Le fer est un cofacteur enzymatique indispensable à la survie de tous les eucaryotes. La biodisponibilité du fer est à ce point critique que des mécanismes homéostatiques sont enclenchés afin d'en réduire la consommation en période de carence. Cette stratégie a pour but d'économiser le fer et de le conserver pour des processus cellulaires fer-dépendants essentiels à la survie cellulaire. Chez la majorité des eucaryotes, la nature de ces mécanismes est toujours inconnue. Mes travaux de doctorat ont donc porté sur l'élucidation du mécanisme par lequel la levure modèle Schizosaccharomyces pombe parvient à limiter l'utilisation de son fer lorsque celui-ci se raréfie. Lors de mes travaux, j'ai identifié trois gènes codant pour des composantes fer-dépendantes chez S. pombe qui subissent une répression lors d'une carence en fer : pcl1[indice supérieur +], sdh4[indice supérieur +] et isa1[indice supérieur +]. Il a été déterminé que des éléments en cis de type CCAAT sont au centre de leur expression différentielle. Des évidences génétiques et biochimiques ont montré qu'un hétérocomplexe protéique formé des sous-unités Php2/3/4/5 est impliqué dans la régulation fer-dépendante de la transcription de pcl1[indice supérieur +], sdh4[indice supérieur +] et isa1[indice supérieur +]. Plus précisément, c'est la sous-unité Php4 qui est responsable de la répression de leur expression en carence de fer. Il s'avère aussi que la transcription du gène codant pour Php4 (php4[indice supérieur +]) est elle-même régulée par le statut en fer. Il a d'ailleurs été démontré que le facteur de transcription de type GATA Fep1 réprime l'expression de php4[indice supérieur +] en présence de fer, et ce, en s'associant à son promoteur de manière fer-dépendante. Une étude à large spectre à l'aide de micropuces à ADN a révélé que, lors d'une carence en fer, Php4 réprime la transcription d'un régulon composé de 86 gènes, dont la majorité codent pour des protéines fer-dépendantes ou des composantes impliquées dans l'homéostasie du fer. Parmi ceux-ci se trouve le gène codant pour le répresseur Fep1 (fep1[indice supérieur +]). Cette découverte a mis au jour une boucle de régulation réciproque entre les facteurs de transcription Fep1 et Php4. La capacité de Php4 à réprimer directement la transcription a été confirmée par des essais de type simple-hybride. Ces essais ont également démontré que la fonction de Php4 est inactivée post-traductionnellement en présence d'ions de fer. Php4 est donc un régulateur transcriptionnel capable de jauger les niveaux de fer intracellulaires. L'étude de la régulation de la fonction de Php4 par le fer a permis de découvrir que le répresseur Php4 se localise au noyau lors d'une déficience en fer, tandis qu'il est exporté vers le cytosol par l'exportine Crm1 en présence de fer. Cet exportation nucléaire fer-dépendante implique la glutarédoxine Grx4. L'action inhibitrice de Grx4 sur la fonction de Php4 ne se limite pas à la régulation de sa localisation cellulaire. J'ai pu démontrer qu'en présence de fer, l'activité transcriptionnelle de Php4 est directement inhibée au noyau par Grx4. Cette régulation de Php4 par Grx4 s'avère directe étant donné l'association de ces deux protéines in vivo chez S. pombe. En conclusion, j'ai découvert que le répresseur Php4 est un élément central de la régulation de l'utilisation du fer chez la levure fissipare S. pombe . La découverte du rôle de Grx4 dans la régulation post-traductionnelle de Php4 pave la voie à l'élucidation d'un sentier signalétique par lequel une cellule eucaryote communique son statut en fer à ses régulateurs homéostatiques. La biodisponibilité du fer étant un facteur de virulence majeur chez les levures pathogènes, l'acquisition de nouvelles connaissances quant à la régulation de l'homéostasie du fer chez les mycètes devient cruciale pour le développement de nouveaux agents antifongiques.

