La tomate (Solanum lycopersicum) [...] présente de nombreux avantages : facilité de culture, temps de génération court, connaissances et ressources importantes, génome séquencé, facilité de transformation... Le développement du fruit est un procédé complexe hautement régulé et divisible en quatre étapes principales : la division cellulaire, l'expansion cellulaire, l’étape appelé « turning » et la maturation. Chaque étape est associée à un phénotype, qui lui-même découle de changements à différents niveaux cellulaires. [...]. Grâce aux récents progrès technologiques et en particulier au développement des «techniques omiques», comme la génomique, la transcriptomique, la protéomique, la métabolomique, les principaux composants cellulaires peuvent désormais être étudiés à haut densité. Dans ce contexte, l'objectif de mon doctorat était d'effectuer une analyse protéomique quantitative du développement du fruit de tomate puis d’intégrer les données «omiques» à la fois par des analyses statistiques et par la modélisation mathématique. Le premier chapitre rapporte les résultats de quantification du protéome de fruit de tomate réalisé en collaboration avec la plateforme PAPPSO (INRA, Gif-sur-Yvette). Des échantillons collectés à neuf stades de développement du fruit de tomate ont été extraits et le protéome quantifié, en absence de marquage, par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC-MS/MS). Ensuite, j'ai cherché la méthode la plus adaptée, testant un ensemble de filtres sur les données, pour obtenir une quantification précise des protéines à partir des intensités ioniques (XIC). Au total, j’ai pu obtenir la quantification absolue de 2494 protéines en utilisant une méthode basée sur la modélisation de l'intensité des peptides. [...] Le deuxième chapitre est consacré aux résultats obtenus par analyses combinées d’«omiques» au cours du développement du fruit de tomate. La transcriptomique a été réalisée en collaboration avec Genotoul GeT (Toulouse) et le groupe Usadel (RWTH Aachen University, Allemagne). Grâce à l’ajout d’étalons internes, plus de 20000 transcrits ont été quantifiés de manière absolue à chacune des neuf étapes de développement. Cette quantification a ensuite été validée par comparaison avec des données de concentration de 71 transcrits précédemment obtenues par PCR quantitative. Enfin, nous avons cherché à intégrer les quatre niveaux de données - transcriptome, protéome, métabolome et activome- afin d‘identifier les principales variables associées au développement. Pour ces quatre niveaux, les analyses ont confirmé que l’entrée en maturation s’accompagne de changements majeurs et révélé une grande similarité entre la fin et le début du développement, notamment au niveau du métabolisme énergétique. Le troisième chapitre porte sur les résultats de modélisation de la traduction protéique obtenus grâce à la quantification absolue du transcriptome et du protéome. Afin d’expliquer la corrélation décroissante observée au cours du développement entre les concentrations en protéines et celles des transcrits correspondants, nous avons résolu un modèle mathématique de la traduction protéique basé sur une équation différentielle ordinaire et impliquant deux constantes de vitesse: pour la synthèse et la dégradation de la protéine. La résolution de cette équation, validée par un critère de qualité basé un intervalle de confiance fermé, a conduit à l'estimation de ces constantes pour plus de 1000 protéines. [...] Enfin le dernier chapitre décrit l’ensemble du matériel et des méthodes utilisées pour obtenir les différents résultats présentés dans le manuscrit. Dans le domaine de la biologie des systèmes, ce travail illustre comment l'intégration de multiples données «omiques» et la modélisation mécanistique basée sur la quantification absolue des «omiques» peut révéler de nouvelles propriétés des composants cellulaires. / The interest of the tomato (Solanum lycopersicum) fruit has spread in plant science where it is used as the model for fleshy fruit. The valuable advantages of the tomato fruit are numerous: an ease of culture, a short generation time, a high knowledge with important resources, a sequenced genome, an ease for transforming…. The development of tomato fruit is a complex regulated process, divided in four main steps: cell division, cell expansion, turning and ripening. Each step is characterized by a phenotype resulting from changes at different cellular levels. Thus, gene expression, protein abundance, enzyme activities, metabolic fluxes and metabolite concentrations show significant changes during these steps. Thanks to recent technologies advances and in particular the development of ‘omics techniques’, such as genomic, transcriptomic, proteomic, metabolomic, the main cell components can now be analysed by high-throughput. In this context, the objective of my PhD was to perform a quantitative proteomic analysis of the tomato fruit development and then integrate omics data both by statistical analyses and by mathematical modelling. The first chapter focused on results obtained for the quantitative proteomic developed