Les maladies métaboliques d’origine nutritionnelle sont caractérisées par un métabolisme des lipides perturbé et une inflammation métabolique. Les lipides polaires (LP) sont des agents émulsifiants utilisés dans l’industrie agroalimentaire. Le but de notre étude a été d’évaluer l’impact de l’utilisation de nouveaux LP issus du lait sur (i) la digestion et le métabolisme postprandial des lipides, et (ii) à plus long terme sur l’adiposité et l’inflammation dans le tissu adipeux (TA), en comparaison avec les LP de soja, actuellement les plus consommés.Chez la souris, les LP laitiers induisent une cinétique de lipémie postprandiale plus précoce en comparaison avec les LP de soja, associée à une augmentation de la lipolyse intestinale in vitro. De plus, les chylomicrons sécrétés durant le pic de lipémie sont plus petits avec les LP laitiers. D’autre part, la substitution d’une partie des lipides d’un régime hyper-lipidique par des LP laitiers ne modifie pas le stockage des lipides dans le foie et le TA contrairement aux LP de soja qui induisent une augmentation des lipides hépatiques, des adipocytes et des marqueurs inflammatoires dans le TA. Par ailleurs, Les LP laitiers induisent une diminution de l’expression génique de marqueurs de l’infiltration macrophagique dans le TA et du nombre de cellules à gobelet dans le côlon, suggérant une barrière intestinale renforcée.Ces travaux démontrent que les LP laitiers, par rapport aux LP de soja, stimulent la digestion des lipides et induisent une cinétique plus rapide de lipémie postprandiale. A long terme ils n’induisent pas les altérations métaboliques du TA observées en présence de LP de soja dans un régime hyper-lipidique / Metabolic diseases are characterized by an altered lipid metabolism and metabolic inflammation. Numerous food products contain polar lipid (PL) emulsifiers that could impact these risk factors. We evaluated the impact of using PL from milk (MPL) (i) acutely on lipid digestion and postprandial lipemia and (ii) in the longer term in addition to a high fat diet on adiposity and adipose tissue inflammation. We compared MPL to soybean PL (SPL) that is currently the main commercial source of PL.In mice, an emulsion stabilized by MPL results in a more rapid postprandial lipemia than an emulsion stabilized by SPL, with an early increase in lipemia and a faster clearance. Differences in lipemia can originate from differential kinetics of lipid hydrolysis in the mouse gut, as an increase intestinal TG hydrolysis is observed in vitro. Moreover, early MPL-derived chylomicrons are smaller than SPL-derived chylomicrons. In the longer term, compared with HF diet, HF-SPL diet increases hepatic lipids, white adipose tissue (WAT) mass, with larger and more numerous adipocytes and increases expression of pro-inflammatory adipokines. This is not observed with HF-MPL diet despite similar dietary intakes. HFP-MPL mice have a lower expression in WAT of marker of macrophage infiltration and more numerous goblet cells in the colon, suggesting an improved gut barrier function with this diet.Postprandial lipemia in mice can be modulated by emulsifying with MPL compared with SPL, partly through differences in chylomicron assembly, and intestinal TG hydrolysis rate. Moreover unlike SPL, MPL in a high fat diet do not induce WAT hypertrophy and inflammation

L’ingénierie métabolique utilise des techniques de clonage pour moduler directement les voies métaboliques des microorganismes dans le but de produire des molécules d’intérêts. Précédemment envisagée pour surproduire des métabolites endogènes, l’ingénierie métabolique est aussi considérée maintenant comme une approche prometteuse pour la biosynthèse de composés non naturels par l'expression de voies métaboliques synthétiques. Cependant, malgré leur évolution au cours de millions d’années, les enzymes sont cependant peu ou pas adaptées aux nouvelles fonctions catalytiques requises par ce métabolisme synthétique. Le but de cette thèse est donc d’améliorer deux enzymes qui sont requises pour la construction et le fonctionnement de voies artificielles conduisant à la biosynthèse de molécules d’intérêts, en particulier le (L)-2,4-dihydroxybutyrate et le 1,3-propanediol, en appliquant des concepts d'ingénieries microbienne et enzymatique. / Metabolic engineering, defined as the rational engineering of organisms towards production goals, has greatly evolved since its conception over three decades ago. Once applied to overproduce cell endogenous metabolites, it is now a promising approach also for the biosynthesis of non-natural compounds through the expression of synthetic metabolic pathways. Improved over billions of years by evolution, enzymes are however less adapted to new catalytic functions as required by synthetic metabolism. The present work was aimed at the construction and optimization of artificial routes for the biosynthesis of two industrially relevant commodity chemicals (L-2,4-dihydroxybutyrate and 1,3-propanediol) through the application of concepts of enzyme rational design, directed evolution and microbial engineering.