L'objectif de mes travaux de doctorat était d'approfondir les connaissances sur le mode d'action du répresseur transcriptionnel Fep1 et de découvrir les mécanismes posttraductionnels par lesquels son activité serait régulée. Mes travaux ont été entrepris dans un contexte génétique php4[delta], où la régulation Php4-dépendante a été abolie. Ceci a permis d'exprimer Fep1 constitutivement et par conséquent d'étudier les effets directs du fer sur la protéine en la découplant de sa régulation transcriptionnelle par Php4. Dans le but de mieux caractériser la fonction de liaison à l'ADN de Fep1 dans un contexte in vivo, j'ai procédé par une approche d'immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Grace à une protéine de fusion TAP-Fep1, j'ai démontré que Fep1 s'associe à la chromatine de manière fer-dépendante. En utilisant différentes versions mutantes de la protéine TAP-Fep1, j'ai démontré que la région N-terminale de Fep1 est requise pour la liaison à la chromatine, cette région couvrant les 241 premiers acides aminés. Le rôle de la région C-terminale serait d'assurer la répression transcriptionnelle des gènes cibles étant donné qu'elle s'associe avec les corépresseurs Tup. Au niveau de la région N-terminale de Fep1, plusieurs motifs sont nécessaires pour une liaison optimale de Fep1 à la chromatine, notamment, deux doigts de zinc (ZF1 et ZF2) et une région riche en résidus cystéines (CRD). Lorsque la région 1-241 est fusionnée au domaine VP16 de transactivation, cette nouvelle protéine agit comme un activateur fer-dépendant, ce qui suggère que le domaine de liaison à la chromatine de Fep1 agit de façon modulaire et ce, indépendamment de la région C-terminale de la protéine. Afin d'élucider le mécanisme post-traductionnel impliqué dans l'inactivation de Fep1 en situation de carence de fer, j'ai procédé par une approche génétique. Grâce à une délétion du gène qui code pour la monothiolglutarédoxine Grx4, j'ai pu démontrer son rôle dans l'inactivation de Fep1 en réponse à la carence en fer. En effet, dans une souche grx4A, Fep1 agit comme un répresseur transcriptionnel constitutif. J'ai pu démontrer que la présence de Grx4 est nécessaire pour assurer le relargage de Fep1 de la chromatine en réponse à la carence en fer. La monothiolglutarédoxine, Grx4, est caractérisée par la présence de deux domaines fonctionnels: un domaine en N-terminal appelé thiorédoxine (TRX) et un domaine C-terminal appelé glutarédoxine (GRX). L'étude d'interaction de Fep1 avec Grx4 a révélé que le domaine TRX interagit avec la région C-terminale de Fep1 et ce, de manière constitutive. Par contre, le domaine GRX de Grx4 s'associe avec la région N-terminale de Fep1 et ce, d'une manière fer-dépendante. De plus, dans une souche grx4[delta], le domaine GRX s'est révélé être nécessaire à la fonction d'inhibition de Fep1 en réponse à la carence en fer. Le régulateur Fep1 possède plusieurs homologues fonctionnels potentiels chez les levures filamenteuses pathogènes, notamment Sfu1 chez Candida albicans. Grâce à l'expression de la protéine Sfu1 dans une souche fep1[delta], nous avons révélé le haut degré de conservation entre ces deux facteurs de transcription. En effet, l'expression hétérologue de Sfu1 dans S. pombe restaure tous les phénotypes observés suite à l'inactivation du gène fep1[indice supérieur +]. En conclusion, durant mes travaux de doctorat, j'ai caractérisé des déterminants moléculaires qui dictent la fonction du répresseur transcriptionnel Fep1. Ainsi, j'ai déterminé des régions nécessaires de Fep1 qui assurent sa liaison à la chromatine. J'ai aussi identifié un nouveau mécanisme de régulation post-traductionnelle de Fep1 faisant intervenir la monothiolglutarédoxine Grx4. De plus, j'ai démontré le potentiel qu'offre la compréhension des mécanismes de régulation de l'homéostasie du fer chez la levure à fission, puisque ce modèle peut être transposé jusqu'à un certain degré aux autres levures pathogènes, notamment, C. albicans. Enfin, étant donné l'importance de l'assimilation du fer pour le pouvoir infectieux de plusieurs levures pathogènes, il devient évident que les modes de régulation de l'acquisition du fer doivent être élucidés afin de contrer les levures pathogènes"--Résumé abrégé par UMI

Les travaux de cette thèse portent principalement sur le développement d'une méthodologie pour la modélisation de systèmes biologiques. Cette méthodologie, basée sur une modélisation en équations différentielles, intègre aussi bien des méthodes formelles (solveur sur intervalles, solveur de formules STL), qu'analytiques (calcul de stabilité d'état stationnaire) ou numériques (algorithme d'optimisation, analyses statistiques). Elle permet l'intégration de différents types de données, telles la réponse comportementale à une perturbation ou des données quantitatives (demie-vie, concentrations). En collaboration avec une équipe de biologistes, cette méthodologie est appliquée, avec succès, au système de l'homéostasie du fer : nous étudions la réponse intracellulaire du système, via des protéines régulatrices spécifiques (protéines IRP), face à une situation de carence en fer. Un résultat majeur de cette étude est l'amélioration des connaissances sur la concentration de fer intracellulaire