Les synapses chimiques sont des structures spécialisées permettant une transmission d'information unidirectionnelle, d’un élément présynaptique vers un élément postsynaptique. L’organisation des terminaisons présynaptiques permet la conversion d’un potentiel d’action en signal chimique. Elles se présentent sous la forme de varicosités axonales contenant des vésicules synaptiques (VSs) qui concentrent le neurotransmetteur (NT). Une partie des VSs sont apposées (ancrées) à une région de la membrane plasmique, la zone active (ZA ; Bennett et al. 1992, Siksou et al. 2009). La ZA est située face à l’accumulation postsynaptique des récepteurs au NT. La dépolarisation d’une terminaison par un potentiel d’action active des canaux calciques dépendants du voltage. L’influx de calcium qui en résulte entraîne la fusion d’une fraction des VSs ancrées avec la membrane plasmique en moins d’une milliseconde, permettant la libération de NT (Sabatini et Regehr 1996, Lisman et al. 2007). Une endocytose compensatoire permet ensuite la reformation de VSs (Rizzoli et Betz, 2005). Des questions se posent encore quant à ce trafic régulé. Nous avons étudié la régulation de l’ancrage des VSs et développé un outil pour analyser le cycle des VSs en microscopie électronique (ME).La première partie de mon travail de thèse a porté sur la régulation du nombre de VSs ancrées à la ZA. Notre objectif était de savoir si l’ancrage était régulé spécifiquement ou en coordination avec les autres paramètres morphologiques du bouton, et de déterminer le rôle de Rab3-Interacting Molecules (RIMs), protéines centrales de la ZA, dans cette régulation. La régulation de l’ancrage a été étudiée sur un modèle de cultures organotypiques de tranches d’hippocampe dont l’activité est bloquée 3 jours par l’application de tétrodotoxine. Ces tranches ont été immobilisées par congélation sous haute pression (CHP) pour être observées en ME sans les artefacts induits par les fixations aldéhydiques. Le blocage d’activité entraîne une augmentation du nombre de VSs ancrées, de la taille de la ZA, et du nombre de récepteurs postsynaptiques au glutamate de type GluA2. Le nombre de VSs total dans le bouton et la taille du bouton ne changent pas. En immunocytochimie Nous n’avons pas observé de modification de la quantité moyenne de protéines RIM1/2 dans les terminaisons présynaptiques sous l’effet du blocage d’activité. Enfin, les enregistrements électrophysiologiques ne révèlent pas de modification de fréquence des courants excitateurs miniatures malgré l’augmentation du nombre de VSs ancrées. Ces résultats montrent une régulation spécifique de la taille de la jonction synaptique par l’activité neuronale et indiquent que le nombre de VSs ancrées n’est par régulé par la quantité de RIM.La deuxième partie de mon travail a consisté à développer un outil d’étude du cycle des VSs. En effet, la ME ne permet pas d’observer des évènements dynamiques, tandis que la résolution spatiale des microscopes optiques est insuffisante pour observer directement les VSs. Nous avons voulu associer une stimulation optogénétique de neurones avec leur immobilisation rapide par CHP, afin de pouvoir observer en ME les VSs à des temps précis après la stimulation. Nous avons travaillé sur des cultures dissociées de neurones d’hippocampe de rat. Ces neurones ont été infectés avec un Adeno-Associated Virus exprimant une protéine, la ChannelRhodopsine2, pour les rendre activables par des stimulations lumineuses. Une collaboration avec Leica Microsystems a permis de modifier l’appareil de congélation (HPM) pour (i) stimuler les neurones dans l’HPM, et (ii) synchroniser cette stimulation avec la congélation. Ce nouvel outil devrait permettre dans le futur une analyse du trafic des VSs à très haute résolution temporelle et spatiale. / Chemical synapses are highly specialized structures that convey information unidirectionnally, from a presynaptic to a postsynaptic element. Presynaptic terminals convert action potentials into chemical signals. These axonal varicosities contain synaptic vesicles (SVs) filled with neurotransmitter (NT) molecules. A fraction of the SVs are apposed (docked) to a part of the plasma membrane called the active zone (AZ; Bennett et al. 1992, Siksou et al. 2009b). The AZ is located in front of the postsynaptic accumulation of NT receptors. Depolarization of a terminal by an AP activates voltage dependent calcium channels. The resulting calcium influx induces the fusion of a fraction of the docked SVs in less than a millisecond, which release their NT content (Sabatini & Regehr 1996, Lisman et al. 2007). New SVs are then produced through a process of compensatory endocytosis (Rizzoli & Betz, 2005). Unanswered questions remain about the mechanism of this regulated traffic of SVs. We studied the regulation of SVs docking and developed a tool to analyze the cycle of SVs with electron microscopy (EM). The first part of my PhD work was focused on the regulation of the number of docked SVs at the AZ. Our objective was to determine whether SVs docking was regulated specifically or together