A l’ère de la médecine personnalisée, de la génomique et des thérapies ciblées, les outils quantitatifs en imagerie médicale, et en particulier en imagerie fonctionnelle par Tomographie par Emission de Positons (TEP), apparaissent incontournables. Au-delà de la mesure de l’intensité de la fixation, il est possible de disposer d’index quantitatifs caractérisant l’ensemble du volume tumoral métabolique et d’en évaluer l’hétérogénéité. L’objectif de ce travail a été d’étudier la valeur de nouveaux indices quantitatifs en imagerie TEP, permettant une analyse plus globale de la tumeur. Une première partie du travail est méthodologique et concerne la caractérisation et la compréhension de l’hétérogénéité tumorale à partir de l’image métabolique, étape ayant permis d’identifier les indices de texture les plus pertinents pour les applications cliniques. Deux séries de patients seront ensuite utilisées pour explorer l’apport de ces indices volumétriques et de texture. Pour des cancers pulmonaires, nos résultats suggèrent que la mesure de l’hétérogénéité tumorale reflète des caractéristiques histologiques de la tumeur. Une deuxième série de résultats montrent que les mesures de volumes métaboliques sont des critères plus pertinents que les indices conventionnels pour l’évaluation des chimiothérapies néoadjuvantes au cours des cancers pulmonaires de stade localement avancé. Une corrélation entre les modifications quantitatives sous traitement et les résultats histologiques post-thérapeutiques a permis de valider l’utilisation de ces indices. Dans les cancers mammaires, nos résultats suggèrent que les tumeurs présentant des signes histologiques d’agressivité, notamment les tumeurs de phénotype triple négatif, présentent une texture plus hétérogène que les autres types. Ainsi, nos travaux montrent qu’une approche quantitative plus globale de la tumeur en imagerie TEP permet d’améliorer l’évaluation pronostique pré-thérapeutique et sous traitement des cancers / In the era of personalized medicine, genomics and targeted therapies, the availability of quantitative tools assisting the interpretation of medical images is essential. In Positron Emission Tomography (PET), beyond measurements of uptake intensity, it is possible to derive quantitative index characterizing the metabolic volume or the tumoral heterogeneity. The objective of this work was to investigate the value of new quantitative indices to enhance PET imaging, allowing for a more comprehensive analysis of the whole tumor. The first part of the work deals with methodological issues associated with the measurement of tumor heterogeneity using textural index. In particular, we identified the most robust and informative textural index for clinical applications. Two sets of patients have then been used to explore the contribution of metabolic volume and texture analysis in PET. In lung cancer patients, our results suggest that the measurement of tumor heterogeneity gives some information regarding the histological features of the tumor. A second set of results shows that metabolic volume is more relevant than conventional indices for evaluating the impact of neoadjuvant chemotherapy in locally advanced stages. A correlation between quantitative changes during treatment and post-treatment histology results was used to demonstrate the relevance of these indices. In breast cancer patients, our results suggest that tumors with aggressive immunohistological patterns, particularly triple-negative phenotype, have a more heterogeneous texture than other types. In summary, our results suggest that a more comprehensive quantitative characterization of the metabolic activity distribution in tumor using PET imaging improves the pre-therapeutic and prognostic evaluation of cancer.