nécessaire à la prolifération des cellules : cette concentration est mise en avant par l'étude du modèle, puis est confirmée expérimentalement.Le deuxième volet de ces travaux portent sur le développement d'un outil pour la modélisation de réseaux de gènes avec le formalisme des réseaux de Thomas. Cet outil, développé en ASP (Answer Set Programming), permet l'intégration de différents types de données telles des données sur des mutants ou l'existence de différents états stationnaires. Cet outil permet d'éviter automatiquement l'incohérence en cas de contradiction entre différentes hypothèses sur le système. Il permet également l'inférence de propriétés biologiques telles que l'ordre entre paramètres cinétiques. / The major part of this PhD consists in the creation of a methodology to model biological systems. This methodology considers models based on differential equations, and uses formal methods (interval solver, verification of STL formula), analytical methods (study of stability) and numerical methods (optimization algorithm, statistical analysis). Moreover, many kind of data, like behavioral response to perturbation, or quantitative data (metabolite half-life and concentration) can be incorporated. In collaboration with a biologist team, this methodology is successfully applied to the iron homeostasis network : we study the response of the system to an iron depletion, at the intracellular level, based on specific regulatory proteins (IRP proteins). A major output of this study is insight into the level of iron cells need to proliferate : this concentration is pointed out by the study of the model, and is experimentally validated.The second part of the PhD is the creation of a tool to model genetic regulatory networks, using Thomas' formalism. This tool, developed using ASP (Answer Set Programming) programming language, can integrate many kind of data, like mutation data, or the existence of many steady states. It automatically avoids inconsistency in case of contradiction between different hypotheses. It also infers biological properties such as relationships between kinetic parameters.

Les travaux de cette thèse portent principalement sur le développement d'une méthodologie pour la modélisation de systèmes biologiques. Cette méthodologie, basée sur une modélisation en équations différentielles, intègre aussi bien des méthodes formelles (solveur sur intervalles, solveur de formules STL), qu'analytiques (calcul de stabilité d'état stationnaire) ou numériques (algorithme d'optimisation, analyses statistiques). Elle permet l'intégration de différents types de données, telles la réponse comportementale à une perturbation ou des données quantitatives (demie-vie, concentrations). En collaboration avec une équipe de biologistes, cette méthodologie est appliquée, avec succès, au système de l'homéostasie du fer : nous étudions la réponse intracellulaire du système, via des protéines régulatrices spécifiques (protéines IRP), face à une situation de carence en fer. Un résultat majeur de cette étude est l'amélioration des connaissances sur la concentration de fer intracellulaire nécessaire à la prolifération des cellules : cette concentration est mise en avant par l'étude du modèle, puis est confirmée expérimentalement.Le deuxième volet de ces travaux portent sur le développement d'un outil pour la modélisation de réseaux de gènes avec le formalisme des réseaux de Thomas. Cet outil, développé en ASP (Answer Set Programming), permet l'intégration de différents types de données telles des données sur des mutants ou l'existence de différents états stationnaires. Cet outil permet d'éviter automatiquement l'incohérence en cas de contradiction entre différentes hypothèses sur le système. Il permet également l'inférence de propriétés biologiques telles que l'ordre entre paramètres cinétiques. / The major part of this PhD consists in the creation of a methodology to model biological systems. This methodology considers models based on differential equations, and uses formal methods (interval solver, verification of STL formula), analytical methods (study of stability) and numerical methods (optimization algorithm, statistical analysis). Moreover, many kind of data, like behavioral response to perturbation, or quantitative data (metabolite half-life and concentration) can be incorporated. In collaboration with a biologist team, this methodology is successfully applied to the iron homeostasis network : we study the response of the system to an iron depletion, at the intracellular level, based on specific regulatory proteins (IRP proteins). A major output of this study is insight into the level of iron cells need to proliferate : this concentration is pointed out by the study of the model, and is experimentally validated.The second part of the PhD is the creation of a tool to model genetic regulatory networks, using Thomas' formalism. This tool, developed using ASP (Answer Set Programming) programming language, can integrate many kind of data, like mutation data, or the existence of many steady states. It automatically avoids inconsistency in case of contradiction between different hypotheses. It also infers biological properties such as relationships between kinetic parameters.