in collaboration with the PAPPSO platform (INRA, Gif-sur-Yvette). Samples were harvested at nine stages of tomato fruit development, total proteome was extracted and quantified by label-free LC-MS/MS. Then I searched for the most appropriate method, testing a set of filters on the data, to obtain an absolute label-free protein quantification from ion intensities (XIC). Finally, I obtained the absolute quantification of 2494 proteins using a method based on peptides intensity modelling. The quantification of proteins by LC-MS/MS was then validated by comparison with 32 enzymatic capacities used as proxy for protein abundance. The second chapter was dedicated to the results of integrative omics analyses throughout tomato fruit development. First, transcriptomic has been performed in collaboration with Genotoul GeT (Toulouse) and Usadel‘lab (RWTH Aachen University, Germany). Using spikes in the experimental design, more than 20000 transcripts have been quantitatively determined at the nine stages of development. Then, this absolute quantification of the tomato transcriptome has been cross-validated with 71 transcripts previously measured by qRT-PCR. Finally, we integrated the four omics datasets- transcriptome, proteome, metabolome and activome – in order to identify key variables of the tomato fruit development. For the four levels, analyses confirmed that the entrance in maturation phase was accompanied by major changes, and revealed a great similarity between the end and the beginning of development, especially in the energy metabolism. The third chapter focuses on modelling results of the protein translation based on the absolute quantification of transcriptomic and proteomic. To explain the decreasing correlation observed between proteins and transcripts concentration throughout development, we proposed a mathematical model of protein translation based on an ordinary differential equation and involving two rate constants (for synthesis and degradation of the protein). The resolution of this equation, validated by a quality criteria based on a closed confidence interval, led to the estimation of the rate constants for more than 1000 proteins. These results were then compared with previous published data reported for plants and more widely in eukaryotic cells. Finally, the last chapter describes all the materials and methods used to obtain the results presented in the manuscript.In the systems biology context, this work illustrates how integration of multiple omics datasets and mechanistic modelling based on absolute omics quantification can reveal new properties of cellular component.

Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est la forme la plus fréquente de cancer du foie et l’une des principales causes de mortalité par cancer dans le monde. Il s’agit d’une maladie de mauvais pronostic, aux ressources thérapeutiques limitées, hétérogène sur le plan immunophénotypique et génomique, qui se développe très souvent sur un foie remanié cirrhotique. Les études moléculaires ont révélé plusieurs sous-classes de CHC caractérisés par des signatures génomiques et protéomiques distinctes. Au cours de mon travail de thèse, nous avons contribué à améliorer notre compréhension de la biologie des CHC et des classifications moléculaires en cartographiant le génome non-codant de tumeurs de CHC induites par des virus hépatotropes (VHB, VHC) et en étudiant la sous-classe moléculaire de CHC la plus agressive KRT19-positif. Nous avons établi la première carte de transcriptome à ARN non codants du CHC et révélé une forte activation intra-tumorale des rétrotransposons à LTR, qui sont principalement inhibés dans les cellules hépatiques normales, dans des CHC induits par les VHB et VHC. Certains des transcrits dérivés de LTR se sont révélés être des régulateurs clés de l’expression génique et donc activer la croissance cellulaire. Dans la deuxième étude, nous identifions une nouvelle voie de régulation des CHC KRT19-positif affectant le métabolisme énergétique de ces tumeurs. Les CHC KRT19-positif sont des tumeurs fortement glycolytiques liée à une activation de la réponse à l’hypoxie. L’excès de production par les CHC KRT19-positif de l’oncométabolite 2-hydroxyglutarate en absence de mutation des gènes IDH1 et IDH2 était associé à un profil aberrant hyperméthylé sur la lysine 9 de l’histone H3 (H3K9me3) suggérant une répression de la transcription notamment des gènes impliqués dans la différenciation cellulaire. / Hepatocellular carcinoma (HCC) is the main primary liver cancer and one of the most leading cause of cancer-related death worldwide. This heterogeneous disease with a worse prognosis has been subjected of numerous studies aimed to establish global phenotypic profiles. During my thesis, I dedicated my work to improve these classifications by identifying signatures on the non-coding genome and working on a very aggressive form of HCC expressing progenitors markers. With help of a Japanese team, we demonstrated that LTR-derived ncRNAs were active in HCC and that correlation correlates with expression of common cancer markers (GPC3) ans TP53 