le stress oxydant aux niveaux de transcrits et d’activité, et une diminution importante de l’activité foliaire associée aux mutations nadp-me2, peu de différence a été observée entre les lignées cat2 et cat2 nadp-me2. De même, la mutation nadp-me2 n’a pas affecté la réponse phénotypique de plantes exposées à l’ozone. Dans la troisième partie du travail, le couplage entre les pools ascorbate et glutathion lors du stress oxydant a été exploré par l’introduction de mutations pour la déshydroascorbate réductase (DHAR) dans le fond génétique cat2. L’activité extractible de cette enzyme a été diminuée à des niveaux très faibles chez des lignées portant à la fois les mutations dhar1 et dhar3. Cependant, peu de différence a été observée dans les phénotypes et les statuts d’ascorbate et de glutathion chez un triple mutant cat2 dhar1 dhar3 par rapport à cat2. Des analyses préliminaires d’un quadruple cat2 dhar1 dhar2 dhar3 mutant semblent pourtant indiquer que les trois DHARs jouent des rôles fonctionnellement redondants dans le stress oxydant. Dans son ensemble, ces travaux apportent des données nouvelles sur les enzymes qui régulent les réponses aux stress oxydants et ont généré des outils intéressants pour des études ultérieures. / Oxidative stress is a key player in plant responses to challenging environmental conditions. The intricate nature of the regulation of cellular redox state means that much remains to be elucidated on interactions between different components in these conditions. By using a genetic approach based on a catalase-deficient Arabidopsis mutant (cat2) that presents well-defined, predictable changes in redox state, this study explored interactions between oxidative stress and (1) a specific gene involved in protein dephosphorylation, and (2) specific enzymes involved in the antioxidative/reducing system. The results showed that protein phosphatase 2 subunit B'γ (PP2A-B'γ) is involved in determining day length-dependent phenotypes and related defense responses in cat2. A cat2 pp2A-B'γ double mutant showed a range of responses that were not observed in cat2 grown in short days, including lesion formation and accumulation of salicylic acid (SA) and related metabolites. Metabolomics and proteomics analyses showed that these effects were associated with altered abundance of specific metabolites and proteins, as well as changes in protein phosphorylation status. A second part of the study investigated the importance of NADP-generating enzymes in oxidative stress by production of cat2 nadp-me2 double mutants, in which the cytosolic isoform of NADP-malic enzyme is knocked out. Although NADP-ME2 was shown to be induced by oxidative stress, and mutants for this gene had much decreased leaf NADP-malic enzyme activity, no effects on cat2 phenotypes or redox profiles were apparent. Similarly, phenotypic responses to ozone were not affected in an nadp-me2 single mutant. In the third part, coupling between ascorbate and glutathione pools during oxidative stress was investigated by introduction of loss of function mutations for dehydroascorbate reductase (DHAR) into the cat2 background. In lines carrying a combination of dhar1 and dhar3 mutations, extractable leaf activity was decreased to very low levels. Despite this, cat2 dhar1 dhar3 and cat2 phenotypes and ascorbate and glutathione pools were similar. However, preliminary functional analysis of a cat2 dhar1 dhar2 dhar3 quadruple mutant suggested that the three DHARs play functionally redundant roles in oxidative stress. Overall, the work provides new data on enzymes that regulate responses to oxidative stress and has produced interesting genetic tools for further study.

The mammalian spinal cord contains the neuronal circuitry necessary to generate rhythmic locomotor activity in the absence of inputs from the higher brain centre or sensory system. This circuitry is regulated by local neuromodulatory inputs, which can adjust the strength and timing of locomotor output. The free radical gas nitric oxide has been shown to act as an important neuromodulator of spinal circuits, which control locomotion in other vertebrate models such as the tadpole and lamprey. Despite this, the involvement of the NO-mediated soluble guanylate cyclase/cyclic guanosine monophosphate secondary messenger-signalling pathway (NO/sGC/cGMP) in mammalian locomotion has largely been under-investigated. The NADPH diaphorase histochemical reaction was used to identify sources of NO in the lumbar spinal cord. The largest population NADPH diaphorase reactive neurons were located in the dorsal horn, followed by the laminae of the ventral horn, particularly around the central canal (lamina X) and lamina VII. NADPH diaphorase reactive neurons were found along a rostrocaudal gradient between lumbar segments L1 to L5. These results show that that discrete neuronal sources of NO are present in the developing mouse spinal cord, and that these cells increase in number during the developmental period postnatal day P1 – P12. NADPH diaphorase was subsequently used to identify NADPH diaphorase reactive neurons at P12 in the mouse model of ALS using the SODG93A transgenic mouse. Physiological recordings of ventral root output were made to assess the contribution of NO to the regulation induced rhythmic fictive locomotion in the in vitro isolated spinal cord preparation. Exogenous NO inhibits central pattern generator (CPG) output while facilitating and inhibiting motor neuron output at low and high concentrations respectively. Removal of endogenous NO increases CPG output while decreasing motor neuron output and these effects are mediated by cGMP. These data suggest that an endogenous tone of NO is involved in the regulation of fictive locomotion and that this involves the NO/sGC/cGMP pathway. Intracellular recordings from presumed motor neurons and a heterogeneous, unidentified sample of interneurons shows that NO modulates the intrinsic properties of spinal neurons. These data suggest that the net effect of NO appears to be a reduction in motor neuron excitability.

