Le toluène (TOL), le n-hexane (HEX), le cyclohexane (CHX) et l'isooctane (ISO) sont des composés organiques volatils (COVs) omniprésents dans les milieux industriels et résidentiels. L'exposition aux mélanges soulève de nombreuses interrogations en regard des possibilités d'interaction. L'inhibition métabolique étant le mécanisme d'interaction le plus plausible, pourrait aboutir à une augmentation de leur concentration interne et donc de leur toxicité. L'objectif de cette étude était de caractériser les interactions métaboliques entre le TOL, l'HEX, le CHX et l'ISO, en utilisant les préparations microsomiales de foie de rat. Nous avons donc étudié le potentiel d'inhibition du métabolisme du TOL par HEX, CHX et ISO, aussi bien que l'inhibition du métabolisme du HEX par TOL, CHX et ISO. Initialement, la mesure du coefficient de partage milieu : air (pm : air) a aussi été faite pour permettre une estimation des concentrations des inhibiteurs et des substrats dans le milieu d'incubation (CHX : 0,23 ISO : 0,21 TOL : 2,35 et HEX : 0,04). Aussi en mesurant le taux de disparition des substrats par chromatographie en phase gazeuse après des incubations de 45 min. pour TOL et de 4 min. pour HEX, le taux de métabolisme a été déterminé pour ces 2 composés incubés individuellement ou en présences des autres COVs. Les résultats suggèrent que le métabolisme du TOL est inhibé de façon compétitive par HEX et de façon incompétitive par CHX et ISO (Ki égale respectivement 0,49, 1,84 et 1,798 μM). L'inhibition de HEX par TOI est de type mixte (Ki = 4,5339 μM), alors que le CHX et l'ISO agissent sur le métabolisme de l'HEX par inhibition compétitive (Ki respectif de 0,75 et 1,54 μM). Ces données in vitro sur les interactions métaboliques pourront être intégrées dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK) pour prédire la dose interne résultant d'une exposition à ces mélanges chimiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : toluène, hexane, cyclohexane, isooctane, métabolisme in vitro

J'ai mis au point une méthodologie pour annoter les superfamilles d'enzymes, en décrire l'histoire et les replacer dans l'évolution de leurs voies métaboliques. J'en ai étudié trois : (1) les amidohydrolases cycliques, dont les DHOases (dihydroorotases, biosynthèse des pyrimidines), pour lesquelles j'ai proposé une nouvelle classification. L'arbre phylogénétique inclut les dihydropyrimidinases (DHPases) et allantoïnases (ALNases) qui ont des réactions similaires dans d'autres voies (dégradation des pyrimidines et des purines respectivement). (2) L'étude de la superfamille des DHODases (qui suivent les DHOases) montre une phylogénie semblable aux DHOases, avec également des enzymes d'autres voies, dont les DHPDases (qui suivent les DHPases). De cette observation est né le concept de module réactionnel, qui correspond à la conservation de l'enchaînement de réactions semblables dans différentes voies métaboliques. Cela a été utilisé lors de (3) l'étude des carbamoyltransférases (TCases) qui incluent les ATCases (précédant les DHOases). J'ai d'abord montré l'existence d'une nouvelle TCase potentiellement impliquée dans la dégradation des purines et lui ai proposé un nouveau rôle en utilisant le concept de module réactionnel (enchaînement avec l'ALNase). Dans ces trois grandes familles j'ai aussi mis en évidence trois groupes de paralogues non identifiés qui se retrouvent pourtant dans un même contexte génétique appelé " Yge " et qui formeraient donc un module réactionnel constitutif d'une nouvelle voie hypothétique. Appliqué à diverses voies, le concept de modules réactionnels refléterait donc les voies métaboliques ancestrales dont ils seraient les éléments de base.

