Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Chez les mammifères, il est connu que l'oviducte est un organe responsable du transport et de l'entreposage des gamètes. Parallèlement, il fournit un milieu propice à la maturation, la fécondation et au développement précoce de l'embryon. La prostaglandine E2 (PGE2) joue plusieurs rôles au niveau de la reproduction femelle tant au niveau de l'ovulation, de la lutéinisation, de la fécondation et de la parturition. Toutefois ses actions demeurent méconnues au niveau de l'oviducte. Les enzymes impliquées dans la production de PGE2 à partir de l'acide arachidonique sont les cyclooxygénases (COX) et les prostaglandines E synthétases (PGES). Deux COX et trois PGES ont été identifiées chez la vache. Nous avons donc étudié les enzymes de biosynthèse de PGE2 le long de l'oviducte bovin pendant son cycle oestral. Nos résultats montrent un patron d'expression spécifique des différentes enzymes impliquées dans la production de PGE2.

L’activité de croissance des plantes se trouve souvent limitée par les conditions contraignantes de l’environnement. La salinité du sol est l’une des majeures contraintes abiotiques qui ne cesse d’envahir les surfaces cultivés chaque année. Elle entraine chez les espèces glycophytes des perturbations d’ordre osmotique, nutritionnel et métaboliques. La nutrition et le métabolisme de l’azote minéral constituent des étapes primordiales dans la synthèse des acides aminés et des composés azotés indispensables chez les plantes. Par conséquent, l’étude de l’expression des enzymes impliquées dans l’assimilation d’azote telle que l’asparagine synthétase (AS, EC 6.3.5.4) chez l’arabette des dames (Arabidopsis thaliana) permet d’avancer nos connaissances sur la régulation transcriptionnelle du métabolisme azoté sous stress salin. Au cours des travaux de recherche entamés dans le cadre de cette thèse, un intérêt particulier est accordé au gène ASN2 chez Arabidopsis. Les résultats obtenus ont montré que la mutation ASN2 a accentué les effets du NaCl sur l’assimilation de l’ammonium. Le mutant asn2-1 se montre plus sensible au stress salin que le sauvage malgré que l’absence des transcrits du gène ASN2 est associé à une expression importante du gène ASN1. L’inhibition de l’activité glutamine synthétase (GS, EC 6.3.1.2), la faible activité aminatrice de la GDH (NADH-GDH, EC 1.4.1.2) sous stress salin ainsi que l’absence des transcrits ASN2 seraient à l’origine de l’accumulation de l’ammonium chez le mutant asn2-1. Toutefois, l’application exogène de l’ammonium nous a montré que l’action du NaCl sur l’expression de l’asparagine synthétase n’est pas directement liée à l’accumulation endogène d’ammonium. L’accumulation d’autres métabolites tels que l’asparagine, la glutamine et la glutamate pourrait être à l’origine des effets du sel sur l’expression des gènes ASN. / Plant growth activity is often limited by constraint environment conditions. Soil salinity is one of major abiotic stress which is becoming more problematic every year. In glycophytes species, it induced osmotic, nutritional and metabolic disturbances. The nitrogen nutrition and metabolism constitute an essential step in amino acid and nitrogen compounds synthesis in plants. Therefore, studying the expression of enzymes involved in nitrogen assimilation such as asparagine synthetase (AS, EC 6.3.5.4) in Arabidopsis thaliana will improve our knowledge on the transcriptional regulation of nitrogen metabolism under salt stress. In the present work of this thesis, a special attention was taken on AS gene (ASN2) wild type and mutants. Obtained results showed that ASN2 mutation accentuated the salt-induced effects on ammonium assimilation. The asn2-1 mutant was more sensitive to salt stress than the wild type, while the ASN2 transcript absence was associated with an important ASN1expression. The observed inhibition of glutamine synthetase (GS, EC 6.3.1.2) activity, the low aminatrice GDH (NADH-GDH, EC 1.4.1.2) activity under salt stress as well as the ASN2 transcript loss brought to an ammonium accumulation in asn2-1mutant. However, exogenous ammonium application showed that NaCl effect on asparagine synthetase expression was not directly related to the endogenous ammonium accumulation. Other metabolites accumulation such as asparagine, glutamine and glutamate could be involved in the obtained salt-effects on ASN expression in Arabidopsis.

