Pour des missions spatiales de longue durée, les plantes supérieures doivent faire partie des systèmes de support-vie. Le projet Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA, alternative de système de support-vie micro-écologique) de l’Agence Spatiale Européenne est basé sur un système clos de support vie qui inclut, autour d’un compartiment consommateur, des compartiments microbiens et des plantes supérieures. Les plantes consomment les déchets pouvant être recyclés (les eaux usées et du CO2) et produisent de la nourriture fraîche, de l’eau potable et de l’oxygène pour l’équipage. Un des points clé pour ce type d’étude est le maintien d’un système qui assure le recyclage de tous les éléments C, H, O, N, S, P, … C’est pourquoi la base de l’étude repose sur une modélisation des stœchiométries de conversion qui doit traduire les échanges de matière et d’énergie en fonction des limitations physiques qui sont les paramètres de contrôle du système. L’étape préliminaire a été d’établir un modèle métabolique de feuille (un sous-modèle du modèle biochimique), comprenant le métabolisme central et utilisant les techniques métaboliques d’analyse des modes élémentaires (EFMA) et d’analyse des flux métaboliques (MFA) associé à une vision intégrée de l’énergétique du métabolisme central. En l’absence de données expérimentales suffisantes, le modèle métabolique de feuille a été construit à partir de la composition de la biomasse référencée par le Département Américain de l'Agriculture (USDA) et validé avec les données expérimentales de laitues (Lactuca sativa) cultivées dans l’installation de recherche des systèmes à environnement contrôlé (CESRF) de l’Université de Guelph (Canada). Pour la première approche, le modèle est satisfaisant et prometteur ; il peut prédire la production de biomasse une fois connecté aux facteurs physiques de la croissance de plante (lumière, disponibilité en CO2 et en eau, …) au cours du temps et à la composition de la biomasse. Cependant, nos résultats souffrent d’un manque de données pour vérifier les modèles métaboliques ; ainsi, différents types de mesures pour des prédictions plus précises sont proposés. Le futur modèle doit être en mesure de contrôler la croissance de la plante pour la survie des humains, connaissant les flux provenant des autres compartiments de la boucle MELiSSA. Par ailleurs, l’approche décrite ici peut être utilisée de manière plus générale pour tous types d’études et modélisations du métabolisme, en particulier pour étudier le fonctionnement simultané et/ou consécutif des métabolismes photosynthétique et respiratoire. / For long term space missions, higher plants are necessary to be included in life support systems. The Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) project of European Space Agency (ESA) is based on a closed life support system where microbial and higher plant compartments support the consumer’s compartment. Plants consume the possible recycling wastes (waste water and CO2) and provide fresh food, potable water and oxygen to the crew. One of the key points for this kind of study is to maintain a system which recycles all the elements C, H, O, N, S, P, etc. That is why, the study is based on the modelling of conversion stoichiometries ; they are the results of the control parameters of the system (physical limitations of mass and energy exchanges). As a preliminary step, we have established leaf metabolic model (a sub model of the plant biochemical model) involving central carbon metabolism using metabolic techniques, elementary flux mode analysis (EFMA) and metabolic flux analysis (MFA). It is associated to an integrated approach of energetics and central metabolism. Due to data limitations, the leaf metabolic model was constructed taking the biomass composition of lettuce (Lactuca sativa) from United States Department of Agriculture (USDA) and validated with the experimental data where lettuce grown in controlled Environment Systems Research Facility (CESRF) of University of Guelph (Canada). For the first approach, the model is satisfying and promising ; it can predict the biomass production connecting the physical plant growth factors (light, CO2 and water availability, etc.) along with time course growth and biomass composition. However, our results show the lack of sufficient data ; hence, various kinds of measurements required for more accurate model predictions are proposed. The future model must be able to control and manage the plant growth for human survival knowing the fluxes from other compartments of MELiSSA loop. Further, the approach described here can be used more generically in all kinds of metabolic studies and modeling, especially for studying simultaneous and/or consecutive photosynthetic and respiratory metabolisms.