L’usage répété d’isoproturon (IPU) en agriculture pour contrôler développement de plantes adventices dans les cultures céréalières a non seulement abouti à la contamination du sol et des ressources en eaux mais également à l’adaptation de la microflore du sol à la dégradation accélérée de cet herbicide appartenant à la famille des phénylurées. A l’heure actuelle, les mécanismes microbiens impliqués dans cette adaptation ne sont pas encore parfaitement élucidés. Dans ce contexte, l’objectif de cette étude était d’explorer les processus et les facteurs impliqués dans la biodégradation de l’isoproturon, et ce, depuis l’échelle agricole de la parcelle jusqu’à celle des gènes codant cette fonction dans des populations microbienne dégradantes.L’étude réalisée à partir d’une parcelle expérimentale du domaine d’Epoisses, cultivée selon une rotation blé d’hiver/ orge / colza, a montré que, suite à l’usage répété d’IPU, la microflore du sol s’était adaptée à sa minéralisation. Des analyses réalisées à l’aide d’outils statistiques et géostatistiques ont révélé l’existence d’une variabilité spatiale de la minéralisation de l’IPU au sein de la parcelle agricole. Celle-ci s’est révélée être non seulement corrélée avec différents caractéristiques physicochimiques du sol (C/N, CEC, …) mais également avec le plan d’épandage des pesticides au cours de la rotation culturale.Afin de mieux étudier les mécanismes moléculaires responsables de la minéralisation de l’IPU, une culture bactérienne ainsi qu’une souche (Sphingomonas sp. SH) minéralisant l’IPU ont été isolées par enrichissement à partir de deux sols différents, tous deux adaptés à la biodégradation accélérée de l’IPU. La culture bactérienne et la souche pure ont toutes deux montré un métabolisme spécifique pour la dégradation de l’IPU, étant capables de dégrader l’IPU et ses principaux métabolites mais aucun des autres herbicides de la famille des phénylurées. La culture bactérienne et la souche présentaient une activité dégradante optimale à pH7,5 et étaient affectées par des pH inférieurs et supérieurs à cette valeur optimale. Sur la base des métabolites accumulés lors de la dégradation de l’IPU, nous avons proposé que l’IPU serait dégradé par deux déméthylations successives, suivi par la coupure de la chaine urée aboutissant à l’accumulation de 4-isopropylaniline, et finalement la minéralisation du cycle phényl.Afin d’identifier les gènes impliqués dans la minéralisation de l’IPU, une banque de clones BAC a été réalisée à partir de l’ADN génomique purifié de la culture bactérienne. Bien que le crible fonctionnel réalisé n’a pas permis d’identifier de BAC capable de dégrader l’IPU ou l’un de ses métabolites, un criblage moléculaire par PCR ciblant la séquence catA codant la catéchol 1,2-dioxygénase, nous a permis d’identifier trois BACs. Le pyroséquençage des ces 3 BACs et l’agrégation des séquences correspondantes ont permis d’identifier un fragment génomique de 33 kb présentant notamment l’opéron cat impliqué dans le clivage ortho du cycle phényl du catéchol. De ce fait nous avons émis l’hypothèse selon laquelle la 4-isopropylaniline formée lors de la dégradation de l’IPU pourrait être minéralisée par le clivage ortho du catéchol, un intermédiaire clef de la voie des beta-kétoadipates. Ceci nous a donc permis de proposer une voie métabolique pour la voie basse de la dégradation de l’IPU qui, jusqu’alors, n’avait pas encore été décrite. / Frequent use of phenylurea herbicide isoproturon (IPU) in agricultural fields has resulted not only in the contamination of the natural resources including soil and water but also in the adaptation of the soil microflora to its rapid degradation. However, up to now, the mechanisms underlying this microbial adaptation are not well elucidated. The aim of this study was to explore the processes and factors implicated in IPU degradation from the agricultural field to the genes coding for catabolic genes. The study carried out at the experimental field of Epoisses cropped with a winter wheat / barley / rape seed crop rotation indicated that as a result of its periodically repeated use, the soil microflora adapted to IPU mineralization activity. Further analysis using exploratory and geostatistical tools demonstrated the existence of spatial variability in IPU mineralization activity at the field scale which was correlated not only with several soil physico-chemical parameters like organic matter content, CEC and C/N ratio but also with the pesticide application plan over a three year crop rotation. In order to get further insight into underlying mechanisms, an IPU mineralizing bacterial culture and strain Sphingomonas sp. SH were isolated through enrichment cultures performed from two different adapted soils. Both had the catabolic activities highly specific for the mineralization of IPU and its metabolites but none of other structurally related phenylurea herbicides. IPU metabolic activity of both the mixed culture and the strain SH was found to be affected by pH with optimal activity taking place at pH 7.5. Based on the accumulation of different known metabolites during mineralization kinetics, IPU metabolic pathway was proposed to be initiated by two successive demethylations, followed by cleavage of the urea side chain resulting in the accumulation of 4-isopropylaniline, and ultimately the mineralization of the phenyl ring. In order to identify the genes involved in IPU degradation, BAC clone library was established from the genomic DNA of the bacterial culture. Although, the functional screening did not yield in identifying any BAC clone able to degrade IPU or its known metabolites, the PCR based screening led us to identify a cat gene cluster involved in ortho-cleavage of the phenyl ring of catechol through beta-ketoadipate pathway. Based on this finding, it was hypothesized that phenyl ring of 4-isopropylaniline formed during IPU transformation might be mineralized through ortho-cleavage of catechol. This finding allowed us to propose the lower IPU metabolic pathway which was not yet described.