with other morphological parameters of the bouton. We also investigated the role of Rab3-Interacting Molecules (RIMs), central proteins of the AZ, in this regulation. We worked on organotypic culture of hippocampal slices in which we blocked neuronal activity with tetrodotoxin for 3 days. Slices were immobilized using high pressure freezing (HPF) to avoid artifacts due to chemical fixation, and studied with EM. Activity blockade induced an increase in the number of docked SVs, in the size of the AZ and in the number of GluA2 postsynaptic glutamate receptors. However, the total number of SVs in the bouton and the size of the bouton did not change. With immunocytochemistry we did not detect any change in the mean amount of RIM in presynaptic terminals after chronic activity blockade. Furthermore, electrophysiology recordings showed no increase of the mean frequency of mEPSCs despite the increase in the number of docked SVs. Together these results show a specific regulation of the size of the presynaptic junction by neuronal activity, and indicate that the amount of RIMs does not regulate the number of docked SVs. The second part of my work consisted in the development of a new tool to study the cycle of SVs. Indeed, EM does not allow the visualization of dynamic phenomenon, whereas optical microscopes do not have a sufficient spatial resolution to observe SVs with the required precision. We wanted to associate optogenetic stimulations of neurons with their rapid immobilization by HPF, in order to visualize SVs at precise moments after stimulation. We worked on rats hippocampal dissociated neurons cultures. These neurons were infected with an Adeno-Associated Virus encoding a light sensitive protein channel, the ChannelRhodopsin2, in order to be able to activate them with light stimulations. We collaborated with Leica Microsystems to modify our high pressure machine (HPM), so that we can (i) stimulate the neurons within the HPM, and (ii) synchronize this stimulation with the freezing. In the future, this new tool this system should allow us to analyze the traffic SVs with high temporal and spatial resolution.

L’hépatite B, causée par le virus de l’hépatite B (VHB), est responsable d’un à deux millions de morts chaque année dans le monde. Le VHB occasionne des lésions importantes au niveau du foie, pouvant amener à la cirrhose et au carcinome hépatocellulaire. Ce virus, de la famille des hepadnavirus, contient une capside formée de 240 copies d’une même protéine : la protéine core. Des biopsies de patients infectés par le VHB montrent que la protéine de capside se localise soit dans le noyau soit dans le cytoplasme des cellules infectées. On s’accorde à dire qu’une localisation majoritairement cytoplasmique est liée à une aggravation de la maladie. Nous avons observé que, dans des cellules HuH-7, la protéine core seule est nucléaire alors qu’en contexte viral, elle se localise dans le cytoplasme. Après avoir vérifié que nos observations ne sont pas dues aux conditions de culture des cellules, nous avons démontré que la relocalisation de core est due à des facteurs viraux : la polymérase virale grâce à son domaine TP ainsi que la Tige/Boucle  présente sur l’ARN prégénomique. La localisation de core est aussi influencée par l’état de phosphorylation de ses sérines 157, 170 et 172.Ainsi, nous avons pu montrer à quel point le trafic de core était complexe et qu’il était régulé par divers facteurs viraux et cellulaires. Ces travaux permettront une étude plus approfondie des régulations du trafic intracellulaire de la protéine core et ainsi de faire évoluer plus favorablement l’hépatite B chez les patients infectés. / Hepatitis B is a liver inflammation caused by the Hepatitis B virus (HBV). It is responsible of one to two millions deaths per year in the world. HBV is the cause of important liver damages and may lead to cirrhosis and hepatocellular carcinoma.HBV is a member of hepadnaviral family. It has a capsid composed of 240 copies of the same protein: the core protein. In literature, patients’ biopsies showed that capsid is found either in the nucleus or in the cytoplasm or both compartments of hepatocytes. In general, a cytoplasmic localization is related to an advanced state of the disease.In our study, we observed that in HuH-7 cells, core protein alone has a nuclear localization, whereas in viral context it is essentially found in the cytoplasm. We verified that these observations were not due to culture conditions. Then, we demonstrated that the cytoplasmic localization of core was due to viral factors. The viral polymerase is implied by its TP domain. The second component is the viral pregenomic RNA, by its Epsilon stem loop structure. At last, core localization is also influenced by the phosphorylation state of its serines 157, 170 and 172.Thus, we demonstrated that the core protein traffic is very complex and regulated by different viral and cellular factors. This work will further study the regulation of intracellular trafficking of the core protein and allow a better outcome for the infected patients.

