Ces dernières décennies, les xénolites de péridotites provenant des kimberlites et des basaltes ont contribué de manière déterminante à la compréhension de l’état physico-chimique du manteau supérieur de la Terre dont dépend la modélisation directe de déformation telle que le rebond post-glaciaire. Une telle approche requiert a priori la détermination des conditions physiques P, T et σ dont témoignent la chimie minérale et la texture de ces roches. Un protocole original d’inversion thermodynamique de données expérimentales pour des pyroxènes en équilibre mutuel, a d’abord été développé dans le but d’obtenir un géothermobaromètre fiable. D’autre part, l’étude menée par spectroscopie IRTF de pyroxènes montre que ces minéraux nominalement anhydres (NAMs) contiennent en fait de l’eau sous forme dissoute, de 38 à 450 ppm pour les cpx, et de 19 à 184 ppm pour les opx.Par son rôle perturbateur du réseau cristallin, cette eau affecte directement les propriétés physico-chimiques du manteau terrestre (viscosité, diagrammes de phase, conductivité électrique). La dissolution de cette eau est correlée à fO2, P et T, et seulement indirectement à la chimie des minéraux. Des analyses 1H, 27Al et 29Si MAS RMN sur ces phases contenant des teneurs non négligeables en fer, ainsi que sur des mélanges kaolinite+magnétite, permettent, entre autres, d’authentifier les signatures spectrales de ces pyroxènes naturels mais aussi de quantifier les espèces Al en termes de sites d’occupation. La complémentarité de ces outils, appliqués ici avec succès, ouvre de nouvelles perspectives de compréhension et modélisation des processus profonds. / Over the last decades, peridotite xenoliths brought up by kimberlites and basalts have largely and critically contributed to the understanding of the physical and chemical state of the Earth’s upper-mantle, a prerequisite for direct modelling of deep deformations such as those at work in post-glacial rebound. Such an approach first requires quantification of the physical conditions (P, T, σ) in control of mineral chemistry and rock textures. An original protocol for thermodynamic inversion of experimental data on mutually-equilibrated pyroxenes, was first developed to obtain a reliable geothermobarometer. Moreover, FTIR spectroscopic studies of pyroxenes show that these nominally anhydrous minerals (NAMs) actually contain dissolved water, from 38 to 450 ppm for cpx’s and from 19 to 184 ppm for opx’s. According to its disruptive action onto the crystalline network, such water directly affects the physical and chemical properties of the Earth’s mantle (viscosity, phase diagrams, electrical conductivity). Dissolution of this water component is correlated to fO2, P and T, but only indirectly to mineral composition. Last, 1H, 27Al and 29Si MAS NMR analyses on the same pyroxenes (as iron-bearing minerals), as well as on kaolinite+magnetite mixes, have authenticated NMR spectra for natural pyroxenes, but have also yielded constraining data on site occupancies, specially for Al. These complementary tools applied here with some success, open new prospects for the understanding and modelling of deep processes.

Cette thèse vise à réaliser une étude approfondie sur le développement de méthodologies pour l’analyse de systèmes complexes. Cela comprend l’étude des systèmes hors d’équilibre, des systèmes d’auto-assemblage, et les systèmes biologiques désordonnés. Les méthodes développées recouvrent principalement la RMN, tel que la mesure de diffusion (DOSY) mais également d’autres techniques telles que la spectrométrie de masse, le dichroïsme circulaire (CD), la microscopie électronique (EM) et diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). La partie N-terminale du récepteur des androgènes (AR) est utilisée comme un système complexe. D’après la littérature, il est connu que cette région joue un rôle important pour l’activité du récepteur, et elle est également décrite comme étant intrinsèquement désordonnée. Les résultats que j’ai acquis durant la thèse m’ont permis d’identifier une courte région de ce domaine, impliquée dans la formation réversible de fibres amyloïdes, par modulation des conditions d’oxydo-réduction du milieu. Les résultats révèlent un aspect inconnu du mécanisme de AR. / My PhD project was focused on the development of methods for the analysis of complex systems and their biophysical characterization. This includes the study of large chemical libraries, self assembly systems, protein-ligand interaction studies and disordered biological systems. A wide range of biophysical methods were used for this purpose. Specially, Nuclear Magnetic Resonance(NMR) but also other techniques such as mass spectrometry, circular dichroism (CD), electron microscopy (EM) and small angle X-ray scattering (SAXS). The N-terminal Domain of the Androgen Receptor is studied as an example of a complex system. This region plays an important role in receptor activity, and is also described as being intrinsically disordered. The results obtained during my thesis shown a short conserved region involved in the amyloid fibers formation under oxidative conditions. These results open new possibilities to understand the mechanism of the AR activity.