L’orge (Hordeum vulgare L.) est l'une des céréales les plus importantes du monde et l’une des premières cultures domestiquées. Elle a été utilisée pendant des siècles pour l'alimentation humaine. Comme toutes les autres plantes, l'orge est dépendante de l'azote inorganique. L’efficacité de remobilisation de l'azote est donc très importante pour le remplissage des grains et pour la teneur en protéines du grain. L'objectif de ce travail est de donner une image du métabolisme des feuilles sénescence chez l'orge lorsque les plantes sont cultivées dans des conditions limitantes ou non en nitrates. Les analyses biochimiques, physiologiques et moléculaires de la sénescence des feuilles d'orge ont été réalisées. La gestion de l'azote pendant la sénescence des feuilles a été suivie par l'évolution des différents composés azotés au cours du vieillissement de la feuille. Une étude de profilage métabolique a été effectuée afin de déterminer les caractéristiques métaboliques de la sénescence des feuilles dans l'orge. En parallèle, les enzymes impliquées dans la remobilisation de l'azote ont été étudiées. Leurs activités et les niveaux de leurs transcripts ont été mesurés. Une attention particulière a été portée aux glutamine synthétases et asparagine synthétases et aux protéines de la machinerie de l'autophagie, processus connus pour jouer un rôle dans la remobilisation de l'azote pendant la sénescence des feuilles. A partir de toutes les données de séquences disponibles, ADNc, EST et séquences génomiques, cinq gènes codant pour les isoformes de glutamine synthétase cytosoliques (GS1), cinq gènes codant pour les isoformes d’asparagine synthétase (AS) isoformes et 19 gènes codant pour des protéines de la machinerie de l'autophagie ont été identifiés. Les expressions de tous les gènes identifiés ont été suivies au cours de la sénescence des feuilles et en fonction de l'alimentation en nitrates. La plupart de ces gènes sont sur-exprimés dans les feuilles sénescentes et de façon différentielle en fonction des conditions de nutrition. Toutes les données de séquences fournies par ce travail seront utiles à d'autres études translationelles et d'association génétique. / Barley (Hordeum vulgare L.) is one of the most important cereals in the world. It was one of the first domesticated crops and was used for centuries for human food. As all plants, barley has a fundamental dependence of inorganic nitrogen and nitrogen remobilization efficiency is very important for grain filling and grain protein content. The aim of this work was then to give a picture of the leaf-senescence metabolism in barley leaves when plants are grown under low or high nitrate conditions. Biochemical, physiological and molecular analyses of barley leaf senescence were performed. Nitrogen management during leaf senescence was monitored measuring changes in the different nitrogen pools during leaf ageing. In addition a large metabolite profiling study was performed in order to determine the metabolic hallmarks of leaf senescence in barley. In parallel enzymes involved in nitrogen remobilization were studied measuring their activity and the transcript levels of their coding genes. There was a special focus on glutamine synthetase and asparagine synthetase enzymes and for autophagy machinery that are known to play a role in nitrogen remobilisation during leaf senescence.From all the sequences data available, cDNA, EST and genomic sequences, we could identified five genes coding for cytosolic glutamine synthetase (GS1), five genes coding for asparagine synthetase (AS) and 19 genes coding for autophagy machinery proteins. Transcript levels of all the genes identified were monitored during leaf senescence and depending on nitrate nutrition. Most of these genes were over-expressed in senescing leaves and differentially expressed depending on nitrate conditions. In addition to the characterization of autophagy, GS1 and ASN genes, phylogenic and gene structures were analysed. All the sequences data provided by this work will be helpful to further translational and genetic association studies.