Nous avons étudié la synthèse, la structure et l'évolution sous gaz de nanoparticules (NPs) bimétalliques Au-Cu sur la surface (110) du rutile TiO2. Les NPs ont été obtenues par évaporation sous UHV. Pendant la croissance, la nature des sites de nucléation et l'évolution des densités et distributions de taille des NPs ont été suivies par microscopie à effet tunnel (STM), tandis que la structure et les relations d'épitaxies avec le substrat ont été suivies par diffraction de rayons X en incidence rasante (GIXD). Ces caractéristiques ont été mesurées sous oxygène, sous monoxyde de carbone ou sous mélange CO+O2 jusqu'à des pressions de 10-5 mbar.Nous montrons par STM que les défauts de la surface de type cluster de TiOx sont des sites de nucléation préférentiels pour les NPs. Par ailleurs, des NPs Au-Cu sont obtenues lors de l'évaporation séquentielle d'Au suivi de Cu. Les résultats de GIXD montrent que le Cu diffuse dans le volume des NPs d'Au initiales et forme une solution solide cfc. Les relations d'épitaxies entre les NPs alliées et le substrat indiquent que l'axe <110> des NPs est parallèle à l'axe [001] du substrat, mais que différentes orientations du plan interfacial sont possibles.En fonction de leur composition, la morphologie et à la structure des NPs sont modifiées sous faible pression d'oxygène. Tandis que les NPs de Cu pur disparaissent progressivement sous gaz, une faible proportion d'Au (de l'ordre de 5%) permet de les stabiliser. Cependant, les mesures de diffraction montrent que le Cu migre à la surface des NPs. Un recuit des NPs sous UHV permet de retrouver leur structure initiale. / We have studied the synthesis, the structure and the evolution in reactive environment of Au-Cu bimetallic nanoparticles (NPs) deposited under UHV on a (110) surface of rutile TiO2. During the growth, the type of the nucleation sites and the evolution of both density and size distribution of the NPs were followed with Scanning Tunneling Microscopy (STM), whereas the structure and the epitaxial relations with the substrate were determined using Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXD). These features were measured under oxygen, carbon monoxide and a mix of CO+O2 for pressures bellow 10-5 mbar.We show trough STM imaging that TiOx type of surface defects are a preferential nucleation site for NPs. Moreover GIXD results show that the Cu is able to diffuse inside the initial Au NPs to form a solid solution of fcc structure. The epitaxial relations between alloyed NPs and substrate indicate that the <110> axis of the NPs is parallel to the [001] axis of the substrate, but several orientations for the interfacial plan are possible.According to their composition, the structure and the morphology of the NPs can be modified in the presence of a low pressure of oxygen. Whereas Cu NPs progressively disappear in reactive environment, a small proportion of Au (around 5%) is enough to stabilize the morphology of the NPs. However, diffraction measurements show that in these conditions, the Cu segregates to the surface of the NP. A thermal annealing of the NPs under UHV allow to recover their initial structure.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale de phase isolante non-conventionnelle, l'isolant d'Anderson, induit par le désordre, l'isolant de Mott, induit par les interactions de Coulomb, et les isolants topologiques.Dans une première partie du manuscrit, je décrirais le développement d'une méthode pour étudier la réponse de charge de nanoparticules par Microscopie à Force Electrostatique (EFM). Cette méthode a été appliquée à des nanoparticules de magnétite (Fe3O4), un matériau qui présente une transition métal-isolant, i.e. la transition de Verwey, lors de son refroidissement en dessous d'une température TV~120 K.Dans une seconde partie, ce manuscrit présente une étude détaillée de l'évolution de la densité d'états au travers de la transition métal-isolant entre un isolant de type Anderson-Mott et une phase métallique dans le matériau SrTiO3, et ceci, en fonction de la concentration de dopants, les lacunes d'oxygènes. Nous avons trouvé que dans un dispositif memoresistif de type Au-SrTiO3-Au, la concentration de dopants pouvait être ajustée par migration des lacunes d'oxygènes à l'aide d'un champ. Dans cette jonction tunnel, l'évolution de la densités d'états au travers de la transition métal-isolant peut être étudiée de façon continue. Finalement, dans une troisième partie, le manuscrit présente le développement d'une méthode pour la microfabrication d'anneaux de Aharonov-Bohm avec l'isolant topologique, Bi2Se3, déposée par épitaxie à jet moléculaire. Des résultats préliminaires sur les propriétés de transport quantique de ces dispositifs seront présentés. / This manuscript presents an experimental