mutations. This signature can also be used to discriminate HCCs at high risk of recurrence. Finally, we have showed that these LTRs are detectable on prenoplastic stages in the Mdr2 KO mouse model. In parallel, I worked on HCC that expresses progenitor markers such as cytokeratin 19. Using proteomic and transcriptionnal approaches and in silico analyses, we propose that the occurrence of this type of cancer id due to an hypoxic event likely related to trans-arterial chemoembolization. These tumors have a highly glycolytic phenotype with production of an oncometabolite (2-hydroxyglutarate) that has been generally foubd in IDH1/2 mutated cholangiocarcinomas. Finally we suggest the use of metformin, type 2 diabetes drug, to reverse metabolic reprogramming and restore sensitivity to chemotherapy

La qualité germinative (vigueur) des semences est un caractère agronomique majeur. Elle correspond à la capacité d'un lot de semences à germer de façon rapide et homogène dans une large gamme de conditions environnementales. Cette qualité germinative est notamment contrôlée par une interaction antagoniste entre deux phytohormones, l'acide abscissique (ABA) qui induit et maintient la dormance et les gibbérellines (GAs) qui stimulent la germination et la croissance de la plantule. La dormance, qui correspond à un blocage physiologique de la germination, est un paramètre non souhaitable d'un point de vue agronomique. Par conséquent la compréhension de la régulation hormonale sur la qualité des semences représente un intérêt fort pour la communauté scientifique mais aussi pour les acteurs de la filière "semences". De nombreuses études ont démontré l'existence d’une importante régulation de la synthèse des protéines au cours de l’imbibition des graines. Cette régulation traductionnelle contribuerait à la mise en place des programmes métaboliques différents en fonction de l’état physiologique des semences pour maintenir un état de dormance ou initier le processus de germination.Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s’est concentré à apporter des éléments nouveaux sur le rôle de l’ABA dans la détermination de la qualité physiologique des semences au cours du développement de la graine et au cours de la germination. L’impact de l’ABA a été particulièrement décortiqué à l’aide de mutant d’Arabidopsis thaliana présentant des teneurs en ABA endogènes contrastées. Par une approche multi-omique combinant des analyses transcriptomiques, protéomiques et métabolomiques, nous avons étudié les mécanismes moléculaires et biochimiques associées avec la mise en place de la qualité physiologique des semences en relation avec l’ABA. Nos résultats ont montré qu’au-delà du contenu en ABA, l’origine tissulaire de cette hormone dans les graines gouverne de nombreux réarrangements métaboliques qui participent au déterminisme de la profondeur de dormance et de la vigueur germinative. Il apparaît un lien entre l’ABA et l’activité traductionnelle, étroitement associé au métabolisme énergétique et à l’homéostasie RedOx.L’effet de l’ABA sur l’activité traductionnelle a été suivi par une adaptation des méthodes SILAC (stable-isotope labelled amino acids in cell culture) aux grains d’Arabidopsis. Cette technique a été utilisée pour décrire la dynamique du protéome dépendante du contenu en ABA des graines au cours de leur imbibition. Nos résultats montrent que cette approche originale permet d’enrichir les connaissances sur la biologie fondamentale des semences. En effet, nous avons montré que l’ABA est un régulateur clé de la synthèse protéique dans les graines et est un contributeur majeur dans la mise en place des différents programmes traductionnels. Cette approche a montré que l’ABA exerce un contrôle sur la traduction de plus de 400 ARNm au cours de l’imbibition des graines et ouvre de nouvelles pistes pour la compréhension de la régulation de la synthèse protéique chez les semences et chez les plantes. Ces données générées offrent un nouveau regard sur le processus germinatif et de sa régulation par l’ABA.Sur la base des données existantes au laboratoire et celles générées au cours de cette thèse, nous avons également développé une utilisation de bio-marqueurs pour l’évaluation de la qualité des semences et nous avons mis au point des traitements de semences innovants. Ces technologies ont été développé en accord avec les attentes des industriels de la filière « semences ». La récente obtention d’un financement pour ce projet de recherche appliquée démontre la complémentarité des recherches effectuées au sein du laboratoire avec les besoin des industriels de la filière « semences ». / Germination vigor is a main concern in agriculture. High seed vigor is defined as the capacity of a seed lot to germinate rapidly, uniformly and in a wide range of environmental conditions. Seed quality is controlled by a dynamic balance between two antagonistic hormones, abscisic acid (ABA), which induces and maintains dormancy and gibberellins (GAs), which stimulate seed germination and seedling establishment. Seed dormancy corresponds to a block to the completion of germination and