Le colza d’hiver (Brassica napus) est cultivé pour l’huile contenue dans ses graines ainsi que pour les tourteaux qui sont une source de protéines pour l’alimentation animale. La culture de colza demande de forts apports d’azote et cette espèce est caractérisée par sa faible efficacité d’utilisation de l’azote. Une forte proportion de l’azote absorbé est restituée au sol lors de la chute précoce des feuilles au stade végétatif. L’amélioration de la remobilisation de l’azote est donc de première importance pour améliorer le rendement de cette culture tout en satisfaisant le besoin de réduction des intrants. La glutamine et l’asparagine jouent un rôle important dans le transport de l’azote au sein de la plante, notamment au cours de la sénescence foliaire. Les deux familles multigéniques des glutamine synthétases cytosoliques (GLN1) et des asparagine synthétases (ASN) assurent leur synthèse. Ce travail de thèse s’est intéressé à ces enzymes chez deux Brassicacées : le colza et Arabidopsis thaliana. Dans un premier temps, l’expression des gènes GLN1 a été étudiée chez Arabidopsis par une combinaison d’approches de biologie moléculaire, cellulaire et de cytologie. Les spécificités d’expression de chacun des cinq gènes d’Arabidopsis ont été mises en évidence. L’identification des gènes BnaGLN1 chez Brassica napus a permis une analyse de leur expression en fonction de l’âge des feuilles et de la disponibilité en azote. Les profils d’expression observés chez le colza se sont révélés similaires à ceux des gènes homologues d’Arabidopsis, amenant l’hypothèse d’une conservation des fonctions chez les deux espèces. Le rôle des gènes GLN1 d’Arabidopsis dans la remobilisation de l’azote vers les graines a été étudié grâce à un marquage ¹⁵N effectué sur des mutants simples. Le rôle des gènes GLN1 dans la remobilisation de l’azote des tissus végétatifs vers les tissus reproducteurs a été mis en évidence sans toutefois cibler spécifiquement une isoforme. L’étude de la famille ASN chez Arabidopsis a permis de mettre en évidence des profils d’expression spécifiques en fonction des organes, de l’âge des tissus et de la disponibilité en azote pour chacun des trois gènes. Le marquage ¹⁵N a également révélé une implication des gènes ASN1 et ASN2 dans la remobilisation de l’azote de la rosette vers les tissus reproducteurs. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont une base pour de futures approches translationnelles vers le colza. / Winter oilseed rape (Brassica napus) is grown for its oil-rich seeds and for proteins, used in animal feed cake. It requires high nitrogen inputs due to the low efficiency of nitrogen utilization that characterizes this species. A large proportion of absorbed nitrogen is indeed returned to the soil when leaves fall. Improving nitrogen remobilization to promote seed filling is then required to improve yield and limit fertilizer use. Asparagine and glutamine are important amino acids for phloem translocation. This thesis focuses on the two multigenic families in charge of asparagine and glutamine synthesis: cytosolic glutamine synthetase (GLN1) and asparagine synthetase (ASN). Studies were performed on the two Brassicaceae, rapeseed and Arabidopsis thaliana. The GLN1 gene expressions were investigated in Arabidopsis by a combination of molecular biology and cytology. The five GLN1 genes are differentially expressed in Arabidopsis depending on ageing and nitrogen availability. The identified BnaGLN1 genes in Brassica napus also showed age and nitrogen dependent expressions. Interestingly, expression profiles were similar between homologous genes in Arabidopsis and rapeseed, suggesting that homologous genes share similar function in the two species. The role of Arabidopsis GLN1 genes for nitrogen remobilization to the seeds was monitored using ¹⁵N tracing experiments on individual mutants. The GLN1 genes play a role in the remobilization of nitrogen from the rosette leaves to the reproductive organs. However, their effect is weak and non-specific of one GS1 isoform. ASN genes also presented specific expression profiles depending on organs, age and nitrogen availability. The ¹⁵N tracing revealed that ASN1 and ASN2 are both involved in nitrogen remobilization from the rosette to the seeds. Our studies provide a basis for future translational approaches to improve oilseed rape.