study of unconventional insulating phases, which are the Anderson insulator, induced by disorder, the Mott insulator, induced by Coulomb interactions, and topological insulators.In a first part of the manuscript, I will describe the development of a method to study the charge response of nanoparticles through Electrostatic Force Microscopy (EFM). This method has been applied to magnetite Fe3O4 nanoparticles, a material that presents a metal-insulator transition, i.e. the Verwey transition, upon cooling the system below a temperature Tv=120K. In a second part, this manuscript presents a detailed study of the evolution of the Density Of States (DOS) across the metal-insulator transition between an Anderson-Mott insulator and a metallic phase in the material SrTiO3 and this, as function of dopant concentration, i.e. oxygen vacancies. We found that in this memristive type device Au-SrTiO3-Au, the dopant concentration could be fine-tuned through electric-field migration of oxygen vacancies. In this tunnel junction device, the evolution of the DOS can be followed continuously across the metal-insulator transition. Finally, in a third part, the manuscript presents the development of a method for the microfabrication of Aharonov-Bohm rings with the topological insulator material, Bi2Se3, grown by molecular beam epitaxy. Preliminary results on the quantum transport properties of these devices will be presented.

Trois nouvelles phases cubiques riches en azote ont récemment été découvertes dans le système Fe-N. Les systèmes Fe-N et Fe-C possèdant des structures en commun, il peut être envisagé la formation de structures inédites dans le système Fe-N-C. Ces 3 systèmes sont explorés en élaborant dans un large domaine de composition des dépôts par pulvérisation cathodique et en les caractérisant par XEDS, SNMS, microsonde de Castaing, DRX, MET, EELS et MEB. Les films du système Fe-C riches en carbone possèdent une structure nanocomposite. Les films du système Fe-N riches en azote sont constitués des phases cubiques ?'' et ?''' et d’une phase non répertoriée appelée X. L’insertion de carbone entraîne la disparition de ces phases au profit des phases Fe2(N,C). Les nitrures ?'' et ?''' ont été isolés, ce qui a permis de déterminer la structure de ?''' et de caractériser leur microstructure, l'influence de l'oxygène, etc... L'existence d'un carbonitrure cubique ?'''-Fe(N,C) a été mise en évidence / Three nitrogen-rich new cubic phases were recently discovered in the Fe-N system. As the Fe?N and Fe-C systems have joint structures, it can be considered the formation of new structures in the Fe-N-C system. These three systems are explored by preparing, in a large field of composition, coatings by sputtering. The coatings were characterized structurally and chemically with the help of XEDS, SNMS, Castaing probe, XRD, TEM, EELS and SEM. The carbon-rich Fe-C coatings possess a nanocomposite structure. The nitrogen-rich Fe-N coatings rich are mixtures of the cubic ?'' and ?''' phases and of a no-referenced phase, called X. Carbon addition involves the disappearance of these phases to the profit of the Fe2(N,C) phases. The ?'' and ?''' nitrides were isolated, which made it possible to determine the structure of ?''', together with the characterization of their microstructure, the influence of oxygen … A cubic ?'''-Fe(N,C) carbonitride was highlighted

Ce travail de thèse porte sur une étude systématique des mécanismes d'adsorption et d'interaction du chlore avec les surfaces des métaux Au(111), Ag(111) et Cu(111). Pour cette étude nous avons mis en oeuvre une méthode d'élaboration par réaction gaz/surface en conditions ultra-vide. Les systèmes élaborés ont été étudiés d'un point de vue structural par diffraction d'électrons lents et par microscopie à effet tunnel basse température (5K). Les propriétés électroniques on fait l'objet de mesures de spectroscopie locale par effet tunnel. La première partie de ce travail est dédiée aux modifications structurales induites par l'adsorption du chlore dans le régime sub monocouche et au régime de saturation, qui correspond à l'apparition des stades précurseurs de la formation des halogénures métalliques. A partir de nombreux résultats expérimentaux, nous avons réussi à décrire de façon détaillée les mécanismes d'interaction gaz/surfaces et à proposer des modèles de structures à l'échelle atomique jusqu'alors non résolues. Les modèles proposés ont été validés par des calculs DFT. La seconde partie de la thèse est consacrée aux propriétés électroniques originales de réseaux de puits quantiques formés par auto organisation du chlore à la surface (111) de l'or. Nous avons étudié les résonances quantiques qui se forment par confinement des états électroniques de surface dans des pores de quelques