is an undesirable characteristic from an agronomic point of view. Thus, investigation of seed quality toward a better understanding of hormonal regulation is of fundamental concern for scientific community and seed industry.Recent studies have highlighted the intensive regulation of protein synthesis during seed germination. Translational regulation would govern the implementation of different metabolic programs during seed imbibition in order to maintain seed dormancy or to initiate the germination process. In this thesis, we explore the role of ABA in the control of germination quality during seed development and seed germination, using Arabidopsis thaliana mutant displaying contrasted ABA content.By combined “omic” approaches, we have highlighted the impact of ABA level on metabolic rearrangements during seed maturation. Our results showed that ABA origin in the seeds governs many metabolic rearrangements controlling dormancy depth and germination vigor. In addition, the present work suggests an intimate linkage between translational activity and ABA content, in association with energetic pathways and redox homeostasis.The impact of ABA on proteome turnover during seed germination was studied by adapting a metabolic labeling of neosynthesized proteins based on SILAC methods (stable isotope labelled amino acids in cell culture) to Arabidopsis seeds. Our results suggest that ABA is a key regulator of protein synthesis and modulates metabolic changes during seed imbibition. Indeed, this novel approach has highlighted that ABA controls the translation of more than 400 mRNAs during seed imbibition. This work provides an original perspective on the contribution of ABA and mRNA translation in seed germination and provides a valuable basis for further investigation of translational regulation in seeds and in plants.Based on existing data and those generated during this thesis, we also developed innovative seed treatments and new biomarkers for seed quality assessment. Recent funding for a maturation program dedicated to improve these biotechnologies demonstrates that our research meets the needs of seed industry.

Les avancées des nouvelles techniques de séquençage ont permis de produire des données hétérogènes, volumineuse, de grande dimension et à différentes échelles du vivant. L'intégration de ces différentes données représente un défi en biologie des systèmes, défi qu'il est critique d'aborder pour tirer le meilleur parti possible de l'accumulation d'informations biologiques pour leur interprétation et leur exploitation dans un but finalisé. Cette thèse regroupe plusieurs contributions méthodologiques utiles à l'exploration simultanée de plusieurs jeux de données omiques de natures hétérogènes. Pour aborder cette question, les noyaux et les méthodes à noyaux offrent un cadre naturel, car ils permettent de prendre en compte la nature propre de chacun des tableaux de données tout en permettant leur combinaison. Toutefois, lorsque le nombre d'observations à traiter est grand, les méthodes à noyaux souffrent d'un manque d'interprétabilité et d'une grande complexité algorithmique. Une première partie de mon travail a porté sur l'adaptation de deux méthodes exploratoires à noyaux : l'analyse en composantes principales (K-PCA) et les cartes auto- organisatrices (K-SOM). Les adaptations développées portent d'une part sur le passage à l'échelle du K-SOM et de la K-PCA au domaine des omiques et d'autre part sur l'amélioration de l'interprétabilité des résultats. Dans une seconde partie, je me suis intéressé à l'apprentissage multi-noyaux pour combiner plusieurs jeux de données omiques. L'efficacité des méthodes proposées est illustrée dans le contexte de l'écologie microbienne : huit jeux de données du projet TARA oceans ont été intégrés et analysés à l'aide d'une K-PCA. / The development of high-throughput sequencing technologies has lead to produce high dimensional heterogeneous datasets at different living scales. To process such data, integrative methods have been shown to be relevant, but still remain challenging. This thesis gathers methodological contributions useful to simultaneously explore heterogeneous multi-omics datasets. To tackle this problem, kernels and kernel methods represent a natural framework because they allow to handle the own nature of each datasets while permitting their combination. However, when the number of sample to process is high, kernel methods suffer from several drawbacks: their complexity is increased and the interpretability of the model is lost. A first part of my work is focused on the adaptation of two exploratory kernel methods: the principal component analysis (K-PCA) and the self-organizing map (K-SOM). The proposed adaptations first address the scaling problem of both K-SOM and K-PCA to omics datasets and second improve the interpretability of the models. In a second part, I was interested in multiple kernel learning to combine multiple omics datasets. The proposed methods efficiency is highlighted in the domain of microbial ecology: eight TARA oceans datasets are integrated and analysed using a K-PCA.