Le raisonnement diagnostique (abductif) et le raisonnement de prédiction (inductif) sont deux des méthodes de raisonnement qui permettent la découverte de connaissances nouvelles. Lorsque le raisonnement abductif est le processus permettant de trouver la meilleure explication (hypothèse) pour un ensemble d'observations (Josephson, 1994), le raisonnement de prédiction est le processus, à partir d'un ensemble d'observations, permettant de trouver tous les résultats possibles. Ces observations peuvent être les symptômes d'un patient, des expériences concernant les réseaux métaboliques et génomiques, etc. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la représentation, l'analyse et la synthèse des réseaux de signalisation génomique en utilisant la logique des hypothèses. En fait, ce mémoire se focalise sur la modélisation des voies de signalisation en réponse à la cassure double-brin de l'ADN. Pour implémenter l'abduction nous utilisons les algorithmes de production. Ensuite, la logique des défauts permet de construire des modèles de représentation minimale. Ces algorithmes de découvertes de connaissances sont prouvés sur la carte de cassure double brin de l'ADN. Cette carte est minimale en tant que graphe de causalité biologique et elle permet d'intégrer les données biomoléculaires.

J'ai mis au point une méthodologie pour annoter les superfamilles d'enzymes, en décrire l'histoire et les replacer dans l'évolution de leurs voies métaboliques. J'en ai étudié trois : (1) les amidohydrolases cycliques, dont les DHOases (dihydroorotases, biosynthèse des pyrimidines), pour lesquelles j'ai proposé une nouvelle classification. L'arbre phylogénétique inclut les dihydropyrimidinases (DHPases) et allantoïnases (ALNases) qui ont des réactions similaires dans d'autres voies (dégradation des pyrimidines et des purines respectivement). (2) L'étude de la superfamille des DHODases (qui suivent les DHOases) montre une phylogénie semblable aux DHOases, avec également des enzymes d'autres voies, dont les DHPDases (qui suivent les DHPases). De cette observation est né le concept de module réactionnel, qui correspond à la conservation de l’enchaînement de réactions semblables dans différentes voies métaboliques. Cela a été utilisé lors de (3) l'étude des carbamoyltransférases (TCases) qui incluent les ATCases (précédant les DHOases). J'ai d'abord montré l'existence d'une nouvelle TCase potentiellement impliquée dans la dégradation des purines et lui ai proposé un nouveau rôle en utilisant le concept de module réactionnel (enchaînement avec l'ALNase). Dans ces trois grandes familles j'ai aussi mis en évidence trois groupes de paralogues non identifiés qui se retrouvent pourtant dans un même contexte génétique appelé « Yge » et qui formeraient donc un module réactionnel constitutif d'une nouvelle voie hypothétique. Appliqué à diverses voies, le concept de modules réactionnels refléterait donc les voies métaboliques ancestrales dont ils seraient les éléments de base. / I designed a methodology to annotate enzyme superfamilies, explain their history and describe them in the context of metabolic pathways evolution. Three superfamilies were studied: (1) cyclic amidohydrolases, including DHOases (dihydroorotases, third step of the pyrimidines biosynthesis), for which I proposed a new classification. The phylogenetic tree also includes dihydropyrimidinases (DHPases) and allantoinases (ALNases) which catalyze similar reactions in other pathways (pyrimidine and purine degradation, respectively). (2) The DHODases superfamily (after DHOases) show a similar phylogeny as DHOases, including enzymes from other pathways, DHPDases in particular (after DHPases). This led to the concept of reaction module, i.e. a conserved series of similar reactions in different metabolic pathways. This was used to study (3) the carbamoyltransferases (TCases) which include ATCases (before DHOases). I first isolated a new kind of TCase, potentially involved in the purine degradation, and I proposed a new role for it in the light of reaction modules (linked with ALNase). In those three superfamilies I also found three groups of unidentified paralogs that were remarkably part of the same genetic context called “Yge” which would be a reaction module part of an unidentified pathway. The concept of reactions modules may then reflect the ancestral metabolic pathways for which they would be basic elements.