nanomètres de diamètre. Les états propres des puits quantiques ainsi constitués ont été caractérisés en fonction de la taille et de la forme des puits et une modélisation numérique des propriétés spectrales par une approche de type "particule dans une boîte" a complété l'étude expérimentale / This work is related to the systematic study of chlorine adsorption mechanism on the metal's surfaces Au(111), Ag(111) and Cu(111). We had used for this study the interaction of chlorine gas with metal surface in ultra-high vacuum conditions. Elaborated systems were characterized from the structural point of view by low-energy electron diffraction and low-temperature scanning tunneling microscopy (5 K). Local electronic properties were probed by scanning tunneling spectroscopy. The first part of the work is devoted to the surface's structural modifications induced by chlorine adsorption from sub-monolayer regime to saturation, which corresponds to the appearance of metal halide precursors. From numerous experimental results we were able to describe in details the mechanism of gas/surface interaction and to propose atomic structural models that remained unresolved up to now. The proposed models were validated by density functional theory calculations. The second part of the thesis is devoted to the study of original electronic properties of the superstructure of quantum wells formed by self-organization of chlorine atoms on (111) surface of gold. We had studied the quantum resonances that appeared due to the confinement of surface electronic states in the pores of few nanometers in diameter. The eigenstates were characterized as a function of the quantum well?s shape and size. This study was completed by numerical modeling of spectroscopic properties of nano-pores in the "particle-in-a-box" limit

Les techniques optogénétiques ont laissé entrevoir un potentiel exceptionnel dans l’étude des mécanismes gouvernant l’intégration de l’information dans le système nerveux. Afin d’établir les relations existant entre des séquences d’activité neuronale définies et le comportement, les techniques optiques doivent permettre d’appréhender des groupes de neurones avec une résolution cellulaire chez l’animal éveillé et mobile. Jusqu’alors, l’activité neuronale chez l’animal vigile non contraint n’a été contrôlée que via l’illumination en champs large. Dans ce travail, nous démontrons une résolution proche de la cellule unique pour la photoactivation, chez l’animal éveillé et mobile, à l’aide d’un fibroscope. Les motifs de photoactivation, produits par holographie, sont transmis jusqu’à la souris par un guide d’image couplé à un micro-objectif. Une imagerie de fluorescence permet de localiser les cellules d’intérêt et d’enregistrer l’activité neuronale, par épifluorescence, illumination structurée, ou encore microscopie confocale multi-point sans balayage. Le fibroscope est testé chez l’animal anesthésié et chez l’animal éveillé et mobile, dont les interneurones de la couche moléculaire du cervelet expriment les protéines ChR2-tdTomato et GCaMP. Nous avons généré des signaux calciques somatiques en ciblant les corps cellulaires avec des spots de photoactivation de 5µm de diamètre. Chez l’animal anesthésié, nous avons démontré que la photoactivation pouvait être réalisée avec une résolution latérale de 10µm et une résolution axiale de 40µm, en considérant la demi-largeur à mi-hauteur de la courbe de résolution. Nous avons montré qu’un ou plusieurs soma pouvaient être ciblés sélectivement. Chez l’animal éveillé et mobile, le champs de vue est resté stable au cours des acquisitions. Nous avons trouvé une résolution latérale pour la photoactivation égale à 10µm, démontrant une résolution de photoactivation proche de la cellule unique chez l’animal vigile non contraint. / Optogenetics has shown great potential to study the mechanisms governing information integration in the brain. To link specific spatiotemporal activity patterns and behaviours, optical methods should provide simultaneous access to a group of neurons with single cell resolution in freely behaving animals. So far, however, optogenetic control of neural activity in freely behaving rodents has been performed with widefield illumination only. Here, we demonstrate photoactivation with near-cellular resolution in freely behaving mice using a fiberscope. Photoactivation patterns, produced with computer-generated holography, were transmitted to the mouse using a fiber bundle coupled to a micro-objective. Fluorescence imaging allowed locating cells and recording neuronal activity, via either epifluorescence, structured illumination, or scanless multi-point confocal microscopy. The fiberscope was tested both in anesthetized and freely-behaving mice co-expressing ChR2-tdTomato and GCaMP proteins in cerebellar molecular layer interneurons. By targeting an interneuron soma with a 5µm diameter photoactivation spot, we could elicit a calcium transient. In anesthetized animals, we demonstrated that photoactivation could be performed with 10µm and 40µm lateral and axial resolution, half-width at half maximum, respectively. We showed that either a single or multiple somata could be selectively targeted. In awake unrestrained animals, the field of view remained stable during our acquisitions. We found that photoactivation lateral resolution remained equal to 10µm, demonstrating photoactivation with near-cellular resolution in freely behaving mice.

