Les peroxyrédoxines (Prx) sont des peroxydases à thiol, ubiquitaires, qui jouent un rôle central dans la physiologie du peroxyde d’hydrogène. Une famille de Prx dite "2-Cys-Prx typique" possède une propriété unique de suroxydation de la Cys catalytique sous forme acide sulfinique, qui constitue un mécanisme de régulation des fonctions des 2-Cys-Prx typiques en tant que peroxydase, capteur de peroxyde ou protéine chaperon. La réduction des 2-Cys-Prx typiques suroxydées est catalysée par la Sulfirédoxine (Srx), une sulfinyl réductase ATP-dépendante dont la constante catalytique est de l’ordre de 1-2 min-1, une valeur faible qui doit être corrélée au rôle de Srx dans la régulation redox. L’objectif de ce travail était d’analyser l’enzymologie de la régulation du système Prx/Srx au niveau, du processus de suroxydation des 2-Cys-Prx typiques, de l’étape limitante de la Srx, et de son recyclage par les systèmes redox cellulaires. Dans un premier temps, nous avons caractérisé les deux étapes du cycle catalytique de la 2-Cys-Prx typique majeure de S. cerevisiae Tsa1, dont la compétition contrôle la sensibilité à la suroxydation, par une stratégie combinant cinétiques rapides, système enzymatique couplé et modélisation cinétique. Ces travaux suggèrent que cette compétition est contrôlée par une réorganisation conformationnelle au cours du cycle catalytique de la Tsa1. Dans un second temps, l’étude de la première étape du mécanisme catalytique de Srx, qui consiste en l’activation ATP-dépendante du groupement acide sulfinique de la 2 Cys-Prx a permis, i) de montrer que l’étape limitante de la réaction catalysée par Srx était associée au processus chimique de transfert de phosphate, et ii) de proposer un modèle d’assemblage du complexe Michaelien Prx/Srx/ATP formé lors de ce processus. Enfin, par une approche combinant cinétiques enzymatiques in vitro et génétique de la levure in vivo, nous avons établi que le mécanisme de recyclage des Srx à 1 Cys existant chez les plantes ou les mammifères implique le rôle du glutathion comme réducteur cellulaire, contrairement à la Srx de S. cerevisiae qui est recyclée par le système thiorédoxine. De façon inattendue, la spécificité du glutathion dans ce mécanisme est assurée par un événement de reconnaissance au sein du complexe Prx/Srx / The peroxiredoxins (Prx) are ubiquitous thiol peroxidases, which play a central role in the physiology of hydrogen peroxide. A subclass of Prx called "typical 2-Cys-Prx" has a unique property to hyperoxidize the catalytic Cys into the sulfinic acid form, which acts as a regulation mechanism of their functions, as peroxidase, peroxide sensor or protein chaperone. The reduction of the overoxidized form is catalyzed by sulfiredoxin (Srx), an ATP-dependent sulfinyl reductase whose catalytic constant is about 1-2 min-1, a low value that must be correlated to the role of Srx in redox regulation. The aim of this study was to analyze the enzymology of the regulation of the Prx/Srx system at three diffrents points of control: the hyper-oxidation process of typical 2-Cys-Prx, the rate-limiting step of the Srx mechanism and the recycling step of Srx by the cellular thiol redox systems. We have first characterized the competition mechanism between the two steps of the catalytic mechanism of the major typical 2-Cys-Prx of S. cerevisiae, Tsa1, through a strategy combining rapid kinetics, coupled enzyme system and kinetic modelling analysis. This work suggests that the sensitivity to hyper-oxidation is controlled by a conformational reorganization during the catalytic cycle of Tsa1. Next, the study of the first step of Srx catalytic mechanism, which involves the ATP-dependent activation of the sulfinic acid form of typical 2-Cys Prx i) has shown that the rate-limiting step is associated with the chemical phosphate transfer process, and ii) provided an assembly model of the Michaelien complex Prx/Srx/ATP, formed during this process. Finally, through the combination of in vitro enzyme kinetics and in vivo yeast genetic tools, we established that the recycling mechanism of one Cys Srx, existing in plants or mammals, involves the glutathione (GSH) as reducer in cells, contrary to the Srx from S. cerevisiae, which is recycled by the Thioredoxin system. Unexpectedly, our study suggests that GSH binds the thiolsulfinate complex, confirming the role of GSH as the primary reducing system of 1-Cys-Srx