O copolímero biodegradável poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxihexanoato) P(3HB-co-3HHx) é um polihidroxialcanoato (PHA) que apresenta várias aplicações. A bactéria Burkholderia sacchari acumula P(3HB-co-2mol%3HHx), a partir de glicose e ácido hexanoico. Com o objetivo de obter P(3HB-co-3HHx) com diferentes teores de 3HHx por B. sacchari, foram construídas linhagens recombinantes, contendo genes do operon phaPCJ de Aeromonas spp. Os recombinantes produziram P(3HB-co-3HHx), a partir de ácidos hexanoico, láurico e linoleico, com teores de 3HHx entre 1,88-18 mol%. Experimentos em biorreator com o recombinante, alimentada na fase de acúmulo por glicose 140 g/L e ácido hexanoico entre 0-45 g/L, resultaram copolímeros com composições variando de 0 a 20 mol% de 3HHx. Os copolímeros assim produzidos foram extraídos e analisados quanto às propriedades físicas. A análise de fluxos metabólicos indicou que a produção de PHA pode ser aumentada com mudanças no metabolismo central e deleção/superexpressão de genes. / The biodegradable copolymer poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) P(3HB-co-3HHx) is a polyhydroxyalkanoate (PHA) presenting various applications. The bacterium Burkholderia sacchari accumulated P(3HB-co-2mol%3HHx) from glucose and hexanoic acid. In order to obtain P(3HB-co-3HHx) with different 3HHx amounts by B. sacchari, recombinant strains containing phaPCJ operon genes from Aeromonas spp were constructed. Recombinant strains produced P(3HB-co-3HHx) from hexanoic, lauric and linoleic acids, with contents of 3HHx ranging from 1.88 to 18 mol%. Experiments with the recombinant in bioreactor, fed in the accumulation phase by glucose 140 g.l-1and hexanoic acid 0-45 g.l-1, resulted in copolymers with compositions ranging from 0 to 20 mol% of 3HHx. The copolymers produced were extracted and analyzed for physical properties. The metabolic flux analysis indicated that PHA production can be increased by modifying the central metabolism and deleting/ overexpressing genes.

pH is a key parameter in the optimization of animal cell processes, and has be linked to specific patterns of consumption and production of extracellular metabolites. However, the effect of extracellular pH on intracellular metabolism has not been fully elucidated. Metabolic flux analysis is a mathematical method that can be used to generate the intracellular flux distributions in cells, e.g. as a function of some environmental parameter. In this work, the overall objective was to develop a culture system and experimental protocol for cultivation of CHO cells, which can be used to generate data for analysis of the relationship between extracellular pH and intracellular fluxes in CHO cells by metabolic flux analysis. First, shake-flask culture of an IgG-producing cell line was performed to select an academic and chemically-defined medium with known composition. This was followed by subsequent adaptation of the cells. It was found that the originally selected medium had to be supplemented with a commercial medium to produce acceptable growth and viability. Shake-flask culture was also performed to evaluate the effect of the biological buffer HEPES on cell growth and viability, and the pH-stability during culture. HEPES-concentrations in the investigated range (7.5-45 mM) did not show an apparent effect on cell growth or viability. The higher concentrations gave slightly better buffering capacity at inoculation, however were not sufficient to keep pH stable during culture. As a result, the idea of using shake flask culture and similar techniques for cultivation of cells at various pH set-points was dismissed. Instead, a culture system and protocol based on a 100 mL Spinner flask with pH-regulation was custom-designed for the project. Features of the final design included continuous monitoring of pH and DO, stable temperature at 37 °C, adjustable agitation rate, as well as the option to incorporate inflow of air, O2 and CO2. In addition, the possibility to disconnect the flask unit to perform medium exchange and sample collection away from the reactor site (i.e. in a laminar flow workbench) was integrated into the design and protocol. The system was demonstrated for pseudo-perfusion culture with the adapted IgG-producing