L’homéostasie du fer est régulée par l’hepcidine, peptide hyposidérémiant d’origine essentiellement hépatique, qui agit par inhibition de l’absorption intestinale du fer et de son recyclage par les macrophages. Ce travail propose de mettre en évidence l’intérêt d’une approche du rôle et de la régulation de l’hepcidine en pathologie, à partir de sa quantification dans la circulation. Après une mise point du dosage par spectrométrie de masse en tandem et une validation dans des modèles pathologiques chez l’homme et la souris, nous avons étudié les anomalies du métabolisme du fer dans plusieurs pathologies. Dans un modèle murin d’obésité, nous avons montré qu’une augmentation de l’hepcidine circulante due à la contribution du tissu adipeux permet d’expliquer les phénotypes décrits chez l’homme, une carence martiale et/ou une surcharge en fer, tout en ouvrant la perspective d’une nouvelle voie de régulation. Cependant une diminution de l’absorption intestinale en fer serait en partie indépendante de l’hepcidine. Chez des patients atteints de maladie de Gaucher, l’absence de modulation de l’hepcidine sérique, malgré une hyperferritinémie fréquemment observée, a révélé une séquestration locale de fer. Enfin, la variation des taux d’hepcidine sérique dans un modèle murin d’hémolyse chronique selon le fond génétique a permis d’illustrer l’impact de l’hepcidine circulante sur le phénotype de surcharge martiale. Au travers de ces différentes applications nous avons montré comment la quantification de l’hepcidine sérique peut aider à la compréhension d’anomalies de l’homéostasie du fer chez l’homme et l’animal. / Iron homeostasis is regulated by hepcidin, a negative iron regulator peptide, mainly produced by hepatocytes, which acts by inhibiting the intestinal iron absorption and its recycling by macrophages. This work proposes to highlight the interest of approach to the role and regulation of hepcidin in pathology, from its quantification in blood. After developing a tandem mass spectrometry assay and validating it in human and mice disease patterns, we studied iron metabolism disorders in several pathologies. In a mouse model of obesity, we showed that an increase of circulating hepcidin due to the adipose tissue contribution helps explaining phenotypes described in humans, iron deficiency and / or iron overload, while opening the prospect of a new regulatory pathway. However a decrease in intestinal iron absorption is partly independent of hepcidin. In Gaucher disease patients, the absence of modulation in serum hepcidin despite frequently high ferritinemia observed, revealed a local iron sequestration. Finally, the change in serum hepcidin levels in a chronic hemolysis mouse model, according to the genetic background, has illustrated the impact of circulating hepcidin on iron overload phenotype. Through these different applications we showed how quantification of serum hepcidin may help understanding iron homeostasis abnormalities in humans and animals.