La thyroïde est une glande endocrine importante pour le contrôle du métabolisme, le développement et la croissance des mammifères. Sa fonction est stimulée par la « Thyroid Stimulating Hormone » (TSH) mais inhibée par une forte élévation de l’iode plasmatique. Cette inhibition par l’iode a été décrite il y a plus de 70 ans, mais la compréhension des mécanismes sous-jacents reste partielle et controversée. La mise en place de l’effet inhibiteur de l’iode nécessite la génération de composants intermédiaires iodés dont la nature est inconnue. La première partie de cette thèse a eu pour objectif d’étudier si des protéines iodées pourraient avoir un rôle dans la régulation de la thyroïde par l’iode. En combinant le marquage radioactif, l’électrophorèse bidimensionnelle et la spectrométrie de masse, nous avons mis en évidence dans des cellules en culture une iodation spontanée de la Peroxyrédoxine 6 (PRDX6). Nous avons ensuite identifié les positions d’iodation sur la protéine PRDX6 et évalué leurs effets sur son activité enzymatique. De plus, nous avons montré qu’une diminution de l’expression de la PRDX6 par « Short hairpin RNA » amplifie la diminution de la capacité de captation d’iode induite par un excès d’iode. Sur la base de ces résultats, nous proposons que la PRDX6 exerce un rôle protecteur vis-à-vis d’une exposition aiguë à l’iode. Les résultats obtenus apportent des connaissances originales dans le mécanisme de la régulation thyroïdienne par l’iode et dévoilent un nouveau rôle potentiel de cette peroxydase dans la thyroïde. La deuxième partie de cette thèse a consisté à développer des approches en métabolomique pour les appliquer dans les études sur des dysfonctionnements ou des lésions de la thyroïde. Pour ce faire, nous avons utilisé la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse pour mesurer la variation des métabolites dans les cellules ou les tissus. Grâce à l’exposition à des perturbateurs thyroïdiens d’une lignée de cellules thyroïdiennes de rat, nous avons identifié une liste de métabolites iodés comme étant de potentiels marqueurs d’exposition aux perturbateurs thyroïdiens. Par la suite, grâce aux prélèvements congelés de lésions thyroïdiennes dont le diagnostic de nature avait été réalisé en histologie, nous avons construit un modèle de classification supervisée (de type OPLS-DA) basé sur les données métabolomiques pour discriminer les lésions bénignes des malignes. Les variations des métabolites déterminants pour cette classification indiquent une altération au niveau du cycle de Krebs, du métabolisme du glutathion et du métabolisme des bases puriques. En outre, nous avons montré qu’une liste restreinte de métabolites suffit pour établir un modèle de discrimination statistiquement significatif. Ces résultats ouvrent la possibilité d’affiner le diagnostic sur les prélèvements de cytoponction en ciblant uniquement ces métabolites. Ces approches en métabolomique ont également été appliquées à l’étude d’autres types de tumeurs, notamment la classification des sous-types histologiques de carcinomes du rein. / Thyroid function is stimulated by the thyroid-stimulating hormone TSH while inhibited by iodide. The inhibition of thyroid function by an excess of circulating iodide was first reported more than 70 years ago but our understanding of the underlying molecular mechanisms remains unclear. The inhibitory effect of iodide is due to the presence of oxidized iodide in the thyrocytes and the subsequent generation of iodinated intracellular signaling molecules. The first part of this thesis aimed to study the potential role of iodinated proteins in thyroid regulation by iodide. By combining radioactive labeling, two-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry, we showed that the cytosolic enzyme, peroxiredoxin 6 (PRDX6), is spontaneously iodinated in cultured cells in the presence of iodide. We identified the iodinated amino acids in the PRDX6 sequence and studied the effect of the iodination on the protein’s activity. In addition, decreased expression of PRDX6 by short hairpin RNA led to increased cell iodide uptake loss induced by excess iodide. Based on our findings, we propose that PRDX6 is involved in the cellular responses to excess iodide. This novel function for PRDX6 provides new insights into the molecular mechanisms underlying acute regulation by iodide.The second part of this thesis aimed to develop metabolomics approach in the studies of thyroid disruptors and thyroid cancers. To this end, we analyzed metabolite variations in various samples using LC-MS (Liquid chromatography-Mass spectrometry). Firstly, in rat thyroid cell line exposed to different thyroid disruptors, we identified a list of iodinated metabolites, which could serve as potential biomarkers for thyroid disruptor screening. Secondly, we analyzed frozen specimens from thyroid nodules previously diagnosed by histology. Our data allowed us to build a multivariate classification for the discrimination of benign and malignant thyroid nodules. We also detected various metabolic dysregulations in malignant thyroid nodules, including the TCA cycle, the glutathione metabolism and the purine metabolism. Accurate classification was possible by using only a short list of metabolites, allowing for future LC-MS-based thyroid nodule diagnosis on fine-needle aspiration biopsies. Finally, we showed that metabolomics approach could also be helpful for the characterization of other tumors.