cell line at pH 7.0 during 24 days. Optimized regulation settings were identified. It was shown that the system could support viable cell densities of up to 11 MVC/mL and high viability (> 90 %). During the final phase of culture, stable growth, at specific growth rates of approximately 0.7 Day-1, was achieved. The specific rates of consumption and production of the key metabolites glucose, glutamine, lactate and NH4+, as well as 20 amino acids were analyzed. A majority of the rates were in accordance with CHO cell metabolism. The expected consumption of a majority of the essential amino acids and main carbon sources glucose and glutamine were confirmed, as well as the associated production of by-products lactate and NH4+. The system and protocol developed in this work can be used in future experiments to generate data describing metabolic profiles as a function of various pH-set points. This data may then be used in metabolic flux analysis to further elucidate the metabolism behind pH effects in CHO cells. / pH är en viktig parameter i optimeringen av animalcellsprocesser och har sammankopplats med specifika konsumtions- och produktionsmönster rörande extracellulära metaboliter. Det extracellulära pH-värdets effekt på den intracellulära metabolismen är dock inte fullt klarlagd. Metabolisk flux analys är en matematisk metod som kan användas för att generera intracellulära fluxfördelningar i celler, exempelvis som en funktion av någon yttre parameter. Det övergripande målet i detta arbete var att utveckla ett odlingssystem och experimentellt protokoll för odling av CHO-celler som kan användas för att generera data för metabolisk flux analys där målet är att studera effekten av pH på den intracellulära cellmetabolismen. En IgG-producerande CHO-cellslinje odlades först i skakkolv för att välja ut ett akademiskt kemiskt definierat medium med känd sammansättning. Därefter följde försök att anpassa cellerna till det valda mediet. Det visade sig att ett kommersiellt medium behövde tillsättas för att ge godtagbar tillväxt och viabilitet. Effekten av den biologiska bufferten HEPES på cellernas tillväxt och viabilitet, samt pH-stabiliteten under odling, undersöktes också genom odling i skakkolv. HEPES-koncentrationer i det undersökta intervallet (7.5 – 45 mM) hade ingen större effekt på tillväxt och viabilitet. För de högre koncentrationerna var buffertkapaciteten något bättre precis vid inokulering. Dessa koncentrationer var dock ej tillräckliga för att ge stabilt pH under odlingen. Baserat på dessa resultat övergavs tanken på att använda skakkolvsodling för att odla celler vid olika pH-värden. Ett odlingssystem och ett protokoll baserat på en 100 mL Spinnerflaska med pH-reglering specialdesignades istället för projektet. I det färdiga systemet fanns lösningar för kontinuerlig övervakning av pH och DO, stabil temperatur vid 37 °C, justerbar omrörningshastighet, samt valmöjligheten att flöda in luft, O2 och CO2. Dessutom infördes möjligheten att koppla loss flaskenheten från reglersystemet för byte av medium och provtagning. För att demonstrera systemet genomfördes en odling med den anpassade IgG-producerande cellinjen enligt principen för pseudo-perfusion vid pH 7.0. Odlingen pågick under 24 dagar och optimerade reglerinställningar identifierades. Det visades att systemet kunde understödja cellkoncentrationer upp till 11 miljoner celler per milliliter, samt hög viabilitet (> 90 %). Under den senare delen av odlingen uppnåddes stabil tillväxt, vid specifika tillväxthastigheter omkring 0.7 per dygn. Den specifika konsumtions- och produktionshastigheten för metaboliterna glukos, glutamin, laktat och NH4+, samt 20 aminosyror analyserades. Majoriteten av hastigheterna stämde överens med typisk CHO-cellsmetabolism. Den förväntade konsumtionen av majoriteten av de essentiella aminosyrorna och huvudsakliga kolkällorna glukos och glutamin konfirmerades, såväl som den associerade produktionen av bi-produkterna laktat och NH4+. Odlingssystemet och det experimentella protokollet som utvecklades i detta arbete kan användas i framtida experiment för att generera data som beskriver metaboliska profiler som funktion av extracellulärt pH. Dessa data kan sedan användas i metabolisk flux analys för att dra slutsatser om pH-effekter i CHO-celler.

