La métabolomique par résonance magnétique nucléaire (RMN) permet d’étudier laréponse métabolique globale d’un système biologique à un stimulus ou un événementphysiopathologique (maladie, manipulation génétique, etc.). Cette discipline connaît un essorimportant dans la recherche clinique et biologique, et constitue ainsi un outil à fort potentielpour la découverte de biomarqueurs de maladies, et l’étude de la fonction des gènes.Cette thèse est dédiée à l’application de la métabolomique par RMN à hauts champspour l’étude des pathologies associées à la signalisation thyroïdienne chez la souris. L’objectifglobal est d’identifier des biomarqueurs spécifiques liés aux différentes maladies hormonales :l’hypothyroïdie et la maladie génétique émergente résistance à l’hormone thyroïdienne due àune mutation au niveau du récepteur TRα1 (RTHα). Cette dernière est particulièrementdifficile à diagnostiquer à cause du manque de marqueurs biochimiques et de symptômesspécifiques à cette maladie. De plus, elle présente des similitudes avec l’hypothyroïdie auniveau symptomatique. Des modèles murins de RTHα et de l’hypothyroïdie ont été analysés,et l’investigation a été menée sur l’urine et le plasma sanguin dans le but de différenciermétaboliquement ces maladies et d’identifier des biomarqueurs spécifiques à RTHα. Dessignatures métaboliques liées à chaque maladie ont été identifiées dans l’urine et le plasmasanguin. Cinq métabolites qui varient de façon significative ont été identifiés dans l’urinecomme étant liés à la maladie RTHα : trimethylamine, dimethylamine, isovalerylglycine, Nacetylglucosamineet la choline. Dans le sang, ce sont les lipides insaturés qui varient de façonsignificative chez les souris mimant la maladie RTHα. / Metabolomics by nuclear magnetic resonance (NMR) allows studying the metabolicresponse of a global biological system to a stimuli or a physiopathological even (diseases,genetic modifications, etc.). This discipline is growing especially in the clinical and biologicalfields, and represents a strong potential tool to identify biomarkers related to diseases, andstudy the function of genes.This thesis is dedicated to the application of metabolomics by high field NMR to studythyroid signalisation pathologies in mice. The main goal is to identify biomarkers related tothe emerging genetic disease called resistance to thyroid hormone due to a mutation in thyroidhormone receptor TRα1 (RTHα). This disease is particularly difficult to diagnose because ofthe lack of biochemical markers and specific symptoms. In addition, it presents commonfeatures with hypothyroidism in term of symptoms. Mice models of RTHα andhypothyroidism were analysed, and the investigation were driven on urine and blood plasmain order to differentiate metabolically theses diseases and identify biomarkers related toRTHα. Metabolic fingerprints related to each disease were identified in both urine and bloodplasma. Five metabolites vary significantly in the urine of RTHα mice: trimethylamine,dimethylamine, isovalerylglycine, N-acetylglucosamine and choline. Unsaturated lipids varysignificantly in the blood plasma of RTHα mice.The impact of thyroid hormones (TH) and the thyroid hormone receptor TRβ on theliver metabolism were also studied in the present manuscript through NMR-basedmetabolomics. A mouse model, with a specific knock-out of TRβ gene in hepatocytes (LTRβ-KO), were used to study this question. To understand the function of TH mediated by TRβ,the liver metabolic response to TH, obtained from liver aqueous extracts and intact livertissues, TRβKO and wild-type mice were compared. The results suggest the presence ofdirect and indirect effects of thyroid hormones on the liver metabolism.