Les maladies métaboliques telles que l’obésité ou le diabète de type 2 sont multifactorielles et multigéniques. Ces dernières décennies, la prévalence de ces pathologies notamment chez les enfants et les jeunes adultes a drastiquement augmenté, désignant ainsi l’environnement comme un élément-clé de ces pathologies. Ainsi, un environnement métabolique et/ou endocrinien déséquilibré pendant les périodes de gestation et/ou lactation prédispose la descendance à certaines pathologies à l’âge adulte. Ces phénotypes sont souvent associés, dans l’hypothalamus, structure impliquée dans la régulation de l’homéostasie énergétique, à des modifications de l’expression d’ARNm ou de protéines. Les microARNs (miARNs), régulateurs post-transcriptionnels majeurs, apparaissent donc comme des candidats intéressants pour l’exploration des mécanismes moléculaires sous-tendant les dysfonctionnements hypothalamiques. Le but du ce travail de thèse a été de caractériser le phénotype ainsi que le profil hypothalamique d’expression des miARNs chez des rats adultes nés et/ou allaités dans deux contextes différents de programmation métabolique. Dans un premier temps, nous avons étudié les conséquences à long-terme du blocage de la leptine postnatale, hormone contrôlant la mise en place du métabolisme et l’établissement de connexions hypothalamiques. Les rats traités avec un antagoniste de la leptine présentent un surpoids quel que soit le régime (normal ou hyperlipidique). Ces animaux présentent des signes de résistance à l’insuline dès le sevrage. Leur profil hypothalamique d’expression des microARNs est modifié notamment en ce qui concerne l’expression de certains miARNs associés à l’insulino-résistance périphérique. Dans un second temps nous avons étudié l’impact d’un régime maternel hyperlipidique. Ce régime maternel induit un moindre poids chez la descendance dès le deuxième jour postnatal. A l’âge adulte, les mâles présentent une sensibilité normale à l’insuline et à la leptine et ne sont pas prédisposés au surpoids lorsqu’ils sont soumis à un régime hyperlipidique. Les femelles présentent le même phénotype associé à une meilleure tolérance au glucose. Nous avons étudié le profil d’expression des miARNs dans les noyaux arqué et paraventriculaire de l’hypothalamus des mâles. L’expression de certains miARNs abondants est modulée chez les animaux nés de mères soumises au régime hyperlipidique. Les travaux de cette thèse ouvrent la voie à une étude systématique des profils hypothalamiques d’expression des miARNs dans un contexte de programmations métaboliques diverses. / Epidemiological studies have demonstrated that the incidence of metabolic diseases in adults such as hypertension, insulin resistance, obesity and the metabolic syndrome is markedly increased when maternal nutrition is altered at critical periods of foetal development. Numerous studies in humans and rodents have demonstrated the importance of the perinatal environment in metabolic programming. Thus, a metabolic or endocrine unbalanced environment predisposes offspring to various metabolic diseases in adulthood. These phenotypes are often associated with changes in mRNA or protein expression in the hypothalamus, a central structure involved in the regulation of energy homeostasis. In this context, microRNAs (miRNAs) appear as attractive candidates for exploration of the molecular mechanisms underlying hypothalamic dysfunction observed during metabolic programming. The aim of my project was to characterize the phenotype and the hypothalamic profile of miRNAs in the adult offspring in two contexts of metabolic programming. First, we studied the long-term consequences of early postnatal leptin blockade, a hormone described to be involved in the establishment of metabolism and hypothalamic connections. Rats treated with a leptin antagonist exhibit overweight (under chow and high-fat diet) and are also subjected to insulin resistance. As signs of insulin resistance appeared as soon as weaning, we analyzed at this age by microarray the hypothalamic miRNAs expression profile which reveals modification of hypothalamic miRNA expression pattern including miRNAs previously linked to peripheral insulin-résistance. In the second part of my thesis, we have demonstrated that a maternal high-fat diet induced a lower weight in the offspring from the second postnatal day. In adulthood, these animals exhibit similar insulin and leptin sensitivities as compared to controls and are not predisposed to overweight when exposed to a high fat diet. This phenotype is associated with changes in the miRNA expression profile in arcuate and paraventricular hypothalamic nuclei. In conclusion, we show for the first time that metabolic programming is associated with altered hypothalamic expression of miRNAs, which could contribute, at least partially, to the establishment of the offspring phenotype.

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Les isoprénoïdes, présents dans tous les organismes vivants, sont synthétisés selon deux processus: la voie du Mevalonate et la voie Méthylérythritol phosphate (MEP). Cette dernière, absente chez l’humain, est très étudiée car elle représente une cible pour le développement de nouveaux antimicrobiens. Le ME-N3, un analogue du méthylérythritol portant un azoture, a été synthétisé et exploité dans des expériences de marquage métabolique de la voie MEP en utilisant un couplage bioorthogonale suivi d’une analyse par LC/MS. De façon intéressante, nous avons découvert que le MEP-N3, un analogue du MEP, inhibe l'enzyme IspD d’ E. coli (3ème enzyme de la voie MEP). Les études cinétiques ont révélé que le MEP-N3 possède la meilleure activité inhibitrice sur IspD d’ E.coli en comparaison avec les inhibiteurs connus, et que le mécanisme d'inhibition est de type mixte. Une étude détaillée du mécanisme de la réaction catalysée par IspD a été réalisée pour la première fois, en utilisant une analyse cinétique à deux substrats. / Isoprenoids, present in all living organisms, are synthesised according to two routes: the Mevalonate and the Methylerythritol phosphate (MEP) pathways. The MEP pathway, absent in humans, is extensively investigated as it is a target for the development of new antimicrobials. ME-N3 an azide tagged analogue of methylerythritol was synthesised and utilised for metabolic labelling studies of the MEP pathway using bioorthogonal ligation followed by LC-MS analysis. Interestingly, we found that MEP-N3, an analogue of MEP, inhibits E.coli IspD (3rd enzyme of the MEP pathway). Further inhibition kinetic studies revealed that MEP-N3 possesses the highest inhibitory activity on E.coli ispD when compared to known inhibitors. In addition, the mechanism of inhibition of E.coli ispD by MEP-N3 was found to be best described using a mixed type model. Moreover, determination of the IspD reaction mechanism has been carried out for the first time, by virtue of a bisubstrate steady state kinetic analysis.