Background Cancer is one of the leading causes of death in Sweden. In order to develop better treatments against cancer we need to better understand it. One area of special interest is cancer metabolism and the metabolic fluxes. As these fluxes cannot be directly measured, modeling is required to determine them. Due to the complexity of cell metabolism, some limitations in the metabolism model are required. As the TCA-cycle (TriCarboxylic Acid cycle) is one of the most important parts of cell metabolism, it was chosen as a starting point. The primary goal of this project has been to evaluate the previously constructed TCA-cycle model. The first step of the evaluation was to determine the CI (Confidence Interval) of the model parameters, to determine the parameters’ identifiability. The second step was to validate the model to see if the model could predict data for which the model had not been trained for. The last step of the evaluation was to determine the uncertainty of the model simulation. Method The TCA-cycle model was created using Isotopicaly labeled data and EMUs (ElementaryMetabolic Units) in OpenFlux, an open source toolbox. The CIs of the TCA-cycle model parameters were determined using both OpenFlux’s inbuilt functionality for it as well as using amethod called PL (Profile Likelihood). The model validation was done using a leave one out method. In conjunction with using the leave on out method, a method called PPL (Prediction Profile Likelihood) was used to determine the CIs of the TCA-cycle model simulation. Results and Discussion Using PL to determine CIs had mixed success. The failures of PL are most likely caused by poor choice of settings. However, in the cases in which PL succeeded it gave comparable results to those of OpenFLux. However, the settings in OpenFlux are important, and the wrong settings can severely underestimate the confidence intervals. The confidence intervals from OpenFlux suggests that approximately 30% of the model parameters are identifiable. Results from the validation says that the model is able to predict certain parts of the data for which it has not been trained. The results from the PPL yields a small confidence interval of the simulation. These two results regarding the model simulation suggests that even though the identifiability of the parameters could be better, that the model structure as a whole is sound. Conclusion The majority of the model parameters in the TCA-cycle model are not identifiable, which is something future studies needs to address. However, the model is able to to predict data for which it has not been trained and the model has low simulation uncertainty.

Die zunehmende Ausbreitung des Usutu-Virus in Europa als Ursache für fatale Ausbruchsgeschehen innerhalb der Avifauna, insbesondere unter Sperlingsvögeln (Passeriformes) und Eulenartigen (Strigiformes), stellt in Zusammenhang mit einem neuroinvasiven sowie zoonotischen Potential ein Risiko für die Veterinär- sowie Humanmedizin dar. Trotz dieser Relevanz stehen derzeit keine zugelassenen Therapeutika gegen eine Usutu-Virus-Infektion zur Verfügung. Auf Basis indikationsfremder Substanzen mit pharmakologischer Zulassung im Sinne des drug repositioning sowie auf Grundlage der Gegenregulation viral-induzierter Modulationen des Zellmetabolismus wurde die Identifikation antiviraler Therapieoptionen gegen das Usutu-Virus in vitro angestrebt.:Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Das Usutu-Virus 2.1.1 Ursprung, Klassifikation und Epidemiologie 2.1.1 Transmissionszyklus und Wirtstropismus 2.1.2 Aufbau des Virions und des Genoms 2.1.3 Veterinärmedizinische Relevanz und pathologische Ausprägung 2.1.4 Humanmedizinische Bedeutung als Zoonose-Erreger 2.1.5 Vergleichende Aspekte zum West-Nil-Virus 2.2 Antivirale Präventions- und Therapieoptionen 2.2.1 Möglichkeiten und Grenzen der Immunprophylaxe 2.2.2 Pharmaka mit potentiell antiviraler Wirkung gegen Flaviviren 2.2.3 Identifizierte Substanzen gegen das Usutu-Virus 