L’objectif du travail effectué était la recherche de nouvelles substances actives d’origine végétale, présentant soit une activité antiplasmodiale soit une activité antifongique. Cette étude a été menée suivant deux stratégies différentes: l’étude de remèdes traditionnels antipaludiques identifiés suite à des enquêtes ethnopharmacologiques, et la mise en évidence des propriétés antifongiques d’huiles essentielles grâce à une stratégie bioinspirée. La première partie du travail a permis de mettre en évidence le rôle d’un quassinoïde connu, la simalikalactone D, dans l’activité antipaludique d’une tisane de jeunes feuilles fraîches de Quassia amara L. (Simaroubaceae). Dans le cas de la décoction de rameaux de Psidium acutangulum DC. (Myrtaceae), c’est cette fois un mélange de flavonoïdes glycosylés qui est responsable de l’activité du remède. Dans le cadre de la recherche de nouvelles substances antifongiques, le criblage effectué a permis d’identifier de nombreuses huiles essentielles présentant des activités intéressantes, validant ainsi la démarche bioinspirée retenue dans ce cas. L’huile essentielle d’Otacanthus azureus (Linden) Ronse a en particulier démontré une activité remarquable, à la fois seule et en combinaison avec des antifongiques azolés. Enfin, l’étude métabolomique de la composition des huiles essentielles a permis de mettre au point un outil pouvant orienter la sélection des huiles en fonction des données obtenues en GC/MS dans l’optique de la recherche de nouvelles substances antifongiques. Ce travail démontre donc la validité des stratégies retenues – ethnopharmacologie et bioinspiration – dans la recherche de nouvelles substances bioactives. / The aim of this work was to search for new bioactive compounds, displaying either antiplasmodial or antifungal activity. Two strategies were developed here: the evaluation of traditional remedies identified as antimalarial through ethnopharmacological studies, and the search for antifungal essential oils, the criterium being here a bioinspired approach. Our work led to the discovery that the antimalarial activity of Quassia amara L. (Simaroubaceae) fresh young leaves was due to the presence of a known quassinoid, simalikalactone D. In the case of Psidium acutangulum DC. (Myrtaceae), a flavonol glycosides mixture explained the activity observed for the decoction. The search for antifungal essential oils from the Amazonian flora led to the identification of several interesting species, thus validating our bioinspired strategy. The essential oil of Otacanthus azureus (Linden) Ronse was among the most active ones, either alone or in combination with azole drugs. Eventually, a metabolomic study of the GC/MS composition of these oils allowed us to develop a statistical tool which could help to select interesting antifungal products. This work thus demonstrates the major interest of the two strategies – ethnopharmacology and bioinspiration – for the search of new bioactive compounds.

Les pollutions par les xénobiotiques, en particulier les pesticides, et les métaux lourds issus des activités agricoles présentent une grande complexité de composition chimique et de dynamique spatio-temporelle. La présence de bandes enherbées entre les parcelles cultivées et les cours d’eau permet une limitation de la diffusion de ces pollutions résiduelles vers les milieux naturels. Le compartiment végétal de ces bandes enherbées peut jouer de multiples rôles dans ce contexte de protection environnementale. L’étude comparative réalisée in situ et en conditions contrôlées de laboratoire a permis de mettre en évidence le rôle biologique du compartiment végétal avec son implication directe dans les processus in planta d’absorption, de stockage et/ou de dégradation au moins partielle. Un tel rôle phytoremédiateur est dépendant de la capacité des plantes à se maintenir sur ces milieux pollués, qui diffère selon l’espèce considérée et structure ainsi les communautés végétales des bandes enherbées. L’étude intégrative en conditions contrôlées des réponses des plantes aux interactions avec les xénobiotiques à faibles doses, à différentes échelles de complexité du fonctionnement végétal, a permis de montrer les effets de ces stress chimiques chez l’espèce modèle Arabidopsis thaliana et chez l’espèce prairiale Lolium perenne. Les xénobiotiques et les métaux lourds à des doses subtoxiques ont induit d’importants bouleversements métabolomiques et moléculaires chez ces espèces, avec des effets cryptiques de ces polluants et de leurs produits de dégradation. L’analyse en conditions de multi-pollution, qui reflètent de manière réaliste les pollutions péri-agricoles, a montré la complexité et la difficulté de prédiction des interactions entre les effets des contaminants en mélange. Ces mécanismes de réponses diffèrent selon l’espèce et le polluant et laissent supposer des divergences en termes de perception et/ou de transport des polluants, ou de coordination des réponses moléculaires et métaboliques. Arabidopsis a ainsi présenté une coordination de ses réponses orientée vers une augmentation des métabolites de stress, et une diminution des métabolites carbonés (sucres solubles), en parallèle de modifications de l’expression de gènes impliqués dans les défenses antioxydantes, les défenses contre les stress xénobiotiques, ou dans la dynamique des phytohormones. Le stress chimique a entraîné chez Lolium des modifications majeures du métabolisme azoté, ainsi qu’un remaniement des processus de photorespiration. L’analyse transcriptomique de cette espèce a de plus montré que la majorité des gènes identifiés sont impliqués dans des voies de transduction de signal, montrant ainsi la complexité des mécanismes de réponse et les couplages qui existent entre les signaux métaboliques, en particulier liés aux sucres, les voies de signalisation associées aux phytohormones, les signaux de stress et la