Dans la première partie de notre travail, nous avons étudié le rôle de la peroxyrédoxine-6 (Prdx6) sur un modèle d'ischémie/reperfusion. Comme la glutathion peroxydase (GSHPx) et la catalase, la Prdx6 est capable de neutraliser le peroxyde d'hydrogène et les hydroperoxydes organiques. Ces propriétés scavenger de la catalase et de la GSHPx jouent un rôle majeur dans la protection du tissu cardiaque soumis à un processus d'ischémie/reperfusion, en neutralisant les H2O2 et les hydroperoxydes formés dans ces conditions pathologiques. Nous avons donc cherché à vérifier si la Prdx6 peut contribuer également à un tel mécanisme de protection et nos résultats montrent que le déficit en Prdx6, chez la souris, ne peut être compensé par l'activité catalase ou l'activité GSHPx et suggère donc que cette enzyme joue un rôle non redondant avec les autres systèmes antioxydants cellulaires. Dans la seconde partie de ce travail, nous avons tenté de préciser le rôle potentiel de la glutarédoxine-2 (Glrx2) dans les conditions d'ischémie/reperfusion cardiaque. On sait en effet que la Glrx2 mitonchondriale joue un rôle important de régulateur redox dans de nombreux organes des mammifères, en particulier le coeur. Nous avons donc testé l'effet d'une surexpression myocardique de Glrx2 sur l'incidence de l'apoptose et de la nécrose au cours de l'ischémie et de la reperfusion. Sur des préparations de coeurs isolés de souris Glrx2 transgéniques soumis à une période de 30 minutes d'ischémie globale, suivie de 2 heures de reperfusion (modèle du coeur travaillant). Comparés à des coeurs d'animaux de souche sauvage, les coeurs des souris transgéniques Glrx2 maintenaient une fonction contractile significativement meilleure et présentaient une taille d'infarctus réduite ainsi que des phénomènes d'apoptose limités. La surexpression de Glrx2 entraînait également une diminution de la fuite de cardiolipine mitochondriale, une diminution de l'activité des espèces réactives dérivées de l'oxygène et une préservation du rapport glutathion réduit / glutathion oxydé. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié les effets d'une thérapie génique PR39 chez la souris. PR39 est un peptide pro-angiogénique qui a déjà été impliqué en pathologie cardiaque. Dans cette étude, des souris mâles C57B1/J6 subissaient une injection intracardiaque d'une suspension d'adénovirus : codant PR39 (PR39), ou contruit dominant négatif FGFR1 (FGFR1-dn), ou vecteur vide (EV), ou PR39 plus un plasmide codant un construit dominant négatif HIF-1 (PR39 + HIF-1-dn). Une semaine plus tard, les coeursétaient soumis à 20 min d'ischémie et 2 heures de reperfusion ex vivo. Dans ces conditions, l'hémodynamique cardiaque restait inchangée dans les coeurs PR39, alors qu'elle se détériorait significativement dans les autres groupes. La cotransfection d'HIF-1-dn avec PR39 abolissait totalement cet effet cardioprotecteur. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons étudié la contribution d'un traitement à la dexamethazone sur la récupération post-ischémique de la fonction cardiaque et sur le développement des troubles du rythme de reperfusion. Dans cette étude conduite sur des coeurs isolés de rats, le prétraitement dexamethazone réduit significativement l'incidence de la fibrillation ventriculaire. Nos résultats suggèrent que l'inhibition de la libération du cytochrome-C est impliquée dans la cardioprotection par la dexaméthazone.