Les récepteurs à la vasopressine V1bR et à la sérotonine 5HT3R jouent des rôles physiologiques importants dans la détection des signaux extracellulaires, les mécanismes de transmission nerveuse et diverses pathologies dont le cancer, le diabète et des maladies des SNC et SNP. Mes études avaient pour but de générer ou trouver des modulateurs peptidiques de ces deux récepteurs. Pour le V1bR, j’ai développé plusieurs anticorps de type VHH et les ai caractérisés aux plans biochimique et fonctionnel. L’un de ces VHHs agit comme un agoniste allostérique complet et spécifique du V1bR humain (hV1bR). In vitro ce VHH est capable d’activer les voies de signalisation de l’inositol phosphate et des MAP kinases et d’induire l'internalisation du hV1bR. Dans des îlots pancréatiques surexprimant le hV1bR, il induit une augmentation du Ca2+ intracellulaire et une sécrétion d'insuline. Pour le 5HT3R, j’ai criblé par SPR 31 venins de serpents sur des récepteurs recombinants immobilisés et mis en évidence une interaction à partir d’un de ces venins. Suite à purification par chromatographie liquide et identification par spectrométrie de masse, j’ai identifié une toxine préalablement caractérisée comme une enzyme à activité Ca2+-dépendante. Cette toxine interagit avec les 5HT3R A et AB indépendamment du Ca2+ et avec des valeurs de Kd ≤ 10 nM. L’analyse fonctionnelle par électrophysiologie suggère qu’elle agit comme un PAM de l’activité canal du 5HT3R. Des images de ME en coloration négative montrent la toxine fixée sur le domaine extracellulaire du 5HT3R, à distance du site pour la 5HT. Le VHH et la toxine pourraient être utilisés comme outils pharmacologiques et/ou agents thérapeutiques. / The vasopressin V1bR and serotonin 5HT3R receptors play important physiological roles in the detection of extracellular signals, in the mechanisms for neuronal transmission, and in various pathologies including cancer, diabetes, and CNS and PNS diseases. My studies were aimed at generating or finding peptidic modulators of these two receptors. For the V1bR, I developed several antibodies of the VHH type and characterized them biochemically and functionally. One of these VHHs acts as a complete allosteric agonist specific for the human V1bR (hV1bR). In vitro this VHH is able to activate the signaling pathways of inositol phosphate and MAP kinases and to induce the internalization of hV1bR. In pancreatic islets overexpressing hV1bR, it induces an increase in intracellular Ca2+ and a secretion of insulin. For the 5HT3R, using SPR I screened 31 snake venoms on immobilized recombinant receptors and for one of these venoms, evidenced an interaction. Following purification by liquid chromatography and identification by mass spectrometry, I identified a toxin previously characterized as an enzyme with Ca2+-dependent activity. This toxin interacts with the 5HT3R A and AB independently of Ca2+ and with Kd values ≤ 10 nM. Functional analysis by electrophysiology suggests that it acts as a PAM of the 5HT3R channel activity. Images recorded by negative staining EM show that the toxin binds to the 5HT3R extracellular domain, at a distance from the 5HT binding site. Both this VHH and this toxin could be used as pharmacological tools and / or therapeutic agents.