2.3 Zelluläre Systeme als antivirale Zielobjekte 2.3.1 Das Interferon-System und seine antivirale Schutzfunktion 2.3.2 Viral-induzierte Modulation des Wirtszellmetabolismus 3 Zielstellungen der Dissertation 4 Material 4.1 Zelllinien 4.2 Viruslinien 4.3 Zellkulturmedien 4.4 Pharmakologische und andere Substanzen 4.5 Chemikalien 4.6 Lösungen und Puffer 4.7 Antikörper 4.8 Reagenzien und Kit-Systeme 4.9 Enzyme und Nukleotide 4.10 Primer 4.11 Verbrauchsmaterialen 4.12 Geräte 4.13 Datenbanken und Software 5 Methodik 5.1 Zellkultivierungstechnik und PBMC-Isolation 5.2 Isolation von Usutu-Virus-Linien aus Gewebeproben in Zellkultur 5.2.1 Aufbereitung aviären Organmaterials 5.2.2 Typisierung von in Deutschland zirkulierenden Usutu-Virus-Linien (2019, 2020) 5.2.3 Virusanzucht in verschiedenen Zellkulturen zur Virusstock-Generierung 5.3 Quantifizierung des extrazellulären Virustiters 5.4 Immunfluoreszenzanalyse 5.5 Präparation pharmakologischer und anderer Substanzen 5.6 Infektionsansätze mit dem Usutu-Virus und WNV 5.7 Durchflusszytometrische Analyse 5.8 Zytotoxizitätsstudien 5.9 Extrazelluläre Fluxanalyse mittels Agilent Seahorse XF-Technologie 5.10 Statistische Analyse 6 Ergebnisse 6.1 Isolation des Usutu-Virus in Zellkultur 6.2 Replikationsdynamik des Usutu-Virus in verschiedenen Zelllinien 6.3 Pharmakologisches Screening zur antiviralen Wirksamkeit gegen das Usutu-Virus 6.4 Identifikation und Charakterisierung der antiviralen Eigenschaften von Ivermectin 6.5 Wirkung von Ivermectin gegen Linie 2 des West-Nil-Virus in einer aviären Zelllinie 6.6 Metabolischer Phänotyp Usutu-Virus-infizierter Zelllinien 6.7 Antivirale Inhibition der Glykolyse durch 2-Deoxy-D-Glukose 6.8 Einfluss von exogenem Interferon auf den Wirtszellmetabolismus unter Infektion 6.9 Auswirkung der Interferon-Rezeptor-Defizienz auf den Metabolismus unter Infektion 7 Diskussion 7.1 Typisierung und Isolation des Usutu-Virus in Zellkultur 7.2 Charakterisierung der zelltypspezifischen Permissivität und Replikationskinetik 7.3 Identifikation antiviral wirksamer Substanzen gegen das Usutu-Virus 7.4 Usutu-Virus-induzierte Modulation des Metabolismus als antiviraler Ansatz 8 Ausblick 9 Zusammenfassung 10 Summary 11 Literaturverzeichnis 12 Anhang 12.1 Zusatzmaterial 12.2 Publikation 1 12.3 Publikation 2 12.4 Publikation 3 12.5 Weitere Veröffentlichungen 13 Danksagung / The emerge of Usutu virus (USUV) in Europe as a causative agent of fatal outbreaks in avifauna, notably in Passeriformes and Strigiformes, as well as its neuroinvasive and zoonotic potential emphasize a considerable risk in veterinary and human medicine. Despite its relevance, recently, no approved drugs against USUV infections are available. The identification of antiviral therapeutic options against USUV in vitro was addressed based on the analysis of approved drugs of other medical indications in terms of drug repositioning and the counteraction of viral-induced alterations of the cellular metabolism.:Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Das Usutu-Virus 2.1.1 Ursprung, Klassifikation und Epidemiologie 2.1.1 Transmissionszyklus und Wirtstropismus 2.1.2 Aufbau des Virions und des Genoms 2.1.3 Veterinärmedizinische Relevanz und pathologische Ausprägung 2.1.4 Humanmedizinische Bedeutung als Zoonose-Erreger 2.1.5 Vergleichende Aspekte zum West-Nil-Virus 2.2 Antivirale Präventions- und Therapieoptionen 2.2.1 Möglichkeiten und Grenzen der Immunprophylaxe 2.2.2 Pharmaka mit potentiell antiviraler Wirkung gegen Flaviviren 2.2.3 Identifizierte Substanzen gegen das Usutu-Virus 2.3 Zelluläre Systeme als antivirale Zielobjekte 2.3.1 Das Interferon-System und seine antivirale Schutzfunktion 2.3.2 Viral-induzierte Modulation des Wirtszellmetabolismus 3 Zielstellungen der Dissertation 4 Material 4.1 Zelllinien 4.2 Viruslinien 4.3 Zellkulturmedien 4.4 Pharmakologische und andere Substanzen 4.5 Chemikalien 4.6 Lösungen und Puffer 4.7 Antikörper 4.8 Reagenzien und Kit-Systeme 4.9 Enzyme und Nukleotide 4.10 Primer 