photosynthèse. / Environmental pollutions by xenobiotics, especially by pesticides and heavy metals derived from agricultural activities, show an important complexity of chemical composition and of spatiotemporal dynamic. Vegetative filter strips between cultivated fields and streams limit the diffusion of these residual pollutions to natural environments. However, the exact biological role of plant in these buffer strips is poorly understood in this context of environmental and ecological protection. A comparative study carried out in situ and in controlled conditions highlighted the role of plant compartment in the processes of absorption, storage and/or partial degradation of pollutants in planta. Such capability of phytoremediation depends on the maintenance of a vegetal cover in area subjected to recurring flow of pesticides, it varies according to species and leads to the structuration of vegetative filter strip communities. An integrative study in controlled conditions of plant responses to low doses of pollutants allowed to analyze at different levels of complexity the impacts of chemical stresses on the model species Arabidopsis thaliana and the grassland species Lolium perenne. Low and sublethal doses of xenobiotics, associated degradation products and heavy metals induced cryptic perturbations at metabolic and molecular levels. Multi-pollution analyses, which reflect realistic conditions of environmental exposure, highlighted complex interactive effects between pollutants in mixture and the difficulty to predict them. The mechanisms of response to these chemical stresses differ according to the species and the pollutant, and suggest differences in term of perception and/or transport of pollutants, or of coordination of molecular and metabolic responses. Arabidopsis presented a coordination of its responses toward an increase of stress metabolites, a decrease of carbon metabolites (soluble carbohydrates), in parallel with modifications of gene expressions implicated on antioxidant defences, defence against xenobiotic stresses, or phytohormone dynamic. Chemical stress leads to major modifications of nitrogen metabolism in Lolium, and perturbations of processes of photorespiration. De novo transcriptomic analysis of Lolium therefore showed that a majority of identified genes are related to signal transduction pathways, highlighting the complexity of response mechanisms and the links between metabolic signals, especially linked to carbohydrate, hormonal signaling pathways, stress signals and photosynthesis. Subtoxic chemical stress induced cryptic re-engineering of plant processes that may explain the development of tolerance for some species and their persistence in area affected by residual pollution.

Les techniques de criblage actuelles (in vitro et in silico) sont dépendantes des efforts menés en biologie médicinale pour identifier des cibles biologiques pertinentes ; cibles difficiles à définir pour les maladies génétiques dites "perte de fonction". De plus, les composés issus de ces cribles s'avèrent souvent inefficaces et/ou toxiques une fois confrontés à la complexité physiologique d'un organisme entier. Pour contourner ce problème, nous proposons d'utiliser le nématode C. elegans, notamment pour des maladies répondant aux critères suivants : i) physiopathologie complexe et/ou mal comprise excluant le développement à court terme de médicaments sur une base rationnelle, ii) peu d’espoir de thérapie génique/cellulaire à court terme, iii) conservation chez C. elegans du gène relié à la maladie humaine et induisant un phénotype exploitable une fois inactivé. Nous démontrons ici que ce petit nématode permet de tester, à moindre coût, un grand nombre de composés chimiques tout en conservant la complexité physiologique d'un animal entier. De plus, la souplesse génétique de cet animal permet d'apporter rapidement des informations sur le mode d'action des composés identifiés. Ainsi, en plus du but initial visant à identifier des molécules bioactives à intérêt thérapeutique, cette approche peut permettre de dégager de nouvelles cibles moléculaires utiles pour l'industrie chimique, et cruciales pour la recherche de traitements contre les maladies perte de fonction. Finalement, nous présentons comment mettre en place une telle stratégie, notamment pour la myopathie de Duchenne, l'amyotrophie spinale et le syndrome de Schwartz-Jampel. Enfin, nous présentons les résultats obtenus lors des différentes campagnes de criblage, les validations des molécules les plus prometteuses et les travaux effectués pour tenter de comprendre leur mode d'action chez le nématode. / Current high-throughput screening methods for drug discovery rely on the existence of targets. Moreover, most of the hits generated during screenings turn out to be invalid after further testing in animal models. To by-pass these limitations, efforts are now being made to screen chemical libraries on whole animals. One of the most commonly used animal model in biology is the murine model Mus musculus. However, its cost limits its use in large-scale therapeutic screening. In contrast, the nematode Caenorhabditis elegans is gaining momentum as screening chemical tool. This tiny worm combines genetic amenability, low cost, and culture conditions that are compatible with large-scale screens. Its main advantage is to allow high-throughput screening in a whole-animal context. Moreover, its use is not dependent on the prior identification of a target and permits the selection of compounds with an improved safety profile. Here, we introduce this approach with the Duchenne Muscular Dystrophy, the Spinal Muscular Dystrophy and the Schwartz-Jampel syndrome. We present the methodology used with each model to screen up to 7,000 compounds and the results of these screening campaigns. We further present the validation of our best hits and try to understand their mechanism of action.