Drosophila suzukii est une drosophile invasive en Europe, Amérique du Nord et Amérique du Sud. Contrairement aux autres espèces de drosophiles, les femelles parasitent les fruits mûrs que les larves consomment, engendrant d’importants dégâts sur les cultures fruitières. Les stratégies mises en place par cette espèce pour tolérer les températures hivernales sous nos latitudes sont encore peu comprises. Par conséquent, l’objectif de ma thèse était d’acquérir des connaissances fondamentales sur la thermotolérance de cette espèce, en m’intéressant notamment à la plasticité de la tolérance au froid et aux mécanismes physiologiques sous-jacents à l’acclimatation. J’ai évalué la thermotolérance basale de D. suzukii en soumettant des adultes et des pupes à un large panel de températures (froides et chaudes). Ces expérimentations ont permis de confirmer que cette espèce était intolérante au froid et que des températures supérieures à 32°C impactaient grandement sa survie. Par la suite, j’ai évalué la plasticité de sa tolérance au froid. Mes travaux ont permis de confirmer que sa thermotolérance était effectivement plastique, puisque l’utilisation de températures fluctuantes ou l’acclimatation permettaient de réduire sa mortalité lors d’expositions aux basses températures. L’acclimatation chez D. suzukii était corrélée à de nombreuses modifications physiologiques, telles que l’accumulation de cryoprotecteurs, un réajustement de la composition des phospholipides membranaires et des réserves lipidiques, une régulation des gènes liés à l’activité des transporteurs ioniques ainsi qu’un maintien de l’homéostasie métabolique. Ces modifications, également observées chez d’autres espèces d’insectes, pourraient être liées à l’augmentation de la tolérance au froid de D. suzukii, jouant probablement un rôle important dans sa survie hivernale et donc dans le succès de son invasion. Ces connaissances acquises sur sa thermobiologie contribueront sans doute à mieux cerner les limites physiologiques de cette espèce et prédire l’évolution de son invasion, ainsi que sa phénologie et les variations de populations au cours des saisons dans les zones déjà envahies. Mes résultats ouvrent également des perspectives intéressantes pour la mise en place de techniques de lutte intégrée contre D. suzukii. / Drosophila suzukii is an invasive pest in Europe, North and South America. Unlike other drosophilids, females oviposit in ripe fruits that larvae consume, provoking important damages on fruit productions. The overwintering strategies of this fly are yet poorly understood. Therefore, the aim of my thesis was to acquire new fundamental knowledge about the thermal biology of this fly, and more specifically the plasticity of its thermal tolerance and the physiological mechanisms underpinning cold acclimation. In order to define its basal thermal tolerance, adults and pupae were subjected to a large set of high and low temperatures. My data confirmed that this pest was chill susceptible, and showed that survival was greatly compromised during exposures above 32°C. Next, I evaluated its thermal tolerance plasticity. My data confirmed the high plasticity of its cold tolerance, as fluctuating thermal regimes and acclimation were able to decrease the mortality due to cold exposures. Acclimation in this species was correlate with several physiological adjustments, such as: cryoprotectant accumulation, remodeling of membrane phospholipids and lipidic reserves, upregulation of genes linked with activity of ionic transporters and maintenance of metabolic homeostasis. Those modifications (which are shared among temperate insect species) are likely linked with cold tolerance increase provoked by acclimation. Therefore, these physiological adjustments could play an important role in its overwintering success in Europe and Canada, which can facilitate its invasion in these regions. These new data will participate to a better understanding of its physiological limits, and are thus of importance for predicting the evolution of its invasion front and its phenology and demographic variations in invaded areas. My results are also of interest regarding the set-up of integrated pest management strategies against this fly.