La spectroscopie RMN Haute Résolution en Rotation à l’Angle Magique (HRMAS) permet la caractérisation métabolomique tissulaire. Nous avons caractérisé par RMN HRMAS le profil métabolomique des glandes parathyroïdiennes hypersécrétantes. Celui de l’hyperparathyroïdie primaire (HPT1) a été comparé à celui des HPT rénales. Au sein des HPT1, la distinction a pu être faite entre pathologie uni- et multi-glandulaire. Le profil métabolomique du tissu pancréatique sain a été comparé à celui du tissu tumoral. Aussi, les patients longs/courts-survivants ont pu être distingués. La relation entre le phénotype métabolique et la survie des patients a été étudiée. Le profil métabolomique des TIPMP a été caractérisé. Les TIPMP non dégénérées et dégénérées ont été comparées. Le risque de dégénérescence a été corrélé au profil métabolomique. Nos résultats montrent que la spectroscopie RMN HRMAS est une technique prometteuse pour l’étude du profil métabolomique des HPT et des pathologies pancréatiques. / High Resolution Magic Angle Spinning (HRMAS) NMR spectroscopy allows metabolomics of intact tissues. Metabolomics profiling of hyperfunctioning parathyroid glands were characterized were characterized by using HRMAS NMR spectroscopy. Primary hyperparathy- roidism (PHPT) was compared to renal HPT. Among PHPT, we distinguished single gland disease from multiple gland disease. Pancreatic parenchyma and adenocarcinoma were compared. Thus, long-term and short-term survival patients were distinguished. The relationship between the survival of patients and their metabolic phenotype was studied. Metabolomics profiling of IPMN was also examined. IPMN with no degeneration and de- generated IPMN were compared. Finally, the risk of degeneration was correlated with the metabolomics profile. Our results show that HRMAS NMR spectroscopy is a promising technique in view of studying metabolomic profiling of HPT and pancreatic diseases.

La principale limite en chirurgie hépatobiliaire est représentée par l’insuffisance hépatocellulaire (IHC) posthépatectomie (Hx) ou la dysfonction du greffon (EAD) après transplantation (TH). Peu d’études ont évalué le métabolisme du foie dans son ensemble, du fait du manque de technique utilisable en clinique. La métabolomique HR-MAS-RMN pourrait pallier à ce manque. Le but de cette thèse était d’évaluer l’apport de cette technique en chirurgie hépatobiliaire.En TH (n=42), le profil métabolique (PM) prédisait le risque d’EAD et identifiait le lactate et la phosphocholine comme biomarqueurs permettant d’envisager un matching métabolique. Après Hx majeure (n=45), le PM prédisait la survenue d’un décès par IHC. Ce PM différait du profil cirrhotique en décompensation et était compatible avec celui de système cellulaire prolifératif. Une étude préliminaire montrait que le PM prédisait la récidive à 1 an après hépatectomie. Ce travail montre l’intérêt de la métabolomique par HR MAS RMN pour prédire l’issue d’une Hx ou d’une TH dans un temps compatible avec la clinique. Ces données orientent vers la piste de l’intervention métabolique en chirurgie hépatique. / One of the main limits in liver surgery is the risk of liver failure (LF) after hepatectomy (Hx) or graft dysfunction (EAD) after liver transplantation (LT). Few studies have evaluated global liver metabolism, probably due to the lack of clinically relevant techniques. HR-MAS-NMR metabolomics may fulfill this lack and the goal of this work was to evaluate its capacity to predict early outcomes after hepatectomy and LT. In LT (n=42), metabolic profile predicted EAD and lactate and phosphocholine were potent biomarkers providing means for metabolic matching. In liver biopsies harvested at the end of major Hx (n=45), metabolic profile predicted PHLF. The profile at risk of LF differed from that of decompensated cirrhosis but correlated to that of proliferative multicellular systems. A preliminary study showed that the metabolic profile predicted the risk of liver metastases recurrence at 1 year. This work underlines the potential value of HR-MAS-NMR metabolomics in the prediction of short-term outcomes in liver surgery. It provides clues to be further investigated for future evaluation of metabolic intervention in the field of liver surgery.