Les peroxyrédoxines (PRXs) forment une famille de peroxydases communes à tous les organismes vivants et ubiquitaires dans la cellule. Leur particularité provient d’un ou deux résidus cystéines accomplissant un cycle d’oxydo-réduction à l’aide d’un donneur d’électron. Ces protéines thiols sensibles au potentiel redox sont impliquées dans le mécanisme de détoxification du H2O2, une molécule oxydante induite lors de situations de stress. Les PRXs pourraient être induites par le stress et régulées par phosphorylation. En effet, des expérimentations in vitro ont démontré que la nucléoside diphosphate kinase 1 (NDPK1) a la capacité de phosphoryler une PRX cytosolique de pomme de terre. Ce mémoire décrit les travaux expérimentaux effectués pour caractériser la fonction de la PRX. Pour cela, le clonage d’une isoforme a été effectué, suivi d’une caractérisation biochimique et d’une étude d’expression de la protéine. Les données de séquençage révèlent qu’il s’agit d’une PRX de type II phylogénétiquement liée aux PRXs cytosoliques. L’ADNc codant pour cette peroxyrédoxine (PRX1) a été cloné chez Solanum chacoense. Une protéine recombinante portant une étiquette (6xHis) en N-terminale a été produite. Des essais enzymatiques ont confirmé la fonction antioxydante de la protéine recombinante et un anticorps polyclonal a été généré chez le lapin puis utilisé en conjonction avec un anticorps anti-NDPK1 pour déterminer les patrons d’expression généraux de ces protéines chez Solanum lycopersicum et Solanum tuberosum lors de situations de stress. Les données démontrent que les deux protéines sont généralement co-exprimées mais pas co-régulées et que la PRX1 est induite en certaines situations de stress. / The peroxiredoxins (PRXs) are a recently discovered family of peroxidases found in all organisms and ubiquitous in the cell. An important particularity of these proteins is the presence of one or two active cysteines that accomplish an oxydo-reduction cycle with an electron donor. The PRXs are sensitive to the redox potential and are implicated in the detoxification of the H2O2, an oxidante molecule induced in stress situations. The PRXs should be induced in stress situations and regulated by phosphorylation. Indeed, in vitro experimentations have shown that the NDPK1 can phosphorylate a cytosolic PRX isoform of the potato. This dissertation describes the experimentation made to acquire a preliminary understanding of the function of the PRX. For this purpose, we cloned a PRX isoform, followed by a biochemical characterization and expression studies of the protein. The sequencing data shown a type II PRX phylogenetically related to the cytosolic isoforms. The cDNA of this peroxiredoxin (PRX1) has been cloned in Solanum chacoense. The recombinant protein produced had a N-terminal (6xHis) tag. Enzymatic assays confirmed the antioxidant activity of the recombinant protein and a polyclonal antibody has been generated from the rabbit. This antibody was used in conjunction with an antibody anti-NDPK1 to determine the general expression patterns of those proteins during stresses in Solanum lycopersicum and Solanum tuberosum. The results obtained showed that the two proteins are generally co-expressed but not co-regulated. Obvious experimental facts displayed an induction of the PRX1 in biotic and abiotic stresses situations.