La qualité des lipides des préparations pour nourrissons est primordiale, notamment en termes d’acides gras polyinsaturés (AGPI) comme l’acide arachidonique (ARA) et docosahexaénoïque (DHA). Ces derniers pourraient favoriser le développement neurosensoriel de l’enfant. Nous avons ainsi évalué 4 standards commerciaux contenant des lipides végétaux ou laitiers et supplémentés ou non en ARA/DHA, sur le développement neurosensoriel au travers d’un modèle d’allaitement artificiel « pups in the cups ». En TEP-cs, nous observons que la supplémentation en ARA/DHA permet de normaliser le fonctionnement cérébral.L’exploration des lipides tissulaires indique des différences en DHA particulièrement bas avec l’allaitement en lipides végétaux purs. Nous proposons un algorithme de prédiction du DHA cérébrale et oculaire via les profils en acides gras érythrocytaires. Dans ces tissus un tiers des espèces à DHA sont affectées et corrélées à l’activité cérébrale. Les neuromédiateurs issus de l’AL, ARA, DHA par la voie LOX sont impactés ainsi que la distribution spatiale en DHA en IMS. Les autres données omiques soulignaient l’impact des interactions fond lipidique x ajout DHA/ARA (transcriptomique) ou fond lipidique (métabolomique) sur la régulation du métabolisme cérébral impactant le métabolisme neuronal et le métabolisme cérébral du microbiote probablement via l’axe de signalisation intestin-cerveau. Nous identifions alors un métagénome sensible à l’ajout DHA/ARA corrélé à la fonction cérébrale. Enfin, des modifications épigénétiques (méthylation du génome et miARN) touchant le groupe FC suggèrent potentiellement un impact à long terme. / The quality of lipids in infant formula is essential, especially in terms of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) such as arachidonic acid (ARA) and docosahexaenoic acid (DHA). These could promote the neurosensory development of the child. We thus evaluated 4 commercial standards containing plant or dairy lipids and supplemented or not with ARA / DHA, on the neurosensory development through an artificially feeding model "pups in the cups". In PET-cs, we observe that the supplementation in ARA / DHA makes it possible to normalize the cerebral functioning. The exploration of tissue lipids indicates differences in DHA which are particularly low with pure plant lipids intake. We propose an algorithm for predicting cerebral and ocular DHA via erythrocyte fatty acids profiles. In these tissues one-third of the DHA species are affected and correlated with brain activity. The neuromediators resulting from AL, ARA, DHA by the LOX pathway are impacted as well as the spatial distribution of DHA in IMS imaging. Other omics data underlined the impact of lipid background x combination DHA / ARA (transcriptomics) or lipid background (metabolomics) on the regulation of cerebral metabolism impacting neuronal metabolism and brain metabolism of the microbiota probably through the signalling of gut-brain axis. We then identify a metagenome sensitive to the addition of DHA / ARA correlated to brain function. Finally, epigenetic modifications (methylation of the genome and miRNA) affecting the FC group potentially suggest a long-term impact.

L’augmentation des rendements est un enjeu majeur chez les céréales. Dans cet objectif, il est nécessaire de maintenir la qualité du grain de blé, qui est principalement déterminée par sa teneur et sa composition en protéines de réserve. En effet, une forte relation négative existe entre le rendement et la teneur en protéines. Par ailleurs, la qualité du grain est fortement influencée par la disponibilité en azote et en soufre dans le sol. La limitation des apports d’intrants azotés à la culture et la carence en soufre récemment observée dans les sols représentent ainsi des difficultés supplémentaires pour maitriser cette qualité. Une meilleure connaissance des mécanismes moléculaires impliqués dans le contrôle du développement du grain et la mise en place de ses réserves protéiques en réponse à la nutrition azotée et soufrée est donc primordiale. L’objectif de cette thèse a ainsi été d’apporter de nouveaux éléments à la compréhension de ces processus de régulation, aujourd’hui peu connus. Pour cela, les approches -omiques sont apparues comme une stratégie de choix pour identifier les acteurs moléculaires mis en jeu. Le protéome nucléaire a été une cible importante dans les travaux menés. L’étude de ces protéines nucléaires a révélé certains régulateurs transcriptionnels qui pourraient être impliqués dans le contrôle de la mise en place des réserves du grain. Dans une approche combinant des données de protéomique, transcriptomique et métabolomique, une vision intégrative de la réponse du grain à la nutrition azotée et soufrée a été obtenue. L’importance d’un apport de soufre dans le contrôle de la balance azote/soufre du grain, déterminante pour la composition du grain en protéines de réserve, a été clairement vérifiée. Parmi les changements observés au niveau du métabolisme cellulaire, certains des gènes affectés par la modification de cette balance pourraient orchestrer l’ajustement de la composition du grain face à des situations de carences nutritionnelles. Ces nouvelles connaissances devraient permettre de mieux maitriser la qualité du grain de blé dans un contexte d’agriculture durable. / Improving the yield potential of cereals represents a major challenge. In this context, wheat grain quality has to be maintained. Indeed, grain quality is mainly determined by the content and the composition of storage proteins, but there is a strongly negative correlation between yield and grain protein concentration. In addition, grain quality is strongly influenced by the availability of nitrogen and sulfur in soils. Nowadays, the limitation of nitrogen inputs, and also the sulfur deficiency recently observed in soils represent major difficulties to control the quality. Therefore, understanding of molecular mechanisms controlling grain development and accumulation of storage proteins in response to nitrogen and sulfur supply is a major issue. The objective of this thesis was to create knowledge on the comprehension of these regulatory mechanisms. For this purpose, the best strategy to identify molecular actors involved in these processes consisted of -omics approaches. In our studies, the nuclear proteome was an important target. Among these proteins, we revealed some transcriptional regulators likely to be involved in the control of the accumulation of grain storage compounds. Using an approach combining proteomic, transcriptomic and metabolomic data, the characterization of the integrative grain response to the nitrogen and sulfur supply was obtained. Besides, our studies clearly confirmed the major influence of sulfur in the control of the nitrogen/sulfur balance that determines the grain storage protein composition. Among the changes observed in the cell metabolism, some genes were disturbed by the modification of this balance. Thus these genes could coordinate the adjustment of grain composition in response to nutritional deficiencies. These new results contribute in facing the challenge of maintaining wheat grain quality with sustainable agriculture.