Les sols représentent une ressource non renouvelable qui soutient 95% de la production alimentaire mondiale. Cependant, les sols sont de plus en plus impactés par la pollution chimique anthropique, menaçant la santé humaine et l’environnement. Parmi les polluants les plus répandus dans les sols, l'arsenic est aussi l’un des plus dommageables pour la santé humaine, touchant près de 200 millions de personnes dans le monde. Pour limiter la contamination des sols, les approches conventionnelles de remédiation reposent principalement sur l'excavation et l'enfouissement des sols contaminés, mais sont incompatibles avec les grandes surfaces concernées par la contamination chimique, pouvant s’étendre sur des millions d’hectares. Une solution novatrice utilise les plantes et les microorganismes associés pour extraire, dégrader ou stabiliser les contaminants in situ dans une approche dite de phytoremédiation. L'exsudation d'une grande diversité de métabolites des racines dans le sol environnant serait un mécanisme essentiel qui permet aux plantes de tolérer et de détoxifier les contaminants du sol. Cependant, l’environnement chimique de la rhizosphère et les interactions complexes entre les exsudats racinaires et les contaminants restent largement inconnus. L'objectif de cette thèse est de faire progresser la compréhension de l'exsudation racinaire en réponse à la contamination et de son impact sur le devenir de l'arsenic dans la rhizosphère. Le Chapitre 1 rapporte un nouveau système de croissance à petite échelle, hautement reproductible, développé pour capturer et caractériser les exsudats racinaires. En utilisant une analyse métabolomique non ciblée basée sur la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse, l’espèce légumineuse Lupinus albus a été examinée pour identifier les différences significatives dans l’exsudation d’un large spectre de composés dans la rhizosphère. Cette approche a révélé les classes prédominantes de composés exsudés et leurs variations en réponse à la contamination, notamment les coumarines, connues pour être impliquées dans les stratégies d'acquisition de nutriments chez les plantes, ainsi que l'exsudation inattendue de phytochélatines, connues pour participer à la complexation et à la détoxification intracellulaire de l'arsenic. Pour confirmer l'exsudation des phytochélatines, une expérience supplémentaire a été menée et a permis de valider l'exsudation des phytochélatines comme mécanisme potentiel de tolérance à l'arsenic dans la rhizosphère. Le Chapitre 2 examine plus en détail les mécanismes d'exsudation des phytochélatines et leurs interactions avec l'arsenic chez Lupinus albus. Grâce à l'inhibition chimique des principales voies de synthèse et d'exsudation des phytochélatines, ce chapitre fournit les premières observations de l’exsudation active de complexes arsenic-phytochélatine chez les plantes, pouvant jouer un rôle critique dans la détoxification de l'arsenic. À partir de ces observations, le chapitre 2 propose une révision du modèle actuel d'efflux d'arsénite des racines et met en évidence l'exsudation de complexes arsenic-phytochélatine comme mécanisme jusque-là inconnu de détoxification chez les plantes. Dans le Chapitre 3, les différentes stratégies employées en réponse à la contamination à l'arsenic chez Lupinus albus et Salix miyabeana sont explorées en profondeur par différents essais en pots et à plus grande échelle, directement sur le terrain. Ces deux espèces, illustrant différents traits fonctionnels importants pour la phytoremédiation, révèlent des adaptations distinctes ainsi que des stratégies d’exsudation conservées en réponse à l'arsenic. Les résultats présentés dans ce chapitre révèlent en particulier le rôle central de l'exsudation de phytochélatines dans la rhizosphère de ces deux espèces, pourtant éloignées phylogénétiquement. Notamment, la découverte de complexes phytochélatine-arsenic dans la rhizosphère des deux espèces souligne l'importance des mécanismes extracellulaires dans la détoxification de l'arsenic chez les plantes. De plus, les mesures sur le terrain soutiennent les implications de l'exsudation des phytochélatines en tant qu’adaptation à l'exposition à l'arsenic en conditions réelles. En résumé, ce chapitre fournit de nouvelles perspectives sur l'interaction complexe entre les plantes et les sols lors de la phytoremédiation de l'arsenic. Dans l'ensemble, cette thèse présente de nouvelles stratégies d'exsudation chez deux espèces phytoremédiatrices majeures et apporte de nouvelles connaissances sur la façon