Le Sélénium (Se) est un oligo-élément essentiel qui est incorporé dans une famille indispensable de protéines, les sélénoprotéines, sous la forme d’un résidu acide aminé rare, la sélénocystéine. Dans les études épidémiologiques, il apparait clairement que des faibles niveaux de sélénium dans les fluides biologiques sont associés avec (i) une augmentation du risque de cancers (colon, prostate, poumon) et de maladies cardiovasculaires, (ii) une altération de la fonction immunitaire et (iii) finalement une réduction de l’espérance de vie. Dans le génome humain, vingt-cinq gènes de sélénoprotéine ont été identifiés. Ces gènes expriment, de par la complexité de la régulation du génome, de nombreuses isoformes de chacun des 25 gènes pour constituer le sélénoprotéome. Quand la fonction est connue, ces protéines participent à des processus essentiels de défense antioxydante, d’homéostasie redox et de signalisation redox. Ces enzymes sont finement régulées par l’apport en sélénium et d’autres stimuli cellulaires. Pour comprendre la fonction et la régulation du sélénoprotéome humain, qui est exprimé à un niveau trace, il s’avère critique de développer une stratégie innovante basée sur une approche multidisciplinaire de détection et quantification du sélénium par différents outils de spectrométrie de masse élémentaire (ICP MS) et moléculaire (ESI-MS/MS). Tout d’abord, le sélénium possède un profil isotopique bien particulier avec six isotopes stables (74Se, 76Se, 77Se, 78Se, 80Se and 82Se) qui sert de signature dans nos analyses en ICP-MS ou en ESI-MS/MS. En parallèle, l’utilisation de sélénium isotopiquement enrichi permet également des marquages cellulaires en multiplexing. Ainsi, en couplant des méthodes de séparation en phase liquide (HPLC) ou en gel d’électrophorèse (IEF ou SDS-PAGE échantilloné par ablation laser) avec l’ICP MS, nous avons mis au point plusieurs méthodes permettant la détection de plusieurs sélénoprotéines de manière simultanée dans différentes lignées cellulaires. De plus, un médicament sélénié sous forme de triglycéride obtenu via un mélange d’huile de tournesol et de sélénite a été testé comme source de sélénium non toxique pouvant stimuler la production de sélénoprotéines. Plusieurs lignées cellulaires humaines cancéreuses et non-cancéreuses ont été expérimentées avec succès permettant de valider cette nouvelle source de sélénium dans la synthèse des sélénoprotéines. / Selenium (Se) is an essential trace element, which is incorporated as a rare aminoacid, selenocysteine, in twenty five selenoproteins, to constitute the selenoproteome. Selenoprotein family is one of the most important bioactive form of selenium in human health. Initially demonstrated in Kashin Beck and Keshan diseases, selenium deficiency is associated with several pathological conditions, including cancer, neurodegenerative diseases, immune and muscular disorders. Chronic selenium deficiency is hypothesized to decrease antioxidant defenses and redox regulatory pathways through a dysregulation of selenoprotein expression. We are interested in understanding the synthesis and regulation of human selenoproteins, which is critically dependent on the availability of adequate analytical methodology. To understand the function and regulation of human selenoproteome, which is expressed at a trace levels, it appears critical to develop innovative strategies based on a multidisciplinary approach to detect and quantify selenium by various elemental and molecular mass spectrometer tools. First, selenium has a particular isotopic profile with six stable isotope (74Se, 76Se, 77Se, 78Se, 80Se and 82Se) used as a signature in our analysis with ICP-MS or ESI-MS/MS. In parallel, the use of isotopically enriched selenium also allows cellular labelling and tracing of selenoproteins and other seleno-coupounds. By coupling liquid phase separation methods (HPLC) with specific mass spectrometry analytical tools, we have developed several methods for detecting several selenoproteins simultaneously in various human cell lines.