De nombreux processus métaboliques nécessitent la présence de fer en tant que cofacteur. Paradoxalement, la surabondance en fer peut contribuer à la formation de dérivés oxygénés hautement réactifs qui sont toxiques pour la cellule. Ceci fait en sorte que sa concentration intracellulaire doit être finement régulée. Chez la levure à fission, Schizosaccharomyces pombe, plusieurs mécanismes participent à l'établissement de l'homéostasie du fer. Parmi ces mécanismes, on y retrouve des protéines de transport du fer à la surface cellulaire, ainsi que d'autres responsables de la séquestration de l'ion à l'intérieur de la vacuole. Un rôle pour la vacuole consiste à emmagasiner le fer afin de détoxifier la cellule s'il est trop abondant. Du même coup, la vacuole sert de réservoir qui pourra redonner le fer plus tard à la cellule si cette dernière croît en condition de rareté pour cet élément. La voie par laquelle le fer peut ressortir de la vacuole n'a cependant pas encore été identifiée. L'objectif de cette étude est d'identifier le transporteur responsable du relâchement du fer de la vacuole vers le compartiment cytosolique. Nos recherches ont permis d'identifier un candidat, un transporteur transmembranaire de type ABC (ATP binding cassette) nommé Abc3, dont l'expression augmente de 16.9 fois en carence de fer selon des études comparatives par biopuces à ADN. Tout d'abord, l'étude de la régulation du gène abc3[indice supérieur +] a été effectuée selon la présence ou non de fer dans le milieu de culture. L'expression du gène abc3[indice supérieur +] a été comparée avec d'autres gènes codant pour d'autres protéines de la même famille. Seul le gène abc3[indice supérieur +] a montré une expression variant selon le statut en fer. Il est réprimé en présence de fer et activé en carence de ce dernier. Par la suite, des éléments en cis du promoteur abc3[indice supérieur +] pouvant être responsables de la régulation selon le statut en fer ont été analysés. Parmi ces derniers, nous avons démontré que seul l'élément de régulation le plus près du cadre de lecture est fonctionnel permettant la répression du gène abc3[indice supérieur +] en présence de fer. Un essai fonctionnel permettant de montrer l'importance de la protéine Abc3 a été mis au point. Ainsi, une souche nulle pour le gène abc3[indice supérieur +] montre une perte de croissance en présence de cérulénine, un antibiotique qui inhibe la biosynthèse des acides gras. La souche abc3[delta] mutante est également sensible à la présence du chélateur de fer, le 2,2-dipyridyl (Dip), lorsque le système de transport de surface constitué de Fio1 et de Fip1 est inactivé. Une protéine Abc3 portant une étiquette fluorescente exprimée sous le contrôle du promoteur endogène abc3[indice supérieur +] a permis de localiser la protéine Abc3-GFP au niveau des vacuoles en carence de fer. Des analyses de profils transcriptionnels ont indiqué que l'expression forcée du gène abc3[indice supérieur +] en présence de fer active le répresseur Fep1. La surexpression du transporteur Abc3 libérerait plus de fer de la vacuole ce qui aurait pour effet d'activer Fep1, résultant en la répression de la transcription des gènes impliqués dans l'acquisition du fer à la surface cellulaire. Les résultats obtenus sur Abc3 suggèrent fortement que cette protéine pourrait être impliquée dans l'exportation du fer de la vacuole vers le cytoplasme de la levure lorsque cette dernière croît en carence de fer.

Le fer est un cofacteur essentiel à la croissance des organismes. Cependant, un surplus de fer conduit à la production de dérivés toxiques de l’oxygène qui sont dangereux pour les cellules. La concentration intracellulaire de fer doit donc être régulée. Lorsque la biodisponibilité du fer s’amenuise, la plupart des cellules augmentent leur acquisition du fer environnemental tout en réduisant sa consommation en réprimant plusieurs voies métaboliques fer-dépendantes non-essentielles. Alors que les mécanismes qui régissent l’augmentation de l’acquisition du fer sont assez bien caractérisés, les composantes qui contrôlent la promotion de l’économie du fer sont largement méconnues. Mes travaux ont porté sur l’étude des mécanismes de contrôle de l’économie du fer chez la levure à fission Schizosaccharomyces pombe. Php4, une sous-unité du complexe liant les boîtes CCAAT, est responsable de la répression des gènes codants pour des protéines qui utilisent du fer lorsque ce dernier est en faible concentration. Il est déjà connu qu’en présence de fer, l’expression du gène php4+ est réprimée via le facteur de transcription Fep1. De plus, la protéine Php4 est inactivée et exportée hors du noyau lorsque les cellules croissent en présence de fer. Ce processus est dépendant à la fois de la présence de l’exportine Crm1 et de la monothiol glutarédoxine Grx4. L’objectif de recherche est de découvrir le mécanisme par lequel Grx4 inhibe Php4 en réponse à la présence de fer. L’approche du double-hybride a été utilisée pour quantifier la force de l’interaction entre Php4 et Grx4 et identifier les domaines de ces protéines qui y participent. Ce système nous a permis de déterminer que Php4 interagit de façon constitutive avec le domaine thiorédoxine (TRX) de Grx4, alors que l’interaction entre Php4 et le domaine glutarédoxine (GRX) est dépendante de la présence de fer. Nous avons déterminé que la cystéine 35 du domaine TRX et la cystéine 172 du domaine GRX sont essentiels pour l’interaction de chacun de ces domaines avec Php4. Des régions minimales de Php4 nécessaires pour son interaction avec chacun des domaines GRX et TRX ont aussi été identifiées. Par la suite, nous avons démontré que l’expression du domaine GRX seul de Grx4 est suffisante pour l’inactivation de Php4 en présence de fer. Puis, par des essais de fluorescence par complémentation bimoléculaire (BiFC), nous avons démontré que le domaine GRX de Grx4 interagit de façon fer-dépendante avec Php4 et qu’il est suffisant pour l’exportation de Php4 hors du noyau en présence de fer. Ces résultats révèlent que le mécanisme par lequel Php4 est inhibé en présence de fer dépend de son interaction avec le domaine GRX de Grx4. À la suite des résultats obtenus, un modèle illustrant l’interaction fer-dépendante entre Grx4 et Php4 suggère la présence potentielle d’un centre fer-soufre qui pourrait expliquer la nature de l’interaction fer-dépendante entre les deux protéines.