Les membranes cellulaires sont des systèmes complexes composés de lipides variés qui interagissent avec les protéines pour accomplir une fonction. Leur adressage spécifique dans la cellule est crucial pour le fonctionnement cellulaire. Les vésicules COP (coat protein) sont impliquées dans leur transport dans les premières étapes de la voie de sécrétion. Récemment, une interaction très spécifique a été identifiée entre le domaine transmembranaire de la protéine p24 (p24TMD) abondante dans la membrane des vésicules COP et la sphingomyéline C18:0. Cette spécificité a été identifiée dans le cas d’interaction protéine-protéine et protéine-acide nucléique comme impliquée dans la régulation de fonctions cellulaires, C’est pourquoi nous avons décidé d'étudier sur cette interaction. A cet effet, le p24TMD a été obtenu par synthèse chimique et sa structure étudiée par RMN du solide en présence de la sphingomyèline avec pour but ultime de comprendre la fonction. / Cell membranes are complex systems composed of variety of lipids that interacts with proteins to trigger cellular function. The delivery of these lipids to the right compartment is crucial for cells to work efficiently. The coat protein (COP) complex vesicles are involved in lipids traffic in the early stages of the secretory pathway. Recently, a highly specific interaction has been found between the transmembrane domain of p24 protein (p24TMD) abundant in COPI membrane and sphingomyelin C18:0. As such highly specific interaction have been reported for protein-protein and protein-nucleic acid interactions to be involved in regulation of cell functions, we decide to investigate this specific interaction. The p24TMD was obtained chemically and investigated by solid state NMR in presence of sphingomyelin with the ultimately goal to understand the function behind.

Le cancer est la première cause de morbi-mortalité dans le monde. La recherche de biomarqueurs diagnostiques, pronostiques et prédictives de la réponse aux traitements est capitale dans l’amélioration de la prise en charge de ce fléau mondial. Nous avons choisi une technique récente qui est la spectroscopie RMN HRMAS et des méthodes d’analyse statistique robustes (PCA et PLS-DA), afin d’établir les profils métaboliques des cancers épithéliaux de l’ovaire et des cancers mammaires. Nous avons établi, après un rappel théorique de la spectroscopie RMN HRMAS, un état d’art des applications médicales de cette technique, notamment gynécologiques chez la femme et urogénitales chez l’homme. Nous avons décrit les différentes étapes de la démarche établie pour l’analyse spectrale : préparation de l’échantillon tissulaire, acquisition RMN et analyse statistique. Nous avons montré que cette technique, permettant une analyse rapide (20 min) et non destructive d’échantillons tissulaires intacts, est applicable à la prise en charge thérapeutique des patientes atteintes de carcinomes ovariens et mammaires. Elle a permis, dans le cas des cancers de l’ovaire, de caractériser métaboliquement les trois types histologiques (séreux, endométrioïdes et mucineux) et le tissu ovarien sain, de générer des modèles statistiques permettant de classer les tumeurs borderline et de prédire la survie des patientes et la réponse à la chimiothérapie. Dans le cas des cancers du sein, elle a permis de discriminer métaboliquement les carcinomes mammaires, les fibroadénomes et le tissu sain et d’étudier métaboliquement les différents indicateurs histologiques des ces carcinomes. Nous projetons de confirmer ces résultats préliminaires très encourageants sur une plus grande cohorte. / Cancer is the leading cause of morbidity and mortality worldwide. The search for diagnostic, prognostic and predictive biomarkers of response to treatment is crucial in improving the management of this global scourge. We chose a new technique that is HRMAS NMR spectroscopy and robust statistical analysis methods (PCA and PLS-DA), to establish the metabolic profiles ofepithelial ovarian and breast cancers. We have determined, after a theoretical reminder of HRMAS NMR spectroscopy, a state of the art including medical applications of this technique, mainly gynecological in woman and uro-genital in man. We describe the different steps of the process established for spectral analysis : preparation of tissue sample, NMR acquisition and statistical analysis. We showed that this technique, allowing a rapid analysis (20 min) and non-destructive of intact tissue samples, is applicable to the therapeutic management of patients with breast and ovarian carcinomas. It has, in the case of ovarian cancer, characterize metabolically the three histological types (serous, endometrioid and mucinous) and healthy ovarian tissue, generate statistical models to classify borderline tumors and predict survival patients and response to chemotherapy. In the case of breast cancer, it could discriminate metabolically breast carcinomas, fibroadenomas and healthy tissue and study metabolically different histological indicators of these carcinomas. We plan to confirm these very encouraging preliminary results in a larger cohort.