Depuis plusieurs années, des projets d'intégration de données omiques se sont développés, notamment avec objectif de participer à la description fine de caractères complexes d'intérêt socio-économique. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de combiner différentes données omiques hétérogènes afin de mieux décrire et comprendre le dernier tiers de gestation chez le porc, période influençant la mortinatalité porcine. Durant cette thèse, nous avons identifié les bases moléculaires et cellulaires sous-jacentes de la fin de gestation, en particulier au niveau du muscle squelettique. Ce tissu est en effet déterminant à la naissance car impliqué dans l'efficacité de plusieurs fonctions physiologiques comme la thermorégulation et la capacité à se déplacer. Au niveau du plan expérimental, les tissus analysés proviennent de foetus prélevés à 90 et 110 jours de gestation (naissance à 114 jours), issus de deux lignées extrêmes pour la mortalité à la naissance, Large White et Meishan, et des deux croisements réciproques. Au travers l'application de plusieurs études statistiques et computationnelles (analyses multidimensionnelles, inférence de réseaux, clustering et intégration de données), nous avons montré l'existence de mécanismes biologiques régulant la maturité musculaire chez les porcelets, mais également chez d'autres espèces d'intérêt agronomique (bovin et mouton). Quelques gènes et protéines ont été identifiées comme étant fortement liées à la mise en place du métabolisme énergétique musculaire durant le dernier tiers de gestation. Les porcelets ayant une immaturité du métabolisme musculaire seraient sujets à un plus fort risque de mortalité à la naissance. Un second volet de cette thèse concerne l'imputation de données manquantes (tout un groupe de variables pour un individu) dans les méthodes d'analyses multidimensionnelles, comme l'analyse factorielle multiple (AFM) (ou multiple factor analysis (MFA)). Dans notre contexte, l'AFM fut particulièrement intéressante pour l'intégration de données d'un ensemble d'individus sur différents tissus (deux ou plus). Afin de conserver ces individus manquants pour tout un groupe de variables, nous avons développé une méthode, appelée MI-MFA (multiple imputation - MFA), permettant l'estimation des composantes de l'AFM pour ces individus manquants. / Over the last decades, some omics data integration studies have been developed to participate in the detailed description of complex traits with socio-economic interests. In this context, the aim of the thesis is to combine different heterogeneous omics data to better describe and understand the last third of gestation in pigs, period influencing the piglet mortality at birth. In the thesis, we better defined the molecular and cellular basis underlying the end of gestation, with a focus on the skeletal muscle. This tissue is specially involved in the efficiency of several physiological functions, such as thermoregulation and motor functions. According to the experimental design, tissues were collected at two days of gestation (90 or 110 days of gestation) from four fetal genotypes. These genotypes consisted in two extreme breeds for mortality at birth (Meishan and Large White) and two reciprocal crosses. Through statistical and computational analyses (descriptive analyses, network inference, clustering and biological data integration), we highlighted some biological mechanisms regulating the maturation process in pigs, but also in other livestock species (cattle and sheep). Some genes and proteins were identified as being highly involved in the muscle energy metabolism. Piglets with a muscular metabolism immaturity would be associated with a higher risk of mortality at birth. A second aspect of the thesis was the imputation of missing individual row values in the multidimensional statistical method framework, such as the multiple factor analysis (MFA). In our context, MFA was particularly interesting in integrating data coming from the same individuals on different tissues (two or more). To avoid missing individual row values, we developed a method, called MI-MFA (multiple imputation - MFA), allowing the estimation of the MFA components for these missing individuals.