Erwinia chrysanthemi 3937 est une bactérie phytopathogène responsable de maladies de type pourriture molle sur une large gamme de plantes. Durant l'infection, les bactéries se disséminent de manière extracellulaire, au niveau de l'apoplasme des tissus aériens du végétal où elles doivent s'adapter à des conditions de stress oxydant et une faible disponibilité en fer. Comme cet élément est essentiel et paradoxalement génère des radicaux hydroxyles hautement toxiques via la réaction de Fenton, une régulation fine des quantités intracellulaires en fer est primordiale pour la bactérie. L'homéostasie du fer implique une classe de protéines dénommées ferritines qui séquestrent le fer sous forme non réactive et biodisponible notamment lorsque le métal devient limitant dans l'environnement. Le génome d'E. chrysanthemi 3937 comporte une centaine de gènes dédiés au métabolisme du fer dont 4 sont supposés être impliqués dans le stockage intracellulaire du fer : le gène ftnA codant une ferritine de type eucaryote, le gène bfr codant une bacterioferritine contenant des groupements hème et les gènes dps1 et dps2 codant deux protéines Dps (DNA-binding proteins from starved cells). L'inactivation de ces gènes a montré que la ferritine FtnA contribue principalement au stockage intracellulaire du fer. Le rôle des ferritines ne se limite pas à servir de réserves de fer intracellulaire : ainsi la protéine FtnA participe à la résistance au stress oxydant et la protéine Dps1 pourrait jouer un rôle dans la détoxication du peroxyde d'hydrogène. Conformément à leur rôle dans le stockage intracellulaire du fer, les gènes ftnA, bfr et dps1 sont exprimés en réponse à la biodisponibilité en fer par la protéine Fur (Ferric uptake repressor), mais de manière temporellement différentielle au cours de la croissance bactérienne et selon des mécanismes distincts. Seule l'induction du gène ftnA par le fer et Fur est dépendante de l'ARN anti-sens RyhB. Par ailleurs, les gènes bfr et dps1 sont induits en phase stationnaire de croissance par le facteur σS. Les travaux réalisés au cours cette thèse ont permis de caractériser les intervenants de l'homéostasie du fer chez E. chrysanthemi 3937, d'acquérir une vue globale du trafic intracellulaire du fer et d'en apprécier leur contribution respective dans la pathogénie.

