Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une recherche fondamentale visant à améliorer la compréhension des mécanismes d'interaction des rayonnements ionisants avec la matière biologique en s’intéressant à la prédiction par simulations numériques des dommages précoces radio-induits à l’ADN. Dans un premier temps, une étude sur le rôle des différents niveaux de compaction de la chromatine (hétérochromatine et euchromatine) dans l’induction de ces premiers effets, à savoir les cassures de brins de l’ADN, est proposée. De nouveaux modèles géométriques réalistes de noyaux cellulaires intégrant la compaction de la chromatine ont donc été créés et utilisés dans une chaîne de calcul, basée sur le code Monte Carlo ouvert et généraliste Geant4 et son extension Geant4-DNA, permettant de simuler les étapes physique, physico-chimique et chimique menant aux cassures de brin. Les développements effectués dans cette thèse ont également permis d’étudier l’impact de plusieurs types de rayonnement (protons, alphas, photons) sur les dommages radio-induits. Les différents résultats ont été confrontés à des données expérimentales et en particulier à celles obtenues par l’équipe de radiobiologistes de l’IRSN. Enfin, une étude portant sur les effets plus tardifs comme la réparation de l’ADN et la mort cellulaire a été réalisée par l’utilisation conjointe de la chaîne de calcul et de certains modèles paramétriques issus de la littérature. Ainsi, les résultats obtenus dans cette thèse ont permis d’acquérir de nouvelles connaissances et de développer des outils de calcul qui seront bientôt disponibles en accès libre à la communauté scientifique afin de prédire des effets biologiques de plusieurs types de rayonnement dans la perspective d’améliorer les modèles de risque. / This thesis work is part of a fundamental research aimed at improving the understanding of the mechanisms of interaction of ionizing radiation with biological matter by focusing on the prediction of early radiation-induced DNA damage by numerical simulations. As a first step, a study on the role of the different levels of chromatin compaction (heterochromatin and euchromatin) in the induction of these early effects, namely DNA strand breaks, is proposed. New realistic geometric models of cell nuclei integrating chromatin compaction have therefore been created and used in a calculation chain, based on the open source and general purpose Monte Carlo code Geant4 and its extension Geant4-DNA, to simulate the physical, physico-chemical and chemical stages leading to strand breaks. Developments in this thesis have also allowed studying the impact of several types of radiation (protons, alphas, photons) on radiation-induced damage. The various results were compared with experimental data and in particular those obtained by the IRSN team of radiobiologists. Finally, a study on later effects such as DNA repair and cell death was carried out using both the calculation chain and some parametric models from the literature. Thus, the results obtained in this thesis have made it possible to acquire new knowledge and to develop calculation tools that will soon be delivered in free access to the scientific community in order to predict the biological effects of several types of radiation with the aim of improving risk models.

Jusqu’à présent, la metformine a principalement été employée comme médicament contrôlant l’hyperglycémie des personnes atteintes de diabète de type II. Des études épidémiologiques ont démontré que les personnes, prenant de la metformine, développent moins de cancers. Par exemple, la prise de metformine réduit respectivement de 78% et de 46% les chances de développer un cancer hépatique ou pancréatique. Récemment, il a été montré que la metformine permet de réduire le développement de tumeur au niveau de la peau, suite à l’exposition à des rayons UVB. Dans cette étude, j’ai démontré que la présence de metformine permet une meilleure survie de la levure Saccharomyces cerevisiae suite à l’exposition à des rayons UVC ou UVA. De plus, j’ai démontré que la présence de metformine augmente le recrutement de l’histone Htz1 à la chromatine. Pour une souche htz1Δ, le niveau de survie suite à l’exposition aux rayons UVA est considérablement diminué. Htz1 permet le recrutement de Rad14 au site de dommages à l’ADN faits par les rayons UV. Htz1 est donc important pour la détection de ces sites. Enfin, le recrutement nucléaire de Rad14 en présence de metformine a considérablement augmenté. En absence de Rad14, le niveau de survie suite à l’exposition aux rayons UVA diminue significativement. Donc, Htz1 et Rad14 sont deux protéines clés dans la protection contre les rayons UV apportés par la metformine. En conclusion, avec les différents