L’objectif de ces travaux de thèse était de rechercher un potentiel effet inhibiteur de l’acide acétique endogène sur le métabolisme oxydo réductif de Saccharomyces cerevisiae, afin d’évaluer la pertinence d’une stratégie d’amélioration des capacités de production d’éthanol par la modulation de la synthèse de cet acide. Ces travaux devaient également permettre d’approfondir la compréhension des principaux facteurs commandant la synthèse de l’acide acétique et plus largement des acides organiques. La stratégie de modulation de la synthèse d’acide acétique mise en place reposait sur des approches microbiologique et génétique, consistant en l’ajout d’acide oléique et / ou de carnitine dans le milieu de culture ainsi que la surexpression du gène CIT2 ou la suppression du gène ALD6.Cette démarche a permis de montrer que, contrairement à la version exogène, l’acide acétique endogène ne présentait pas d’effet inhibiteur du métabolisme oxydo réductif de Saccharomyces cerevisiae ou qu’il était négligeable par rapport au stress éthanol. En outre, la modulation de la production de cet acide ne semble pas être une stratégie envisageable en vue de l’amélioration des capacités de production d’éthanol de cette levure, bien qu’une corrélation ait été observée entre les titres finaux de ces deux molécules.En outre, il a été montré que l’isoforme 6 de l’acétaldéhyde déshydrogénase (Ald6p) était essentiel pour assurer la croissance cellulaire normale ainsi que les mécanismes de résistance au stress éthanol dans ces conditions de culture. Plus largement, l’interrelation entre les différents isoformes ne paraissait pas aussi flexible qu’en anaérobiose. Saccharomyces cerevisiae semblait également présenter un métabolisme flexible en réponse à une modulation de la synthèse d’acide acétique. La voie des pentoses phosphates serait ainsi capable de prendre le relais de l’Ald6p pour assurer la régénération du NADPH cytosolique, bien que le flux à travers cette voie semble avoir été limité par le ratio NADP+ / NADPH. Enfin, les cellules paraissaient capables de réguler la synthèse de l’acétyl coA à partir d’acide acétique en réaction à une évolution des besoins anaboliques lors de la fin de la phase de croissance. Elles seraient toutefois incapables de pallier le manque d’acétyl coA suite à la suppression du gène ALD6. La modulation de la synthèse des acides pyruvique et succinique a également fait l’objet de discussions. / The aim of this work was to investigate a potential inhibitory effect of endogenous acetic acid on the oxido-reductive metabolism of Saccharomyces cerevisiae, to assess the relevance of a strategy based of the modulation of the synthesis of this acid, to improve ethanol production capacities. This work should also help to broaden the understanding of the main factors controlling the synthesis of acetic acid, and more generally organic acids. The strategy to modulate the synthesis of acetic acid was based on microbiological and genetic approaches, consisting in the addition of oleic acid and / or carnitine in the medium as well as the overexpression of the gene CIT2 or the deletion of the gene ALD6.This approach has shown that, contrary to exogenous version, endogenous acetic acid did not induce inhibitory effects on the oxido-reductive metabolism of Saccharomyces cerevisiae, or was negligible compared to stress caused by ethanol. Moreover, the modulation of the synthesis of this acid appear to be not an attractive strategy to improve ethanol production capacities of the yeast, although a correlation was observed between the end-culture titer of these two molecules.In addition, it has been shown that the isoform 6 of acetaldehyde dehydrogenase (Ald6p) was essential to ensure regular growth and mechanisms of ethanol stress resistance under these conditions of culture. More broadly, the interrelation between the different isoforms did not seem as flexible as under anaerobic conditions. Saccharomyces cerevisiae also seemed to have a flexible metabolism in response to a modulation of the synthesis of acetic acid. The pentose-phosphate way would be able to take over from Ald6p for regeneration of cytosolic NADPH, although the ratio NADP+ / NADPH seemed to lessen the flux through this pathway. Finally, the cells appeared to be able to regulate the synthesis of acetyl-CoA from acetic acid in response to changing in anabolic needs at the end of the growth phase. However, yeasts would be unable to overcome the lack of acetyl-CoA following the suppression of the gene ALD6. The modulation of the synthesis of pyruvic and succinic acids has also been discussed.