La médecine de précision (MP) est un nouveau paradigme qui révolutionne la pratique médicale actuelle et remodèle complètement la médecine de demain. La MP aspire à placer le patient au centre du parcours de soins en y intégrant les données médicales et biologiques individuelles tout en tenant compte de la grande diversité interindividuelle. La prédiction des états pathologiques chez les patients nécessite une compréhension dynamique et systémique. Les erreurs innées du métabolisme (EIM) sont des troubles génétiques résultant de défauts dans une voie biochimique donnée en raison de la déficience d'une enzyme, de son cofacteur ou d’un transporteur. Les EIM ne sont plus considérées comme des maladies monogéniques mais tendent à être plus complexes et multifactorielles. Le profil métabolomique permet le dépistage d’une pathologie, la recherche de biomarqueurs et l’exploration des voies métaboliques mises en jeu. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé l’approche métabolomique qui est particulièrement pertinente pour les EIM compte tenu de leur physiopathologie de base qui est étroitement liée au métabolisme. Ce travail a permis la mise en place d’une méthodologie métabolomique non ciblée basée sur une stratégie analytique multidimensionnelle comportant la spectrométrie de masse à haute résolution couplée à la chromatographie liquide ultra-haute performance et la mobilité ionique. La mise en place de la méthodologie de prétraitement, d’analyse et d’exploitation des données générées avec des outils de design expérimental et d’analyses multivariées ont été aussi établies. Enfin, cette approche a été appliquée pour l’exploration des EIM avec les mucopolysaccharidoses comme preuve de concept. Les résultats obtenus suggèrent un remodelage majeur du métabolisme des acides aminés dans la mucopolysaccharidose de type I. En résumé, la métabolomique pourrait être un outil complémentaire pertinent en appui à l’approche génomique dans l’exploration des EIM. / The new field of precision medicine is revolutionizing current medical practice and reshaping future medicine. Precision medicine intends to put the patient as the central driver of healthcare by broadening biological knowledge and acknowledging the great diversity of individuals. The prediction of physiological and pathological states in patients requires a dynamic and systemic understanding of these interactions. Inborn errors of metabolism (IEM) are genetic disorders resulting from defects in a given biochemical pathway due to the deficiency of an enzyme, its cofactor or a transporter. IEM are no longer considered to be monogenic diseases, which adds another layer of complexity to their characterization and diagnosis. To meet this need for faster screening, the metabolic profile can be a promising candidate given its ability in disease screening, biomarker discovery and metabolic pathway investigation. In this thesis, we used a metabolomic approach which is particularly relevant for IEM given their basic pathophysiology that is tightly related to metabolism. This thesis allowed the implementation of an untargeted metabolomic methodology based on a multidimensional analytical strategy including high-resolution mass spectrometry coupled with ultra-high-performance liquid chromatography and ion mobility. This work also set a methodology for preprocessing, analysis and interpretation of the generated data using experimental design and multivariate data analysis. Finally, the strategy is applied to the exploration of IEM with mucopolysaccharidoses as a proof of concept. The results suggest a major remodeling of the amino acid metabolisms in mucopolysaccharidosis type I. In summary, metabolomic is a relevant complementary tool to support the genomic approach in the functional investigations and diagnosis of IEM.

L'émergence des expériences dites à haut débit permet l'acquisition rapide de données concernant un système biologique. Les biologistes disposent ainsi, aujourd'hui, d'un nombre important de données de natures hétérogènes qu'ils cherchent à structurer et analyser. Les méthodes dites intégratives proposent de répondre à cette demande, mais la création d'une méthode générale et satisfaisant les requêtes précises des biologistes constitue une tâche ardue. Ce mémoire s'inscrit dans cette problématique. Nous y abordons diverses méthodes d'intégration des aspects omiques (métaboliques, génomiques, transcriptomiques...) d'un système bactérien et nous proposons la nôtre, nommée SIPPER, qui est une méthode générique et flexible. SIPPER permet de retrouver de l'information biologique cohérente entre les différents aspects étudiés grâce à la construction d'un modèle intégratif et l'utilisation d'une distance reposant sur des propriétés ou hypothèses biologiques choisies. Nous avons appliqué SIPPER deux fois sur les données métaboliques et génomiques d'E. coli. La première application teste l'hypothèse "les chaînes de réactions successives du réseau métabolique sont catalysées à l'aide d'enzymes produites par des gènes proches sur le génome", et la seconde teste l'hypothèse "les chaînes de réactions successives sont catalysées par des gènes dont l'expression est similaire". Nous avons découvert, par ces expériences, des mesures caractérisant certaines entités biologiques comme la densité génomique qui permet l'identification d'opérons métaboliques. L'apport de l'intégration de données supplémentaires aux approches n'utilisant traditionnellement qu'un seul type d'information a également été illustré au travers de la génomique comparative. Nous avons ainsi élaboré M&W-IISCS_M, une méthode qui calcule des intervalles communs maximaux ayant un fort intérêt omique.