4.11 Verbrauchsmaterialen 4.12 Geräte 4.13 Datenbanken und Software 5 Methodik 5.1 Zellkultivierungstechnik und PBMC-Isolation 5.2 Isolation von Usutu-Virus-Linien aus Gewebeproben in Zellkultur 5.2.1 Aufbereitung aviären Organmaterials 5.2.2 Typisierung von in Deutschland zirkulierenden Usutu-Virus-Linien (2019, 2020) 5.2.3 Virusanzucht in verschiedenen Zellkulturen zur Virusstock-Generierung 5.3 Quantifizierung des extrazellulären Virustiters 5.4 Immunfluoreszenzanalyse 5.5 Präparation pharmakologischer und anderer Substanzen 5.6 Infektionsansätze mit dem Usutu-Virus und WNV 5.7 Durchflusszytometrische Analyse 5.8 Zytotoxizitätsstudien 5.9 Extrazelluläre Fluxanalyse mittels Agilent Seahorse XF-Technologie 5.10 Statistische Analyse 6 Ergebnisse 6.1 Isolation des Usutu-Virus in Zellkultur 6.2 Replikationsdynamik des Usutu-Virus in verschiedenen Zelllinien 6.3 Pharmakologisches Screening zur antiviralen Wirksamkeit gegen das Usutu-Virus 6.4 Identifikation und Charakterisierung der antiviralen Eigenschaften von Ivermectin 6.5 Wirkung von Ivermectin gegen Linie 2 des West-Nil-Virus in einer aviären Zelllinie 6.6 Metabolischer Phänotyp Usutu-Virus-infizierter Zelllinien 6.7 Antivirale Inhibition der Glykolyse durch 2-Deoxy-D-Glukose 6.8 Einfluss von exogenem Interferon auf den Wirtszellmetabolismus unter Infektion 6.9 Auswirkung der Interferon-Rezeptor-Defizienz auf den Metabolismus unter Infektion 7 Diskussion 7.1 Typisierung und Isolation des Usutu-Virus in Zellkultur 7.2 Charakterisierung der zelltypspezifischen Permissivität und Replikationskinetik 7.3 Identifikation antiviral wirksamer Substanzen gegen das Usutu-Virus 7.4 Usutu-Virus-induzierte Modulation des Metabolismus als antiviraler Ansatz 8 Ausblick 9 Zusammenfassung 10 Summary 11 Literaturverzeichnis 12 Anhang 12.1 Zusatzmaterial 12.2 Publikation 1 12.3 Publikation 2 12.4 Publikation 3 12.5 Weitere Veröffentlichungen 13 Danksagung

The aim of this thesis was to develop stable-isotope steady-state metabolic flux analysis (MFA) based on ¹³C labeling to quantify intracellular fluxes of central carbon metabolism in plants. The experiments focus on the analysis of a heterotrophic cell suspension culture of Arabidopsis thaliana (L) Heynh. (ecotype Landsberg erecta). The first objective was to develop a robust methodology based on combining high quality steady-state stable labeling data, metabolic modeling and computational analysis. A comprehensive analysis of the factors that influence the outcome of MFA was undertaken and best practice established. This allowed a critical analysis of the subcellular compartmentation of carbohydrate oxidation in the cell culture. The second objective was to apply the methodology to nutritional perturbations of the cell suspension. A comparison of growth on different nitrogen sources revealed that transfer to an ammonium-free medium: (i) increased flux through the oxidative pentose phosphate pathway (oxPPP) by 10% relative to glucose utilisation; (ii) caused a substantial decrease in entry of carbon into the tricarboxylic acid cycle (TCA); and (iii) increased the carbon conversion efficiency from 55% to 69%. Although growth on nitrate alone might be expected to increase the demand for reductant, the cells responded by decreasing the assimilation of inorganic N. Cells were also grown in media containing different levels of inorganic phosphate (Pi). Comparison of the flux maps showed that decreasing Pi availability: (i) decreased flux through the oxPPP; (ii) increased the proportion of substrate fully oxidised by the TCA cycle; and (iii) decreased carbon conversion efficiency. These changes are consistent with redirection of metabolism away from biosynthesis towards cell maintenance as Pi is depleted. Although published genome-wide transcriptomic and metabolomic studies suggest that Pi starvation leads to the restructuring of carbon and nitrogen metabolism, the current analysis suggests that the impact on metabolic organisation is much less extreme.