Les peroxyrédoxines (PRXs) forment une famille de peroxydases communes à tous les organismes vivants et ubiquitaires dans la cellule. Leur particularité provient d’un ou deux résidus cystéines accomplissant un cycle d’oxydo-réduction à l’aide d’un donneur d’électron. Ces protéines thiols sensibles au potentiel redox sont impliquées dans le mécanisme de détoxification du H2O2, une molécule oxydante induite lors de situations de stress. Les PRXs pourraient être induites par le stress et régulées par phosphorylation. En effet, des expérimentations in vitro ont démontré que la nucléoside diphosphate kinase 1 (NDPK1) a la capacité de phosphoryler une PRX cytosolique de pomme de terre. Ce mémoire décrit les travaux expérimentaux effectués pour caractériser la fonction de la PRX. Pour cela, le clonage d’une isoforme a été effectué, suivi d’une caractérisation biochimique et d’une étude d’expression de la protéine. Les données de séquençage révèlent qu’il s’agit d’une PRX de type II phylogénétiquement liée aux PRXs cytosoliques. L’ADNc codant pour cette peroxyrédoxine (PRX1) a été cloné chez Solanum chacoense. Une protéine recombinante portant une étiquette (6xHis) en N-terminale a été produite. Des essais enzymatiques ont confirmé la fonction antioxydante de la protéine recombinante et un anticorps polyclonal a été généré chez le lapin puis utilisé en conjonction avec un anticorps anti-NDPK1 pour déterminer les patrons d’expression généraux de ces protéines chez Solanum lycopersicum et Solanum tuberosum lors de situations de stress. Les données démontrent que les deux protéines sont généralement co-exprimées mais pas co-régulées et que la PRX1 est induite en certaines situations de stress. / The peroxiredoxins (PRXs) are a recently discovered family of peroxidases found in all organisms and ubiquitous in the cell. An important particularity of these proteins is the presence of one or two active cysteines that accomplish an oxydo-reduction cycle with an electron donor. The PRXs are sensitive to the redox potential and are implicated in the detoxification of the H2O2, an oxidante molecule induced in stress situations. The PRXs should be induced in stress situations and regulated by phosphorylation. Indeed, in vitro experimentations have shown that the NDPK1 can phosphorylate a cytosolic PRX isoform of the potato. This dissertation describes the experimentation made to acquire a preliminary understanding of the function of the PRX. For this purpose, we cloned a PRX isoform, followed by a biochemical characterization and expression studies of the protein. The sequencing data shown a type II PRX phylogenetically related to the cytosolic isoforms. The cDNA of this peroxiredoxin (PRX1) has been cloned in Solanum chacoense. The recombinant protein produced had a N-terminal (6xHis) tag. Enzymatic assays confirmed the antioxidant activity of the recombinant protein and a polyclonal antibody has been generated from the rabbit. This antibody was used in conjunction with an antibody anti-NDPK1 to determine the general expression patterns of those proteins during stresses in Solanum lycopersicum and Solanum tuberosum. The results obtained showed that the two proteins are generally co-expressed but not co-regulated. Obvious experimental facts displayed an induction of the PRX1 in biotic and abiotic stresses situations.

Dans la nature, les plantes sont constamment exposées à des modifications de leur environnement générant un stress oxydant auquel elles doivent s’adapter du fait de leur immobilité. Les végétaux ont donc développé un grand nombre de mécanismes antioxydants permettant de protéger leurs fonctions vitales. L’étude d’une enzyme de type peroxyrédoxine (PRX) localisée dans le chloroplaste montre que son activité antioxydante est importante pour la croissance et la tolérance des végétaux aux contraintes environnementales. De plus, cette PRX pourrait interagir avec d’autres protéines impliquées notamment dans des mécanismes antioxydants et dans le métabolisme du carbone. Parmi elles, une protéine de type fibrilline participant à la protection des structures photosynthétiques, pourrait avec la PRX protéger la photosynthèse, fonction propre aux végétaux et essentielle pour la vie sur terre. / In nature, plants are constantly exposed to environmental changes leading to oxidative stress, to which they must adapt due to their immobility. Plants have developed many antioxidant systems allowing them to maintain their vital functions. The study of a peroxiredoxin, enzyme (PRX) localized in chloroplasts, shows that its direct antioxidant activity is essential for growth and tolerance of plants to environmental constraints. In addition, this PRX could interact with other proteins especially involved in antioxidant mechanisms and carbon metabolism. Among them, fibrillin proteins, which participate in the protection of the photosynthetic structures, could preserve with the PRX the plant photosynthesis, which is essential for the life on earth.