La NADPH oxydase du phagocyte est une enzyme impliquée dans la défense immunitaire contre les pathogènes. Après activation du phagocyte, cette enzyme produit des ions superoxyde par réduction du dioxygène par le NADPH. Elle est constituée de quatre sous- unités cytosolubles (p47phox ; p67phox ; p40phox et Rac), et deux membranaires (gp91 ; p22phox). Son activation fait intervenir un processus complexe qui met en jeu des changements d’interaction entre les protéines la constituant et qui permet l’assemblage des six sous- unités. Afin d’obtenir des informations sur les processus d’assemblage et d’activation, j’ai reconstitué le complexe dans un système cell free à l’aide de protéines recombinantes pour pouvoir contrôler tous les paramètres. Dans ce travail nous avons comparé les modes d’activation de p47phox par phosphorylation, par mutation substitutionelle sérine - aspartate en position S303,S304 et S328 pour mimer la phosphorylation et enfin par addition d’acide arachidonique (AA) activateur connu de l’enzyme in vitro mais aussi in vivo. Bien qu’il ai été montré que ces trois méthodes ouvrent la protéine vers une conformation ayant des propriétés similaires, nous avons trouvé que les effets de ces méthodes d’activation sont significativement différents. Ainsi, les changement de conformation observés par dichroisme circulaire, sont dissemblables. Pour p47phox, l’addition de AA déstructure la protéine. La phosphorylation induit un déplacement bathochrome des bandes de CD qualitativement similaire, alors que les mutations S-D de p47phox provoquent un déplacement opposé. Pour le complexe p47phox-p67phox l’addition d’AA destructure le mélange tandis que la mutation induit relativement peu de changement. Nous avons mesuré les constantes de dissociation Kd du complexe p47phox-p67phox. Alors que pour les protéines « sauvages », le Kd est faible (4±2 nM), les mutations de p47phox ainsi que l’addition d’AA augmentent cette valeur jusqu’à environ 50 nM, montrant une diminution de l’affinité entre p47phox-p67phox. De même, sur le complexe entier, l’effet de la phosphorylation de p47phox est différent de la mutation. Nous avons mesuré les valeurs de EC50 relatives à p67phox pour les différentes formes de p47phox. L’activation de p47phox par phosphorylation diminue l’EC₅₀, alors que les doubles ou triple mutations augmentent sa valeur. Nous avons confirmé que la phosphorylation et la mutation sont insuffisantes pour activer l’enzyme. La présence de AA est indispensable pour le fonctionnement du complexe. L’ordre de fixation des sous unités cytosoliques semble indifférent mais il faut que tous les composants soient présents lors de l’ajout de AA. Enfin, la délétion de p47phox dans la partie C-terminale (aa 343 à 390, domaine d’interaction avec p67phox) il n’y a plus de formation du dimère mais l’enzyme fonctionne normalement. Ces résultats apportent des éléments nouveaux sur le rôle de la dimérisation p47 phox-p67 phox, non indispensable à l’activité du système et sur le rôle mineur de la phosphorylation dans l’activation de la NADPH oxydase in vitro. / The NADPH oxidase of phagocytes is an enzyme involved in the innate defense of organisms against pathogens. After phagocyte activation, this enzyme produces superoxide ions by reduction of dioxygen by NADPH. It is constituted of four cytosolic sub-units (p47phox ; p67phox ; p40phox et Rac) and two membrane proteins (gp91 ; p22phox). Its activation takes place through a complex process that involves protein-protein interaction changes leading to assembly and functionning of the catalytic core. In order to obtain information on this process, I have reconstituted the enzyme in a cell free systeme using recombinant proteins, to be able to fully control all the measurement conditions. In this work, we have compared different activation modes of p47phox i) phosphorylation; ii) substitution serine - aspartate by mutations at positions S303, S304 and S328 to mimic phosphorylation; iii) addition of arachidonic acid (AA), a well known activator molecule in vitro. It has been shown that these three activating methods transform p47phox to an open configuration with similar characteristics. However, we have found that the effects of these methods are significantly different. Indeed, the conformational changes observed by circular dichroism are different. For p47phox, the addition of AA destructures the protein. Its phosphorylation induces a bathochromic displacement of the bands, whereas the mutations S-D lead to an opposite displacement. For the dimer p47phox-p67phox , the addition of AA destructures the proteins while mutations induce hardly no changes. We have measured the dissociation constant Kd of the complex p47phox-p67phox. For wild type proteins, Kd value is low (4±2 nM), while mutations of p47phox as well as addition of AA increase its value up to 50 nM, showing a decrease of affinity between p47phox and p67phox. Moreover, on the whole complex, the effect of phosphorylation of p47phox is different from mutations. We have shown that the EC50 values relative to p67phox are sensitive to the various modifications of p47phox. Phosphorylation of p47phox decreases EC₅₀, while double or triple mutations increase its value. We have confirmed that phosphorylation and mutation are not sufficient to activate the enzyme. The presence of AA is a prerequisite for the functionning of the complex, i.e. production of superoxide. The binding order of the cytosolic proteins seems random but it is necessary that all the components be present during the activation by AA. Finally, deletion of the C terminal part of p47phox (aa 343 to 390, interaction domain with p67phox) leads to the absence of dimer formation but does not affect the enzyme activity. These results bring new information on the role of dimerisation of p47-p67 and on that of phosphorylation in the activation of NADPH oxidase in vitro.