dont l'investissement de ressources dans la rhizosphère peut aider les plantes à tolérer, voire à surmonter, l'effet de la pollution anthropique sur l'environnement. Comprendre ces interactions naturelles est essentiel pour aider à concevoir des stratégies de gestion durables des terres, visant à réduire l'impact à long terme des activités humaines sur les sols. / Soils represent a non-renewable resource supporting 95% of global food production. However, soils face increasing threats from anthropogenic chemical pollution, creating an environmental burden impacting human and environmental health worldwide. Arsenic is one of the most widespread soil contaminants, thought to affect over 200 million people globally and posing substantial threats to public health. To limit contamination of soils, conventional remediation approaches rely on soil excavation and burial, but are incompatible with the extensive problem of soil contamination, often impacting millions of hectares. An innovative solution is to use phytoremediation to harness plants' natural abilities to extract or degrade soil contaminants. The exudation of a wide diversity of metabolites from roots into the surrounding soil is thought to be an essential mechanism used by plants to modify challenging soil environments. However, the extent and variation of root exudation remains largely uncharacterised for many important crops. The objective of this thesis is to advance the understanding of root exudation in response to contamination and how it impacts the fate of arsenic in the rhizosphere. Chapter 1 reports a novel small-scale but highly reproducible growth system developed to capture and characterise root exudates. Using untargeted liquid chromatography-tandem mass spectrometry-based metabolomic analysis, the leguminous crop white lupin (Lupinus albus) was scrutinised to identify significant differences in exuded compounds within the rhizosphere. This approach revealed the predominant classes of exuded compounds in response to contamination, including coumarins, known to be involved in plant nutrient acquisition strategies, as well as unexpected phytochelatin exudation, known to participate in intracellular arsenic complexation and detoxification. A validatory experiment was conducted and confirmed the exudation of phytochelatins as a potential arsenic tolerance mechanism for rhizosphere detoxification. Chapter 2 further investigates the mechanisms of phytochelatin exudation and their interactions with arsenic in Lupinus albus. Through chemical inhibition of key root exudates synthesis and exudation mechanisms, this chapter provides the first evidence that plants actively exude arsenic-phytochelatin complexes, which may function as a critical step for arsenic detoxification and tolerance. From this evidence, Chapter 2 provides a tentative revision of the current model of arsenite efflux from roots and demonstrates that arsenic-phytochelatin exudation may be an active mechanism conferring arsenic tolerance. In Chapter 3, the different strategies employed in response to arsenic contamination in Lupinus albus and Salix miyabeana were extensively scrutinised in larger-scale pot and field trials, to capture the diversity of rhizosphere metabolites within constructed and real-world soils. These species, illustrating different important functional traits for phytoremediation, revealed distinct as well as more conserved root exudate adaptations to arsenic. Most importantly, the findings presented in this chapter reveal a conserved and pivotal role for extracellular phytochelatin exudation in the rhizosphere of these distantly related phytoremediating species. The discovery of phytochelatin-arsenic complexes in the rhizosphere of both species underscores the importance of extracellular mechanisms in plant arsenic detoxification. Furthermore, field assessments supported the real-world implications of phytochelatin exudation as an adaptive response to arsenic exposure. In summary, this chapter provides novel insights into the complex interplay between plants and soils in arsenic phytoremediation. Overall, this thesis presents novel exudation strategies in two major phytoremediation species and brings new knowledge on how investment of resources in the rhizosphere can help plants tolerate, or even overcome, the effect of anthropogenic pollution upon the natural environment. Understanding these mechanisms is vital to devise sustainable land management strategies to reduce the long-term impact of human activity on soils around the world.