We have previously demonstrated that long-term dietary Se deficiency in old Terc-/- mice with humanized telomeres induces type-2 diabetes and exacerbates age-dependent increases in the abundance of A. muciniphila and Lachnospiraceae, which are related to obesity and metabolic syndromes. The objectives of this dissertation are: 1) to determine the minimum intake of Se required for type 2 diabetes prevention in middle-aged mice; 2) to evaluate the efficacy of A. muciniphila and R. torques (a Lachnospiraceae family member) to intervene dietary Se deficiency-induced type 2 diabetes and the underlying mechanisms; 3) to assess sex differences in the responses to dietary Se deficiency and oral gavage of such bacteria. Our results demonstrated that mice fed diets containing ≤0.10 mg Se/kg developed glucose intolerance and insulin resistance at middle-aged stage. To address objectives 2 and 3, we showed that dietary Se deficiency exacerbated type-2 diabetes-like phenotypes in males but the extent was less in females aged 7 and 13 months. Oral gavage of A. muciniphila into either antibiotics-treated or conventional mice ameliorated these phenotypes and elevated beneficial bacteria (Lactobacillus, F. prausnitzii, and Roseburia spp./E. rectale) abundance, but reduced E. coli abundance. Dietary Se deficiency decreased intestinal barrier functions and induced intestinal inflammation. In conventional mice, A. muciniphila oral gavage reversed such intestinal defects but did not affect the expression of selenoproteins. By contrast, oral gavage of R. torques did not restore dietary Se deficiency-induced type 2 diabetes-like phenotypes in female mature mice and showed opposite impacts on the change of the 4 specific genera in comparison with A. muciniphila oral gavage. Taken together, our findings demonstrate that suboptimal body Se status induces type 2 diabetes and reshapes gut microbiota in an age- and sex-dependent manner. Such metabolic defects in conventional Se-deficient mice can be alleviated by A. muciniphila but not R. torques supplement, which may counteract common intestinal defects in metabolic syndrome. In conclusion, optimal Se at nutritional level of intake is necessary to prevent type 2 diabetes. A. muciniphila is a promising supplement for alleviation of type 2 diabetes and possibly other metabolic diseases in relation to intestinal inflammation and glucose dysregulation.

Le sélénium est un micronutriment essentiel pour des nombreux organismes vivants, y compris l’homme. Son rôle est lié à sa présence dans des sélénoprotéines sous forme d’un acide aminé, génétiquement encodé – la sélénocystéine. Il y a 25 sélénoprotéines encodées dans le génome humain. Leurs fonctions, la cinétique et la hiérarchie d'expression se trouvent au cœur des problématiques de recherche concernant le sélénium et la santé humaine. Il existe également un autre type de protéines où le sélénium est inséré par un remplacement partiel du soufre dans la méthionine mais aussi, potentiellement, dans la cystéine. Ces protéines suscitent l’intérêt dans les sciences de nutrition comme source de sélénium biodisponible dans l’alimentation naturelle et supplémentée. L'objectif de cette thèse a été la mise au point de méthodologies analytiques visant la spéciation du sélénium incorporé dans les protéines à l’échelle du protéome entier. Une procédure inédite a été développée pour la détection globale de protéines séléniées dans des gels d’électrophorèse bidimensionnelle par l’imagerie d’ablation laser ICP MS (spectrométrie de masse plasma à couplage inductif) permettant de s’affranchir de l’utilisation de l’isotope radioactif 75Se. Les autres avancées comprennent la mise en place d’un couplage robuste de HPLC capillaire avec l’ICP MS pour la détection des sélénopeptides dans des microvolumes de digestats trypsiques des protéines extraites du gel ainsi que la mise en place des protocoles d’identification des protéines séléniées par la spectrométrie de masse électrospray en tandem utilisant la trappe orbitale (Orbitrap). Les méthodes développées ont permis (i) la caractérisation de la part du protéome sélénié contenant la sélénocystéine chez la levure séléniée, (ii) l’identification des protéines majeures qui accumulent le sélénium dans le blé, et (iii) le dosage semi quantitatif et la caractérisation globale des sélénoprotéomes (GPx1, GPx4, TRxR1, TRxR2, Sel15kDa) dans les lignées cellulaires. / Selenium is an essential micronutrient for many living organisms including man. Its role is related to selenoproteins which contain genetically encoded selenocysteine. There are 25 selenoproteins encoded in the human genome. Their function, expression kinetics and hierarchy have been a topic of intense research in life sciences. There is another type of proteins which contain selenium inserted non-specifically by partly replacing sulphur in methionine and, potentially, cysteine. They are of interest in nutrition science as source of bio-available selenium in natural and supplemented foods. The goal of this Ph.D. was the development of methodologies for the analysis of selenium-containing proteins on the entire proteome scale. A novel procedure was developed for their global detection in 2D electrophoretic gels par laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP MS) imaging permitting to avoid the use of the radioactive 75Se. The other developments included (i) a robust capillary HPLC – ICP MS coupling allowing the detection of Se-containing peptides in microliter volumes of the digests of proteins extracted from the gel and (ii) protocols allowing the targeted identification of the Se-containing proteins by a parallel capillary HPLC - electrospray Orbitrap MS/MS. The methods developed allowed (i) the characterisation of the selenocystein-containing part of the selenoproteome of Se-enriched yeast, (ii) identification of the major Se-accumulating proteins in wheat, and (iii) semiquatitive analysis and global identification of the selenoproteomes (GPx1, GPx4, TRxR1, TRxR2, Sel15kDa) expressed in different human cell lines.