L'ingénierie métabolique vise à développer des souches très performantes permettant de produire des composés d'intérêts. Pour cela, des modèles de prédiction des flux métaboliques sont développés (GEMs = GEnome-scale Models), intégrant un ensemble de données OMICS. En particulier, l'estimation des quantités exactes d'enzymes est cruciale afin de déterminer les paramètres cinétiques, mais reste difficile à obtenir de manière multiplexe et exacte. Ces travaux de doctorat ont permis de développer une méthode analytique afin de générer des données protéomique quantitative exactes et multiplexes, basée sur l'utilisation de protéines standards couplée à une technique de spectrométrie de masse appellée « Selected Reaction Monitoring ». Cette méthode analytique a été appliquée à une souche référence et deux souches modifiées d'E. coli, optimisées pour produire des quantités élevées de NADPH. Les résultats obtenus démontrent que ce type de données, couplées à des données de flux, permettent de distinguer différents niveaux de régulation, soit au niveau de la quantité d'enzyme, soit de l'activité enzymatique. De plus, la mesure exacte et multiplexe des quantités d'enzyme est une avancée technique majeure dans le développement de modèles prédictifs dynamiques en ingénierie métabolique. / Metabolic engineering aims at designing high performance strains to produce compounds of interest. For this purpose and to predict metabolic fluxes, GEnome-scale Models (GEMs) are developed, integrating multi-OMICS experimental data. Particularly, accurate enzymes amounts are crucial data to determine kinetic parameters but remain difficult to obtain in a multiplexed and accurate fashion. In this Ph.D work we developed a highly accurate and multiplexed workflow for generating quantitative proteomic data, using full length protein labelled standards coupled to a mass spectrometry-based technique called Selected Reaction Monitoring. This workflow was applied to E. coli strains: a wild-type strain and two other strains optimized for higher NADPH production. Results demonstrated that such data combined with measurements of metabolic fluxes, allow apprehending different levels of regulation, namely enzyme abundance and activity. In addition, accurate measurement of enzyme concentration is a key technology for the development of predictive kinetic models in the context of metabolic engineering.

Les patients atteints de lupus érythémateux systémique ont une augmentation de la prévalence du syndrome métabolique (MetS) mais les mécanismes sous-jacents ne sont pas connus. Le récepteur de type Toll 7 (TLR7), qui reconnait de l’ARN simple brin, joue un rôle important dans la défense anti-microbienne de l’hôte, mais contribue également au développement et à la progression du lupus. Cependant, l’implication de TLR7 dans le MetS est inconnue. L’objectif de mon projet de thèse était d’explorer l’idée nouvelle que la signalisation de TLR7 peut conduire non seulement au lupus mais aussi à des anomalies métaboliques.Nous avons trouvé que l’obésité induite par un régime riche en gras (régime HFD) a conduit à une exacerbation du lupus et de paramètres métaboliques dans des souris TLR8ko, qui développent spontanément une auto-immunité de type lupique à cause d’une augmentation de la signalisation de TLR7 dans les cellules dendritiques (DCs). Au contraire, sous un régime HFD, les souris TLR7/8ko n’ont pas développé de lupus, et les souris TLR7ko et TLR7/8ko ont été protégées contre les anomalies métaboliques incluant l'augmentation de poids et l’intolérance au glucose. De manière intéressante, dans des souris sauvages (WT) le régime HFD a conduit à une augmentation de l’expression de TLR7 et de la production de TNF par les DCs spléniques et hépatiques, et ce phénotype était plus profond dans les souris TLR8ko. Mon étude montre l’implication de la signalisation de TLR7 dans l’interconnexion entre le lupus et les anomalies métaboliques, donc cibler TLR7 pourrait constituer une nouvelle approche comme thérapie contre le lupus et les maladies métaboliques. / Systemic lupus erythematosus (SLE) patients have increased prevalence of metabolic syndrome but the underlying mechanisms are unknown. Toll-like receptor 7 (TLR7) that detects single stranded-RNA plays a key role in antimicrobial host defence, but also contributes in the initiation and progression of SLE. However, the