Le noyau cellulaire est le siège de réactions chimiques dont le but est l’expression de gènes, la duplication du génome et du maintien et l’intégrité de l’information génétique. Ces réactions sont régulées au cours du cycle cellulaire ou en réponse à un stress. Parmi elles, la transcription permet qu’une séquence d’ADN soit reproduite sous forme d’ARN messager. La transcription est un exemple frappant de processus fondamental pour la cellule impliquant parfois un nombre très faible de molécules. En effet, il n’y a souvent dans un même génome que quelques copies d’un même gène. Le but de cette thèse est d’imager les processus nucléaires dans des cellules humaines à l’échelle de la molécule unique et d’en extraire les grandeurs caractéristiques. Depuis les années 90, des inventeurs de génie ont développé des méthodes simples à partir de microscopes inversés ordinaires pour observer des molécules individuelles jusque dans le noyau des cellules. Nous avons utilisé ces méthodes pour suivre des facteurs de transcription qui régulent la transcription d’un gène. Nos mesures montrent que, bien que hiératique, l’exploration du noyau par les facteurs de transcriptions est régulée par leurs propriétés chimiques. L’agencement des composants du noyau guide les facteurs de transcription dans la recherche d’un gène. Comme exemple de cet agencement, nous nous sommes ensuite intéressés à l’organisation de l’ADN dans le noyau pour montrer qu’elle présentait les caractéristiques d’une structure auto-organisée, une structure fractale. Cette structure change en réponse aux aléas de la vie de la cellule. Dans une dernière étude, nous avons suivi un locus dans le noyau d’une levure. La structure du noyau, qui est révélée par notre méthode, contraint la diffusion du locus à un régime de reptation. Tous ces résultats montrent combien la structure du noyau et les réactions chimiques qui y ont lieu sont interdépendantes. Cette thèse a également permis le développement de méthodes de quantification précises des réactions cellulaires à l’échelle de la molécule unique. / The cell nucleus is a chemical reactor. Nuclear components interact with each other to express genes, duplicate the chromosomes for cell division, and protect DNA from alteration. These reactions are regulated along the cell cycle and in response to stress. One of the fundamental nuclear processes, transcription, enables the production of a messenger RNA from a template DNA sequence. While mandatory for the cell, transcription nevertheless may involve a very small number of molecules. Indeed, a single gene would have only few copies in the genome. During my PhD, I studied nuclear processes in human cells nuclei at the single molecule level with novel imaging techniques. I developed new statistical tools to quantify nuclear components movement that revealed a dynamic nuclear architecture. Since the 90s, simple methods have been developed for the observation of single molecules in the cell. These experiments can be conducted in an ordinary inverted microscope. We used these methods to monitor nuclear molecules called transcription factors (TF) that regulate transcription. From TF dynamics, we concluded that nuclear exploration by transcription factors is regulated by their chemical interactions with partners. The organization of the components of the nucleus guide transcription factors in their search of a gene. As an example of this organization, we then studied chromatin, the de-condensed form of nuclear DNA, proving that it displays the characteristics of a self-organized fractal structure. This structure changes in response to cellular fate and stress. In yeast, we showed that the interminglement of chromatin constrained DNA locus movement in a reptation regime. All these results show the interdependence of the structure of the nucleus and of its chemical reactions. With combination of realistic modeling and high resolution microscopy, we have enlightened the specificity of the nucleus as a chemical reactor. This thesis has also enabled the development of accurate methods for the statistical analysis of single molecule data.