résultats de cette étude, il est possible de dire que la metformine permet une forme de protection contre les rayons UVC et UVA. / Recently, metformin has been widely used to treat hyperglycemia of humans that have type II diabetes mellitus. Recently, some epidemiological studies have showed that populations of individuals being treated with metformin showed lower incidence of cancer. For example, there is a 78 % and 46 % reduction in the incidences of liver and pancreatic cancers, respectively. It has also been demonstrated that metformin protects against skin cancers caused by ultraviolet radiation-B (UVB) DNA damage. In this study, I have demonstrated that metformin significantly protects the budding yeast Saccharomyces cerevisiae from ultraviolet radiation-C (UVC) and from ultraviolet radiation-A (UVA)-induced death. I also showed that metformin increases the recruitment of the histone Htz1 linked to chromatin. In an htz1Δ strain, the metformin protection from UVAinduced death is significantly reduced. Htz1 is important for the recruitment of Rad14 to sites of DNA damage, important for the detection of these sites. Furthermore, nuclear recruitment of Rad14 was significantly increased in cells previously treated with metformin. In the absence of Htz1, the survival rate to UVA exposure in presence of metformin drops significantly. So, Htz1 and Rad14 are two key proteins involved in the protection by metformin against UV DNA damage. With all the results of this study, it was shown that metformin can confer some protection against UVC and UVA for yeast.

L'interaction des rayonnements ionisants avec le vivant est marquée par des phénomènes stochastiques importants aussi bien en termes de dosimétrie physique que des effets biologiques induits. Cette thèse aborde trois problématiques de la thérapie et de l'estimation du risque des radiations pour la santé, à l'aide d'outils de modélisation et de simulations Monte Carlo. En effet, des calculs de l'énergie spécifique dans des volumes de différentes tailles ont montré que les amplitudes des fluctuations dépendent fortement de la taille de la cible. Elles sont particulièrement grandes dans le cas des cibles nanométriques. À partir de ces calculs, une étude sur la taille des dosimètres implantables pour le monitorage des traitements de radiothérapie a montré que des dimensions au moins micrométriques sont nécessaires pour assurer des mesures fiables. Les mêmes calculs ont permis l'analyse des effets de faibles doses d'irradiation, notamment la compatibilité de différentes tailles de cibles avec des données expérimentales d'aberrations chromosomiques. Les résultats suggèrent que l'activation du réseau mitochondrial peut être liée au déclenchement de mécanismes de radiorésistance dans les cellules CAL51. Finalement, un nouveau modèle (NanOx) de prédiction de l'efficacité de l'hadronthérapie (radiothérapie par faisceaux d'ions) est présenté et appliqué à la lignée cellulaire V79. Ce modèle est complètement stochastique et intègre les calculs de dosimétrie à plusieurs échelles pour modéliser des effets locaux et non locaux pouvant correspondre respectivement à des lésions de l'ADN et à un stress oxydatif / The interaction between ionizing radiation and living tissues is characterized by stochastic phenomena with non-negligible consequences both in terms of physical dosimetry and induced biological effects. The present work addresses three issues concerning radiotherapy and the estimation of radiation risks for health, by means of modeling tools and Monte Carlo simulations. Indeed, specific energy calculations in volumes of different sizes showed that the level of fluctuations strongly depends on the target size. Such fluctuations are especially high in the case of nanometric targets. Based on these calculations, a study about the size of implantable dosimeters employed in the monitoring of radiotherapy treatments demonstrated that these dosimeters should have at least micrometric dimensions in order to ensure reliable measurements. The same calculations have allowed the analysis of the effects of low doses of radiation, namely the compatibility between different target sizes and experimental data regarding chromosomal aberrations. The results suggest that the activation of the mitochondrial network may be linked to the triggering of radioresistance mechanisms for the CAL51 cell line. Finally, a new model (NanOx) to predict the effectiveness of particle therapy (radiotherapy with ion beams) is presented and applied to the V79 cell line. Such a model is completely stochastic and integrates the dosimetry calculations at multiple scales for modeling local and non-local effects, which can correspond respectively to DNA lesions and cellular oxidative stress