Les dommages provoqués par l'exposition au cadmium proviennent de l'inactivation de diverses bio-molécules par le métal et de l'interférence du toxique avec les homéostasies redox et de métaux essentiels comme le zinc. Une lignée cellulaire dérivée de la lignée épithéliale humaine HeLa résistante au zinc (HZR) est également résistante au cadmium sur une période de 24 heures. Les mécanismes de toxicité et de résistance ont été étudiés. La localisation du cadmium intracellulaire est semblable entre les deux lignées. Toutefois, des sollicitations accrues du réticulum endoplasmique ainsi que du protéasome dans les cellules HZR affectent la prise en charge du cadmium dans ces cellules. Une adaptation catabolique concernant la tyrosine, peut-être en rapport avec la production de mélanine, a aussi été notée en analysant des gels d'électrophorèse bi-dimensionnels de haute résolution. La résistance des cellules HZR vis-à-vis du cadmium s'explique principalement par la limitation de la concentration de cadmium intracellulaire lors d'expositions massives; au contraire du zinc qui s'accumule. Cela ne se produit pas par augmentation de l'efflux de toxique, mais par inhibition de l'influx: il semble cependant que la voie d'entrée de cadmium éteinte chez les cellules HZR soit inédite puisqu'elle ne correspond pas à des systèmes moléculaires de transport de cadmium préalablement caractérisés. Pour son identification, une analyse globale du transcriptome des cellules HZR, dans des conditions variables quant à la concentration appliquée des métaux zinc et cadmium, a indiqué que le phénotype de ces cellules est sans doute défini par modification de voies de signalisation multiples. Mais la variété des cibles de ces voies n'a pas permis d'identifier précisément les molécules participant directement à la prise en charge des métaux zinc et cadmium. Ce travail a cependant conduit à une hiérarchisation de la réponse des cellules de mammifères à l'exposition au cadmium parmi les nombreux effets décrits dans la littérature. L'intoxication au cadmium peut engendrer une anémie par perturbation de l'homéostasie du fer. Au niveau cellulaire, celle-ci est principalement assurée au niveau traductionnel par le système IRP (Iron Regulatory Proteins) / IRE (Iron Responsive Element). Les effets du cadmium sur ce système ont été étudiés dans les principaux organes de souris intoxiquées, et, pour comparaison, dans les lignées cellulaires étudiées par ailleurs dans ce travail. Bien que le cadmium s'accumule dans les reins, le foie, les intestins et dans une moindre mesure la rate, aucun signe d'anémie n'a été observé et l'activité tissulaire des IRP est restée insensible au toxique dans les conditions appliquées. Par contre, l'impact du cadmium sur le système IRP/IRE diffère entre la lignée HeLa et la lignée HZR. Si, dans les cellules HeLa, le cadmium n'active pas IRP1 mais diminue sa stabilité, dans les cellules HZR, la protéine IRP1 est initialement très active mais elle est peu sensible au cadmium. Ces résultats illustrent la versatilité des réponses à un stress cadmium suivant des conditions cellulaires très précises, en accord avec la prépondérance et la diversité des voies de signalisation sensibles au stress extracellulaire révélées pour les cellules HZR.

Le fer (Fe) est un élément indispensable à la vie. Sa capacité à perdre ou à gagner un électron lui permet d’être un cofacteur de choix pour de nombreuses réactions enzymatiques telles que la photosynthèse, la synthèse d’ADN ou la respiration. Cependant, le fer est très réactif et potentiellement toxique pour la cellule. Les plantes doivent donc strictement réguler leur homéostasie en fer afin d’éviter toute carence ou tout excès préjudiciable pour leur organisme. Parmi les acteurs du maintien de l’équilibre ferrique, les ferritines jouent un rôle majeur. Chez les végétaux, elles sont principalement régulées transcriptionnellement. Le gène modèle des ferritines, AtFER1, est régulé par au moins trois voies indépendantes (l’excès de fer, la carence en phosphate, et l’alternance jour/nuit). Toutefois, la façon dont ces signaux s’intègrent au niveau de son promoteur n’est pas formellement établie. Mon travail a consisté à mettre en place une étude fonctionnelle du promoteur d’AtFER1 en caractérisant des lignées stables d’Arabidopsis thaliana exprimant le gène rapporteur GUS (β-glucuronidase) sous le contrôle de différentes versions du promoteur d’AtFER1 (délétions en 5’ et en 3’, mutagenèse dirigée) selon différents traitements (e.g. disponibilité en fer). Cette approche a mis en évidence le rôle clef de certains éléments cis du promoteur. Des cribles simple hybride chez la levure sur ces éléments ont permis l’identification du facteur de transcription bHLH105/ILR3 comme régulateur potentiel d’AtFER1. Une caractérisation moléculaire et physiologique des mutants ilr3 a démontré l’implication de ce facteur dans la réponse des plantes à l’excès de fer. Elle a aussi mis en évidence qu’ILR3 avait un rôle central d’intégrateur dans