La cryo-tomographie électronique (cryo-ET) est une technique d'imagerie capable de produire des vues 3D de spécimens biologiques. Cette technologie permet d’imager de larges portions de cellules vitrifiées à une résolution nanométrique. Elle permet de combiner plusieurs échelles de compréhension de la machinerie cellulaire, allant des interactions entre les groupes de protéines à leur structure atomique. La cryo-ET a donc le potentiel d'agir comme un lien entre l'imagerie cellulaire in vivo et les techniques atteignant la résolution atomique. Cependant, ces images sont corrompues par un niveau de bruit élevé et d'artefacts d'imagerie. Leur interprétabilité dépend fortement des méthodes de traitement d'image. Les méthodes computationelles existantes permettent actuellement d'identifier de larges macromolécules telles que les ribosomes, mais il est avéré que ces détections sont incomplètes. De plus, ces méthodes sont limitées lorsque les objets recherchés sont de très petite taille ou présentent une plus grande variabilité structurelle. L'objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodes d'analyse d'images, afin de permettre une identification plus robuste des macromolécules d'intérêt. Nous proposons deux méthodes computationelles pour atteindre cet objectif. La première vise à réduire le bruit et les artefacts d'imagerie, et fonctionne en ajoutant et en supprimant de façon itérative un bruit artificiel à l'image. Nous fournissons des preuves mathématiques et expérimentales de ce concept qui permet d'améliorer le signal dans les images de cryo-ET. La deuxième méthode s'appuie sur les progrès récents de l'apprentissage automatique et les méthodes convolutionelles pour améliorer la localisation des macromolécules. La méthode est basée sur un réseau neuronal convolutif et nous montrons comment l'adapter pour obtenir des taux de détection supérieur à l'état de l'art. / Cryo electron tomography (cryo-ET) is an imaging technique capable of producing 3D views of biological specimens. This technology enables to capture large field of views of vitrified cells at nanometer resolution. These features allow to combine several scales of understanding of the cellular machinery, from the interactions between groups of proteins to their atomic structure. Cryo-ET therefore has the potential to act as a link between in vivo cell imaging and atomic resolution techniques. However, cryo-ET images suffer from a high amount of noise and imaging artifacts, and the interpretability of these images heavily depends on computational image analysis methods. Existing methods allow to identify large macromolecules such as ribosomes, but there is evidence that the detections are incomplete. In addition, these methods are limited when searched objects are smaller and have more structural variability. The purpose of this thesis is to propose new image analysis methods, in order to enable a more robust identification of macromolecules of interest. We propose two computational methods to achieve this goal. The first aims at reducing the noise and imaging artifacts, and operates by iteratively adding and removing artificial noise to the image. We provide both mathematical and experimental evidence that this concept allows to enhance signal in cryo-ET images. The second method builds on recent advances in machine learning to improve macromolecule localization. The method is based on a convolutional neural network, and we show how it can be adapted to achieve better detection rates than the current state-of- the-art.