Le complexe NADPH oxydase est un élément essentiel de l’immunité inné. Présent dans les cellules phagocytaires (neutrophile), sa fonction est de produire massivement, dans le phagosome, des anions superoxyde et générer ainsi des espèces encore plus réactives de l’oxygène qui vont détruire acides nucléiques, lipides et protéines des bactéries phagocytées. Le cœur membranaire catalytique du complexe NADPH oxydase est constitué d’un hétérodimère membranaire, le cytochrome b₅₅₈ (Cyt b₅₅₈). Après activation de celui-ci par les partenaires protéiques cytosoliques p47phox, p67phox, p40phox et Rac, une succession de réactions de transferts d’électron de part et d’autre de la membrane a lieu au sein du Cyt b₅₅₈ pour aboutir à la réduction du dioxygène de manière très contrôlée. Afin de mieux comprendre cette régulation, nous nous sommes d’abord intéressés aux stéreoisomères trans de l’acide arachidonique, activateur naturel de cet enzyme (cis), sur le fonctionnement de la NADPH oxydase et avons abordé cette étude parallèlement sur du Cytb₅₅₈ d’origine bovine présent dans des membranes de neutrophiles et dans des membranes de levures exprimant le Cytb₅₅₈ de manière hétérologue. Nous avons montré que la géométrie joue un rôle important sur l’activation du complexe enzymatique. Dans un deuxième temps, afin d’étudier le rôle de l’environnement membranaire sur le fonctionnement de la NADPH oxydase, nous avons déterminé les propriétés cinétiques et thermodynamiques de l’activité NADPH oxydase du Cytb₅₅₈ recombinant exprimé en levures, purifié, puis reconstitué en liposomes de composition lipidique variée. Après comparaison avec ces mêmes propriétés obtenues pour le Cytb₅₅₈ dans les membranes plasmiques et du réticulum endoplasmique de levures, nous avons montré que l’activité NADPH oxydase très sensible à la température peut être modulée par la composition et l’état physique de la membrane. / NADPH oxidase complex is a major actor of both antimicrobial host defense and inflammation by generating highly regulated superoxide anion, rapidly converted into reactive oxygen species (ROS). The NADPH oxidase complex consists of a heterodimeric integral membrane flavocytochrome b₅₅₈ and three cytosolic components p67phox, p47phox and p40phox, and the small GTP binding protein Rac. In response to a cellular stimulus, cytosolic proteins are recruited to the phagosomal membrane where they are assembled with the Cytb₅₅₈ to form the active NADPH oxidase. The aim of the work was to better understand the modulation of superoxide anion production by this enzyme. For this purpose, we performed experiments with both bovine neutrophil membranes and yeast membranes expressing the bovine recombinant Cytb₅₅₈. We first investigated the effect of the trans-isomerization of the cis-arachidonic acid, the activator of NADPH oxidase in vitro and showed that specific geometry of the activator plays an important role in the activation of the complex. We also studied the role of the membrane environment on the functioning of NADPH oxidase and determined the kinetics and thermodynamics of NADPH oxidase activity depending on the lipid composition of Cytb₅₅₈ proteoliposomes. Comparison with these properties obtained with recombinant Cytb₅₅₈ embedded into endoplasmic reticulum and plasma membranes, we showed that the NADPH oxidase activity is highly temperature dependent and can be modulated by the lipid environment and the physic state of the membrane.