L’acétyl-coA occupe une place centrale dans le métabolisme intermédiaire. Il constitue le point de jonction de plusieurs voies métaboliques telles que la .-oxydation, la glycolyse, le catabolisme de certains acides aminés, la cétolyse, la cétogenèse et la synthèse d’acides gras. Il est également impliqué dans d’autres processus tels que l’acétylation des protéines. Au cours de mon travail de thèse, je me suis attachée à étudier différents aspects du métabolisme de l’acétyl-coA. La première partie de mon travail a porté sur la modulation pharmacologique de la .- oxydation dans le but de corriger des déficits de cette voie métabolique. L’intérêt de traitements par 400µM de bézafibrate ou 75µM de resvératrol dans les formes modérées de déficit en VLCAD et en CPT2 avait été montré précédemment. Par des méthodes de référence et grâce à la mise au point de nouvelles techniques, j’ai pu montrer sur des fibroblastes de patients déficitaires en LCHAD que des traitements par une combinaison de 35µM de bézafibrate et 30µM de resvératrol permettent d’augmenter les capacités d’oxydation du palmitate en stimulant la synthèse protéique. L’effet de cette combinaison était comparable à celui d’un traitement par 400µM de bézafibrate. Dans un second temps, je me suis intéressée à deux cofacteurs impliqués dans le métabolisme de l’acétyl-coA : l’acide lipoïque, cofacteur de quatre .-cétoacides déshydrogénases (PDHc, BCKDHc, .- KGDHc et GCS) et la riboflavine, cofacteur d’acyl-coA déshydrogénases de la .-oxydation et de déshydrogénases impliquées dans le catabolisme des acides aminés ramifiés. Ainsi, j’ai participé à la description d’anomalies du métabolisme de l’acide lipoïque, un nouveau groupe de maladies héréditaires du métabolisme caractérisé par un déficit combiné en .-cétoacides déshydrogénases. Par ailleurs, j’ai pu montrer qu’une hyperprolinémie constitue un biomarqueur intéressant pour le diagnostic d’acidurie glutarique de type II primaire ou secondaire, ces dernières pouvant se rencontrer en cas d’anomalie du métabolisme de la riboflavine. J’ai également évalué l’utilisation d’un mélange racémique de L,D-3-hydroxybutyrate afin de corriger les déficits énergétiques induits par un déficit en PDHc ou GLUT1. Via la cétolyse, le L,D-3- hydroxybutyrate génère de l’acétyl-coA. De façon surprenante, l’administration de ce composé s’est traduite par une amélioration de l’état clinique des patients atteints de déficits en PDHc, alors qu’une dégradation a été observée chez les patients atteints de déficits en GLUT1. Cette évolution différente pourrait souligner l’importance de l’anaplérose chez les patients déficitaires en GLUT1. Enfin, la dernière partie de mon travail de thèse porte sur la description d’un patient atteint d’une forme modérée de déficit en pyruvate carboxylase, cette enzyme étant régulée par l’acétyl-coA. Les difficultés diagnostiques rencontrées devant ces formes modérées sont rapportées, ainsi que des essais de traitement par des composés anaplérotiques et par le bézafibrate, malheureusement sans bénéfice net que ce soit in vitro ou in vivo. En conclusion, le métabolisme de l’acétyl-coA est altéré dans de nombreuses maladies héréditaires du métabolisme, dont certaines sont de description récente. Il peut être modulé par différentes approches pharmacologiques. Le développement de nouvelles techniques et notamment les analyses de flux métaboliques fournissent des outils utiles à son exploration et à l’étude de nouveaux traitements. / Acetyl-CoA is crucial for intermediary metabolism. It is at the crossroad of several metabolic pathways such as beta-oxidation, glycolysis, aminoacid catabolism, ketolysis, and fatty acid synthesis. It is also involved in other processes such as protein acetylation. In this document I studied different aspects of acetyl-CoA metabolism. First, I tried to correct fatty acid oxidation defects through pharmacological approach. Thanks to well- known methods and new ones, I showed that a combination of 30µM resveratrol and 35µM bezafibrate increased fatty acid oxidation capacities by increasing protein synthesis, as well as 400µM bezafibrate. Acetyl-CoA metabolism is also altered due to cofactors defects such as lipoic acid or riboflavine deficiency. I was involved in new diseases description and research for new biomarkers in this context. PDHc and GLUT1 deficiency are two different diseases with the same consequence : a defect in acetyl- CoA production from glucose. In order to improve patients’ quality of life, I evaluated the substitution of ketogenic diet with a racemic mix of L,D-3-hydroxybutyrate in PDHc and GLUT1 deficiency. The clinical evolution of patients was strikingly different, with an improvement in PDHc patients, whereas a degradation was noticed in GLUT1 patients. This difference might underline the role of anaplerosis in GLUT1 deficiency. Finally, I evaluated anaplerotic treatment and bezafibrate treatment in pyruvate carboxylase deficiency, an enzyme allosterically regulated by acetyl-CoA. To conclude, acetyl-CoA metabolism is altered in numerous inherited errors of metabolism, some of them being recently described. It can be modulated by pharmacological approaches. The development of new techniques such as metabolic flux analysis are useful for its study and for new treatments evaluation.