l’homéostasie du fer chez les plantes. D’autre part, des données suggéraient qu’un long ARN non codant (At5g01595) pouvait potentiellement réguler AtFER1. Une caractérisation des mécanismes potentiellement impliqués a démontré que cette régulation n’était pas avérée.Les mécanismes moléculaires et physiologiques mis en place par les végétaux en réponse à une carence en fer sont relativement bien décrits. A l’inverse, peu d’informations sur la réponse des plantes à un « excès » de fer sont disponibles. Dans ce contexte, une expérience visant à décrypter, au niveau du transcriptome (puces à ADN), la dynamique de la réponse précoce (de quelques minutes à 2 heures) à un excès de fer a été mise en place. Une analyse de variance a été réalisée sur les données d’expression générées afin d’identifier les gènes dont l’expression est affectée par le traitement. Nous nous sommes plus particulièrement focalisés sur l’identification de facteurs de transcription, acteurs majeurs du maintien de l’homéostasie du fer. Parmi eux, WRKY33, WRKY40, ZAT10 et MYB51, tous liés à la réponse au ROS, semblent avoir un rôle clé dans la réponse précoce au fer.D’autre part, un mécanisme clé de l’homéostasie du fer est le prélèvement. Une précédente étude a montré que la nutrition en fer était facilitée par la synthèse et la sécrétion de composés phénoliques via le transporteur PDR9. Une caractérisation des mutants pdr9 a permis d’établir que d’une part (i) ses composés pouvaient être stockés dans les vacuoles des cellules racinaires, et d’autre part (ii) qu’ils permettaient l’entrée de fer via le système de prélèvement gouverné par le mécanisme FRO2/IRT1.Mes travaux de thèse ont permis d’apporter des éléments nouveaux sur les mécanismes moléculaires et physiologiques impliqués dans le contrôle de l’homéostasie du fer chez Arabidopsis. / Iron (Fe) is an essential micronutrient required for life. Since it can transfer electrons, Fe is a crucial cofactor for several enzymatic reactions such as photosynthesis, DNA synthesis or respiration. However, Fe is potentially toxic for the cells as it can react with oxygen and generate ROS (Reactive Oxygen Species). Therefore plants have evolved robust strategies to monitor Fe homeostasis in order to avoid Fe deficiency or excess that could be detrimental for their growth and development. Among the molecular actors involved in Fe homeostasis sensing, ferritins are central actors. In plants, ferritins are mainly transcriptionally regulated. AtFER1 (model of ferritin genes in Arabidopsis thaliana) is regulated by at least three independent environmental pathways (Fe excess, phosphate deficiency and diurnal/circadian rhythms). However, how these environmental signals are integrated at AtFER1 promoter remains elusive. During my PhD, I have functionally characterized the AtFER1 promoter in different growth conditions (i.e. Fe availability), using GUS as a reporter gene. This approach leads to the identification of specific cis-regulatory sequences within the AtFER1 promoter. Yeast one-hybrid screens using these cis-regulatory elements allowed the identification of the transcription factor bHLH105/ILR3 as putative transcriptional regulator of AtFER1 expression. In addition, molecular and physiological characterization of ilr3 mutants (gain- and loss-of-function mutations) brought out the involvement of ILR3 in plant responses to Fe excess and confirmed that ILR3 is a central integrator of Fe homeostasis in plants. I have also investigated the potential role of a long non-coding RNA in controlling AtFER1 expression. A deep characterization of the mechanisms potentially involved in this process demonstrated that this long non-coding RNA is most probably not involved in the control of AtFER1 expression. The molecular mechanisms by which plants face and adapt against Fe deficiency are well documented, however, very few data are available with regard to Fe excess. In this context, we set up a transcriptome analysis (microarrays) aiming at deciphering the dynamics of the early response (i.e. prior AtFER1 expression is induced) to an excess of Fe in A. thaliana. An analysis of variance was performed on the expression data generated in order to identify genes whose expression is affected by the treatment. We particularly focused on the identification of transcription factors that are major players in the regulation of gene expression in response to Fe and ROS excess. Among them, WRKY33, WRKY40, ZAT10 and MYB51 have been identified. Finally, I have been investigating the mode of action of PDR9, a transporter involved in the secretion of phenolic compounds in response to Fe deficiency. Through the characterization of pdr9 mutants, I have shown that the secreted phenolic compounds (i) allow the entrance of Fe via the FRO2 / IRT1 mechanism and (ii) that these compounds are stored in the vacuoles of the root cells before secretion.In conclusion, my PhD brings new elements on the molecular and physiological mechanisms involved in maintaining Fe homeostasis in Arabidopsis.