Les stérilités mâles cytoplasmiques (SMC) résultent d'une incompatibilité nucléo-cytoplasmique. Le cytoplasme (presque toujours la mitochondrie) peut porter un gène de stérilité mâle, et le noyau peut restaurer la fertilité pollinique ou non. Les mécanismes physiologiques conduisant à la mort pollinique restent largement incompris. Plusieurs hypothèses ont été proposées, parmi lesquelles une déficience en ATP. Une SMC gamétophytique a été découverte chez A. thaliana. Une phase ouverte de lecture codant possiblement un peptide de 117 acides aminés, appelée orf117Sha, a été identifiée comme facteur de stérilité candidat.Au cours de ma thèse, j'ai cherché à valider le rôle de l'orf117Sha, et à comprendre comment une anomalie mitochondriale pouvait induire cette SMC. Aucune différence n'a pu être détectée au niveau de l'ARNm de l'orf117Sha entre les lignées stérile et restaurée, mais sa protéine semble accumulée uniquement dans la lignée stérile. La phénocopie par transgénèse de la SMC a suggéré un effet délétère de l'ORF117SHA dans les gamétophytes mâle et femelle.La description cytologique de la SMC montre une mort pollinique progressive à partir du stade binucléé. Auparavant, les mitochondries du pollen gonflent puis éclatent, et le développement s'arrête. L’utilisation de senseurs génétiquement encodés mesurant la concentration en ATP (ATeam) et l'état redox du glutathion (roGFP2-Grx1) a permis la mesure de ces facteurs en microscopie confocale, dans des tissus végétatifs et dans le pollen. La production d'ATP ne semble pas affectée dans la lignée stérile, contredisant l'hypothèse de l'ATP. Le glutathion mitochondrial est suroxydé dans la lignée stérile, à la fois dans les tissus végétatifs étudiés et le pollen, qui serait liée à la SMC car annulée par la restauration génétique de fertilité.Avec cette étude, j'apporte des arguments en faveur de l'orf117Sha dans l'induction de la SMC Sha, et je décris les évènements préalables à l'avortement du grain de pollen. Mes résultats permettent de mieux comprendre les évènements physiologiques conduisant à la mort du pollen. / This work aims at better understand the events leading to pollen abortion in a recently discovered gametophytic cytoplasmic male sterility (CMS) in Arabidopsis thaliana. Although CMS have been widely used in hybrid seed production in many crops, the physiological mechanisms leading to pollen death by the mitochondrial sterilizing genes in the permissive (maintainer) nuclear backgrounds are poorly understood. Association genetics previously identified orf117Sha as a candidate mitochondrial CMS-associated gene.In a first part, I analyzed the expression of the orf117Sha gene in sterile plants and in fertile plants carrying nuclear genes restoring male fertility. I observed unusual features of its mRNA, but detected no difference at this level between sterile and restored plants. Oppositely, the ORF117SHA protein seems to be accumulated specifically in the sterile line, supporting its role in CMS. A phenocopy attempt by transgenesis suggested a possible link between a female and male gametophytic lethality and the ORF117SHA, even though few individuals could be analyzed.In a second part, I observed pollen development in sterile plants and fertile controls using different cytological approaches. My results show a progressive pollen death starting from the binucleate stage in the sterile. Prior to abortion, pollen mitochondria swell before rupture, and the development stops. I used confocal microscopy combined with genetically encoded sensors to explore specific physiological features in pollen and vegetative tissues of sterile plants. With ATeam, which allows the assessment of ATP content in the cytosol, I could challenge the generally accepted hypothesis of an ATP deficiency leading to pollen abortion in CMS. Indeed, the ATP production does not seem to be affected in the sterile line. With a mitochondria-addressed roGFP2-Grx1, I was able to assess the redox state of the glutathione pool in vegetative tissues and in the male gametophyte. I observed an overoxydation of the glutathione pool in mitochondria of the sterile line, in vegetative tissue investigated and in the pollen grain. This overoxydation seems to be linked to the CMS as it is annihilated by the presence of restorer genes.My results pave the way for further exploration of the links between the sterility protein, mitochondrial morphology changes, mitochondrial overoxydation, and pollen development arrest and death in the A. thaliana CMS.