Inositolpolyphosphate (InsPs) bilden eine ubiquitäre Gruppe an hochphosphorylierten, intrazellulären Signalmolekülen in eukaryotischen Zellen. Trotz deren Beteiligung an unzähligen biologischen Prozessen bleibt die Detektion von InsPs (insb. einzelner Enantiomere) eine Herausforderung, da die momentan verfügbaren Analysemethoden immer noch limitiert sind. In der vorliegenden Arbeit wird die stabile Isotopenmarkierung von myo-Inositol (Ins) und InsPs in Kombination mit Kernspinresonanzspektroskopie (engl. Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR) erkundet, um diese Lücke zu schließen. Die Abhängigkeit von NMR-Daten und chemischer Struktur erlaubte die Analyse komplexer Mixturen aus InsPs aus in vitro-Experimenten und biologischen Proben. Durch stereospezifische 13C-Markierung konnten sogar Enantiomere voneinander unterschieden werden. Mit Hilfe dieser Methode wurden mehrere InsP-Stoffwechselwege untersucht. Als Erstes wurde das menschliche, Phytase-artige Enzym MINPP1 (engl. Multiple Inositol Polyphosphate Phosphatase 1) detailliert in vitro und in lebenden Zellen charakterisiert. Dabei wurde ein bisher unbeschriebener InsP-Stoffwechselweg in menschlichen Zellen erstmals beschrieben. Als Zweites wurden InsP verdauende Bakterien aus der menschlichen Darmflora untersucht, sodass der Abbauweg von Inositolhexakisphosphat beleuchtet werden konnte. Als Drittes wurden DUSP-Enzyme (engl. Dual-Specificity Phosphatases) identifiziert und in vitro charakterisiert, die in der Lage sind, die Phosphoanhydrid-Bindung von Inositolpyrophosphaten (PP-InsPs) zu spalten. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass 13C-Markierung in Verbindung mit NMR ein mächtiges Werkzeug darstellt, um InsP-Stoffwechselvorgänge zu untersuchen. / Inositol polyphosphates (InsPs) comprise a ubiquitous group of densely phosphorylated intracellular messengers in eukaryotic cells. Despite their contributions to a myriad of biological processes the detection of InsPs remains challenging to this day, especially with regards to differentiating enantiomers, as the available analytical toolset is still limited. In this thesis the use of stable isotope labelling of myo-inositol (Ins) and InsPs is explored to address this shortcoming. Combining 13C-labelling and nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) provides both enhanced sensitivity and makes use of NMR’s strong structure-data dependency. This enabled the deconvolution of complex mixtures of InsPs from in vitro experiments or biological samples. With stereo-specific 13C-labels InsP mixtures could be resolved to individual enantiomers. Using this technique several InsP metabolic pathways were examined. Firstly, the human phytase-like enzyme Multiple Inositol Polyphosphate Phosphatase (MINPP1) was characterized in depth in vitro and in living cells, establishing a hitherto undescribed inositol polyphosphate metabolic path in humans. Secondly, inositol phosphate digesting bacteria isolated from the human gut microbiome were investigated, shedding light on the metabolic fate of inositol hexakisphosphate in the digestive track. Thirdly, a set of Dual-Specificity Phosphatases (DUSPs) were identified to be able to hydrolyze the phosphoanhydride bond of inositol pyrophosphates (PP-InsPs) and characterized in vitro. The 13C-labelling approach of InsPs in junction with NMR represents a powerful tool for the study of inositol polyphosphate metabolism. In the thesis at hand, this method has facilitated our understanding of inositol polyphosphate pathways and it will be continuing doing so in the future in several biological contexts.