implication of TLR7 in MetS is unknown. The objective of my PhD project was to explore the novel idea that TLR7 signalling can lead not only to SLE but also to metabolic abnormalities. We found that high fat diet (HFD)-induced obesity led to exacerbation of lupus and metabolic parameters in TLR8ko mice, which develop spontaneous lupus-like disease due to increased TLR7 signalling by dendritic cells (DCs). In contrast, upon HFD TLR7/8ko mice did not develop SLE, and both TLR7ko and TLR7/8ko mice were protected from metabolic abnormalities including body weight gain and glucose intolerance. Interestingly, in wild-type mice HFD led to an increase of TLR7 expression and TNF production by hepatic and splenic DCs, and this phenotype was more profound in TLR8ko mice. My study uncovers the implication of TLR7 signalling in the interconnection of SLE and metabolic abnormalities, thus targeting TLR7 might be a novel approach as a tailored therapy in SLE and metabolic diseases.

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

Le syndrome métabolique (SM) est défini comme l'association de troubles favorisant les risques cardiovasculaires et le développement d'un diabète de type 2. Une personne atteinte de SM doit présenter au moins 3 critères sur les 5 suivants : une obésité abdominale; un taux élevé en triglycérides ; un faible taux en cholestérol HDL ; une hypertension et une hyperglycémie. Le SM est caractérisé par une dysfonction endothéliale, qui est définie par une diminution de la production de monoxyde d'azote (NO), et l'augmentation d’espèces réactives de l’oxygène, comme l'anion superoxyde (O2-), participant au stress oxydant. Dans notre étude, nous avons émis l’hypothèse que les exosomes pouvaient participer à la dysfonction endothéliale chez ces patients. Les exosomes sont des vésicules extracellulaires de petite taille (entre 30 à 100 nm), formées à partir du compartiment endo-lysosomal et libérées par la plupart des cellules. Suite à leur libération, elles peuvent interagir avec des cellules cibles et servir ainsi de vecteurs d'information biologique. Il a été montré que les exosomes pouvaient être impliqués dans de nombreuses pathologies. Ainsi, nous avons montré que les patients atteints de SM présentent un taux d’exosomes circulants augmenté, dont la taille est diminuée. De plus, les exosomes provenant de patients SM diminuent la production de NO dans les cellules endothéliale, qui s’accompagne d’une augmentation de l’O2-mitochondriale. Chez la souris, les exosomes de patients SM induisent une diminution du relâchement vasculaire. Les exosomes pourraient ainsi participer au développement de la dysfonction endothéliale chez les patients atteints de SM et pourraient être de biomarqueurs intéressants pour cette pathologie. / Metabolic syndrome (MetS) is defined as the combination of metabolic disorders leading to cardiovascular diseases and the development of type 2 diabetes. To be diagnosed with MetS, a person must present at least 3 of the following 5 metabolic risk factors: (i) abdominal obesity, (ii) high triglyceride levels,(iii) low HDL cholesterol levels, (iv) hypertension and (v) hyperglycaemia. MetS is characterized by endothelial dysfunction, which is defined by a decreased nitric oxide (NO) production, and an increased in reactive oxygen species such as superoxide (O2-), involved in oxidative stress. In our study, we hypothesized that exosomes could participate in the endothelial dysfunction observed in MetS patients. Exosomes are nanoscaled (30-100nm) extracellular vesicles produced from the endolysosomal compartment and released by most of the cells of the organism. Following their release, they can interact with their target cells and be considered as biological information carriers. Exosomes have been shown to be involved in many pathologies. Thus, we have shown that MetS patients displayed an increased circulating rate of exosomes whose sizes were decreased. In addition, we have observed that exosomes from MetS patients induced (i) a decrease of NO production in endothelial cells, and (ii) an increase in mitochondrial O2-. Furthermore, the exosomes originating from MetS patients induced a decrease invascular relaxation in mice. Thus, the exosomes could participate in the development of endothelial dysfunction in MetS patients and could be considered as biomarkers of interest for this pathology.