La fonction des protéines est intimement liée à leur structure et à leur dynamique. La Résonance Magnétique Nucléaire est une technique de choix permettant d'étudier ces deux aspects à une résolution atomique. La relaxation du spin des noyaux d'azote-15 permet de quantifier ces mouvements aux échelles de temps pico- nanosecondes grâce à la determination de la fonction de densité spectrale, décrivant les mouvements du vecteur NH amide. Il est essentiel de mesurer les vitesses de relaxation à des champs magnétiques faibles pour mieux décrire les mouvements nanoseconde. De telles mesures sont possibles grâce à la relaxométrie haute-résolution et ont été réalisées sur l'ubiquitine. Celles-ci ont permis la caractérisation de mouvements nanoseconde dans les parties flexibles de l'ubiquitine. L'interprétation des données de relaxation pour des protéines désordonnées requiert le développement de modèles spécifiques à ces protéines. Nous avons développé une approche, appelée IMPACT, permettant une reconstruction mathématique de la fonction de densité spectrale. Appliquée au facteur de transcription Engrailed 2, cette approche a permis d'accéder à la distribution d'échelles de temps ps-ns à partir de données de relaxation à haut champ. Cette approche, combinée à des mesures de relaxométrie sur la région C-terminale de la protéine Artemis, devrait permettre d'obtenir une représentation fidèle et précise de la dynamique d'une protéine désordonnée. De plus, nous avons étudié la cinétique et la thermodynamique de l'interaction entre Artemis et la Ligase IV. Nos travaux ont permis de développer de nouvelles approches pour l'analyse de larges ensembles de données de relaxation. / The intimate relation between the structure, dynamics and function of biomolecules is widely recognized. NMR is a unique technique to extract information on both structure and dynamics at atomic resolutions. Measurements of nitrogen-15 nuclear spin relaxation allow a quantitative description of motions on pico-nanosecond timescales through the characterization of the spectral density function (SDF), which describes the motions of amide bonds in proteins. The SDF has to be sampled at low magnetic fields, inappropriate for protein NMR, in order to obtain a better description of motions. Such measurements are possible by the use of high-resolution relaxometry. Such measurements on Ubiquitin highlight the sub- and low-nanosecond motions in flexible regions. The classical models for the interpretation of relaxation data in proteins are not well suited for intrinsically disordered proteins (IDPs) and require the development of new approaches. We developed a new approach, called IMPACT, based on a mathematical reconstruction of the distribution of correlation times from the experimental SDF. We have applied IMPACT to the transcription factor Engrailed 2. Our method allowed an unprecedented description of the distribution of pico- to nanosecond motions in IDPs. The IMPACT approach will be combined with high-resolution relaxometry measurements on the C-terminal region of the protein Artemis to provide information on an IDP. In addition, we have described the kinetics and thermodynamics of the interaction of Artemis with the DNA Binding Domain of Ligase IV.Overall, this work contributes to the development of new concepts for the interpretation of extensive nuclear spin relaxation data in proteins.