Les plantes médicinales constituent une source inexhaustible de composés (des produits naturels - PN) utilisé en médecine pour la prévention et le traitement de diverses maladies. L'introduction de nouvelles technologies et méthodes dans le domaine de la chimie des produits naturels a permis le développement de méthodes ‘high throughput’ pour la détermination de la composition chimique des extraits de plantes, l'évaluation de leurs propriétés et l'exploration de leur potentiel en tant que candidats médicaments. Dernièrement, la métabolomique, une approche intégrée incorporant les avantages des technologies d'analyse moderne et la puissance de la bioinformatique s’est révélé un outil efficace dans la biologie des systèmes. En particulier, l'application de la métabolomique pour la découverte de nouveaux composés bioactifs constitue un domaine émergent dans la chimie des produits naturels. Dans ce contexte, le genre Acronychia de la famille des Rutaceae a été choisi sur la base de son usage en médecine traditionnelle pour ses propriétés antimicrobienne, antipyrétique, antispasmodique et anti-inflammatoire. Nombre de méthodes chromatographiques modernes, spectrométriques et spectroscopiques sont utilisées pour l'exploration de leur contenu en métabolites suivant trois axes principaux constituant les trois chapitres de cette thèse. En bref, le premier chapitre décrit l’étude phytochimique d’Acronychia pedunculata, l’identification des métabolites secondaires contenus dans cette espèce et l'évaluation de leurs propriétés biologiques. Le deuxième chapitre vise au développement de méthodes analytiques pour l'identification des dimères d’acétophénones (marqueurs chimiotaxonomiques du genre) et aux stratégies utilisées pour la déréplication de ces différents extraits et la caractérisation chimique des composés par UHPLC-HRMSn. Le troisième chapitre se concentre sur l'application de méthodologies métabolomique (RMN et LC-MS) pour l'analyse comparative (entre les différentes espèces, origines, organes), pour des études chimiotaxonomiques (entre les espèces) et pour la corrélation des composés contenus avec une activité pharmacologique. / Medicinal plants constitute an unfailing source of compounds (natural products – NPs) utilised in medicine for the prevention and treatment of various deceases. The introduction of new technologies and methods in the field of natural products chemistry enabled the development of high throughput methodologies for the chemical composition determination of plant extracts, evaluation of their properties and the exploration of their potentials as drug candidates. Lately, metabolomics, an integrated approach incorporating the advantages of modern analytical technologies and the power of bioinformatics has been proven an efficient tool in systems biology. In particular, the application of metabolomics for the discovery of new bioactive compounds constitutes an emerging field in natural products chemistry. In this context, Acronychia genus of Rutaceae family was selected based on its well-known traditional use as antimicrobial, antipyretic, antispasmodic and anti-inflammatory therapeutic agent. Modern chromatographic, spectrometric and spectroscopic methods were utilised for the exploration of their metabolite content following three basic axes constituting the three chapters of this thesis. Briefly, the first chapter describes the phytochemical investigation of Acronychia pedunculata, the identification of secondary metabolites contained in this species and evaluation of their biological properties. The second chapter refers to the development of analytical methods for the identification of acetophenones (chemotaxonomic markers of the genus) and to the dereplication strategies for the chemical characterisation of extracts by UHPLC-HRMSn. The third chapter focuses on the application of metabolomic methodologies (LC-MS & NMR) for comparative analysis (between different species, origins, organs), chemotaxonomic studies (between species) and compound-activity correlations.