La description des interactions protéine-ligand est d'une importance capitale pour la compréhension de phénomènes biologiques de toutes sortes, et dans le procédé de conception de nouvelles molécules bioactives. Avec l'avènement de nouveaux moyens de calculs numériques, la modélisation des équilibres d'interaction utilisant la dynamique moléculaire est de plus en plus utilisée pour l'étude au niveau microscopique permettant ainsi de guider la conception et l'optimisation de nouveaux inhibiteurs biologiques. Cette thèse est centrée sur l'utilisation de la funnel-métadynamique pour la prédiction d'affinités protéine-ligand et la description des interactions, en corrélation avec des données expérimentales de RMN et de cinétique enzymatique. Sur le modèle biologique des peroxyrédoxines humaines impliquées dans la cascade inflammatoire survenant après un choc ischémique, l'interaction et l'inhibition de composés catéchols ont été étudiées. Les données obtenues par dynamique sur l'interaction de dérivés catéchols ont été utilisées pour guider l'optimisation de cette molécule fragment pour une meilleure affinité et inhibition des peroxyrédoxines humaines. Nos résultats ont montré que la funnel-métadynamique, en plus de permettre la prédiction des affinités protéine-ligand, donnait une description réaliste de l'interaction pouvant mener à l'identification et l'optimisation de nouvelles molécules bioactives dont le potentiel inhibiteur a pu être examiné par cinétique enzymatique. Cette recherche fournit un aperçu des possibilités offertes par les nouvelles méthodes numériques, et leur application en chimie médicinale par exemple / Description of protein-ligand interactions is crucial for the understanding of all biological phenomena, and the drug design process. Thanks to new developments in computational devices, simulation of interaction equilibria using molecular dynamics are becoming state-of-the-art approach for the microscopic study of these molecular interactions. These new methods guide the conception and the optimization of new biological inhibitors. This project is focused on the use of funnel metadynamics for the prediction of protein-ligand affinities, and the description of interactions. Data obtained by metadynamics are correlated with experimental data from NMR and enzymatic assays.On the biological model of human peroxiredoxins, involved in the post ischemic inflammation cascade, interaction an inhibition of catechols derivatives have been studied. Data obtained from simulations have been used in the optimization process of the catechol fragment, to reach a better affinity and inhibition of human peroxiredoxins. Our results have shown that funnel-metadynamics allows the prediction of protein-ligand affinities, and the realistic description of the interaction, that lead to identify and optimize new bioactive molecules. Their inhibitory strengths and mechanisms have been examinated using enzymatic assays.Our research gives an overview of the possibilities brought by new numerical approaches, and their application in medicinal chemistry for example

Bien qu'outil de référence pour le diagnostic et le suivi de la SEP, l'IRM conventionnelle ne reste que modérément corrélée à l'état clinique du patient. Afin de mieux caractériser les altérations pathologiques, nous employons dans ce travail les techniques d'IRM dites non conventionnelles que sont la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) et l'IRM de diffusion. Un premier suivi hebdomadaire, a permis de mettre en évidence la sensibilité des métriques de diffusion et la spécificité de la SRM pour détecter les processus initiaux de la formation d'une lésion.Un second suivi a permis de mettre en évidence des modifications de la diffusivité dans plusieurs faisceaux de substance blanche, avec notamment une diminution de la fraction d'anisotropie et une augmentation de diffusivité radiale, s'aggravant avec l'avancée de la maladie et plus marquée dans les formes progressives.Enfin, l'application de la théorie des graphes a permis de caractériser la connectivité cérébrale dans les quatre formes cliniques et d'étudier leur évolution. Cette étude a permis de mettre en évidence des altérations dans tous les phénotypes cliniques, avec notamment une diminution de la densité du réseau cérébral, plus importante dans les formes progressives de la maladie et tendant à s'accentuer avec la progression de la maladie.Ce travail montre la sensibilité des techniques avancées d'IRM pour la caractérisation des altérations pathologiques et de leur évolution dans la SEP / While conventional MRI is the reference tool for the diagnosis and monitoring of MS, it remains only moderately correlated with the patient’s clinical status. In order to better characterize pathological alterations occurring in MS, we use in this work non-conventional MRI techniques, namely magnetic resonance spectroscopy (MRS) and diffusion MRI.A first weekly follow-up revealed the sensitivity of the diffusion metrics and the specificity of the SRM to detect the initial processes of lesion formation.A second follow-up revealed changes in diffusivity in several white matter fiber bundles, including a decrease in fraction of anisotropy and an increase in radial diffusivity, worsening with advancing disease and more marked in the progressive forms.Finally, the application of graph theory allowed to characterize the brain connectivity in the four clinical forms and to study their evolution. This study allowed us to highlight alterations in all the four clinical phenotypes, including a decrease in the cerebral network density, more marked in the progressive forms of the disease and tending to increase with its progression.This work shows the sensitivity of advanced MRI techniques for the characterization of pathological alterations and their evolution in MS

Le sujet de cette thèse est principalement ciblé sur l’étude du transport ionique dans les sulfates d’alcalins de la famille LIMSO₄, où M=Na, K, Rb, Cs. Une attention particulière est portée sur l’étude du système LiNaSO₄, le plus intéressant en termes de dynamique ionique, par RMN en fonction de la température. Dans le cadre de cette étude, nous avons effectué des mesures de temps de relaxation et de largeurs de raie pour toute la série de composés. Des mesures de coefficients d’autodiffusion du ₇li et du ²³Na, ont été menées depuis l’ambiante jusqu’à la température de fusion. Pour la première fois, nous avons pu mesurer la cinétique de transition de phase dans LiNaSO₄, à partir d’une nouvelle méthode basée sur la différence de temps de relaxation dans les deux phases de part et d’autre d e la transition, mais sans mesurer forcément le T₁. Cette technique élaborée dans le cadre de ce travail permet de mesurer l’évolution au cours du temps du volume de la phase qui apparait pour des vitesses de refroidissement contrôlées. Nous avons aussi mené une étude par RMN des réorientations des groupements sulfates dans la phase basse température. L’influence des réorientations des SO ₄² sur les couplages quadripolaires au noyau 7li, a été étudiée par un modèle de réorientation par sauts, qui n’avait encore jamais été utilisé pour les sulfates. La méthode proposée est une méthode à « bas couts » car elle permet d’atteindre l’information sur la dynamique des groupements sulfates sans enrichir l’échantillon en ¹⁷O ou de mener des expériences très longues pour le ³³S, ou sans passer par les mesures de temps de relaxation. Afin d’analyser le rétrécissement par le mouvement (motional narrowing) en fonction de la température dans les solides avec deux sous réseaux cationiques diffusant comme dans le cas du LiNaSO₄ , nous avons élaboré un modèle permettant de fitter l’évolution observée à deux marches de la largeur de raie RMN avec la température. La fonction analytique obtenue a été étendue au cas de distributions de temps de corrélation. / The main goal of a present research is a detailed study of ionic transfer in double sulfates belonging to the LIMSO₄ family, where M = Na, K, Rb, Cs. The most attention has been paid to LiNaSO₄ as to the most interesting (in terms of the ion dynamics) compound among other double sulfates. We have carried out magnetic relaxation measurements and line width analysis for all compounds under consideration. Moreover, PGF NMR measurements of ₇li and ²³Na self-diffusion coefficients in LiNaSO4 have been carried out. For the first time, we have measured the phase transition kinetics in LiNaSO₄. For this purpose, we developed a new technique, which is based on the difference of spin-lattice relaxation times in the two phases, but which does not involve the direct measurement of T₁. Elaborated technique allows measuring time evolution of the volume of the appearing phase at controlled cooling rates. We have carried out NMR study of the sulfate ion reorientations in the low-temperature modification of LiNaSO₄. The influence of the SO ₄² reorientational jumps on the quadrupolar interactions of 7Li nuclei was investigated b y a j ump reorientational model, which has not previously been app lied to sulfates. The proposed method is a “low-cost” technique, since it does not require an ¹⁷O enriched sample and dispenses with time-consuming ³³S NMR. Other advantage of a given method is a possibility to probe reorientational motions without NMR relaxation measurements. To analyze motional narrowing in solids with two diffusing spin sublattices (such case occurs, e.g., in LiNaSO₄) we deduced a formula, which can be used for fitting of the two-step temperature dependencies of the NMR line width. The obtained function has been al so ex tended to the case, when a distribution of correlation times takes place. The advantage of this approach is that even in the case of distribution of correlation times, the fitting function could be expressed in the analytical form.