Le but visé par la présente recherche est de faire la synthèse d'inhibiteurs de la glutaminyl (GlnRS), de la glutamyl (GluRS) et de l'aspartyl-ARNt synthétase (AspRS). Le design des inhibiteurs est basé sur l'intermédiaire de la réaction catalysée par les aaRSs, l'adénylate d'aminoacyle. Cet anhydride mixte (carboxylique-phosphorique), hautement instable, est plus fortement lié à l'enzyme que ne le sont ses trois substrats: l'acide aminé, l'ARNt et l'ATP. Différents analogues stables de cet intermédiaire ont été synthétisés dans le but d'empêcher la substitution de l'AMP de l'adénylate d'aminoacyle par l'ARNt. Ainsi, des adénylates d'aminoalkyles, des aminoacylsulfamoyladénosines et des aminoacylphosphonates adénosines ont été synthétisés. Ces composés ont permis d'inhiber l'enzyme correspondante avec des K\ variant du micromolaire au nanomolaire. Ces inhibiteurs ont été utilisés dans des études de cinétiques enzymatiques, en cristallisation et dans la compréhension du mécanisme catalytique de ces enzymes. Les travaux en cours portent sur la rigidification de même que sur la diminution de la polarité de l'adénylate de glutamyle et ce, par la modification de la portion acide glutamique des inhibiteurs déjà synthétisés. La résistance aux antibiotiques constitue un problème très grave de nos jours. Le développement d'antibiotiques possédant de nouveaux modes d'action est au coeur des préoccupations actuelles. Les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRSs) sont des enzymes impliquées dans la biosynthèse des protéines. Elles catalysent l'estérification d'un acide aminé sur l'acide ribonucléique de transfert (ARNt). Leur inhibition entraîne, par conséquent, l'arrêt de la croissance cellulaire. Les enzymes humaines ont connu une évolution suffisamment divergente des aaRSs bactériennes rendant ainsi possible l'inhibition sélective de ces dernières. Elles représentent donc des cibles intéressantes pour le développement d'antibiotiques. L'acide pseudomonique, un inhibiteur de l'isoleucyl-ARNt synthétase, possède des propriétés antibiotiques. Il est commercialisé comme antibiotique topique par la compagnie pharmaceutique GlaxoSmithKline.

Apparues il y a environ trois milliards d'années, les cyanobactéries ont façonné notre planète, en produisant l’atmosphère oxygénique. De nos jours, les cyanobactéries sont les organismes photosynthétiques les plus abondants dans notre environnement, elles assurent environ 30 à 40% de la production d'O2, et de la consommation du CO2 par les océans et constituent le premier maillon de la chaîne alimentaire. A part la photosynthèse, leur métabolisme est encore très mal connu. Ainsi, pour mieux comprendre le métabolisme cyanobactérien et proposer des stratégies de reprogrammation, il est primordial de développer des méthodes analytiques permettant l’étude globale de leur métabolisme en réponse à des variations de conditions environnementales et de stress. La cyanobactérie modèle Synechocystis PCC6803 convient parfaitement à ce type d’analyse. En effet, Synechocystis est un unicellulaire, hétérotrophe facultative capable de se développer en eau douce ou saumâtre et à un pH alcalin. Synechocystis possède un petit génome d’environ 4.0 Mb entièrement séquencé et facilement manipulable grâce aux outils développés au laboratoire. Son génome prédit l'existence d'un métabolisme carboné complexe mais encore peu étudié. Mon travail de thèse est centré sur cette analyse par la combinaison de deux approches, la génomique fonctionnelle et la métabolomique. Durant ma thèse en collaboration avec le LEMM dirigé par Christophe Junot iBiTec-S/SPI, j’ai développé un protocole d’extraction des métabolites de Synechocystis, ainsi qu’une méthode d’analyse métabolomique par couplage de la chromatographie liquide à la spectrométrie de masse LTQ-Orbitrap à haute résolution. L’application de cette nouvelle méthode analytique m’a permis d’étudier l’influence de la lumière et du glucose sur le métabolisme de Synechocystis. Ainsi, j’ai montré que Synechocystis cultivée en présence du glucose reprogramme fortement son métabolisme. Parmi les résultats très intéressants, j’ai montré que le glucose engendre un stress oxydant. Chez tous les organismes, une forte activité du métabolisme carboné entraîne la production de métabolites toxiques tels que le méthyglyoxal (MG). Le MG modifie irréversiblement de nombreuses bio-molécules. Dans le cadre de ma thèse, j’ai commencé à m’intéresser à l'effet du MG sur la physiologie et le métabolisme de Synechocystis. J'ai construit 25 mutants KO pour les gènes de la glycolyse et du métabolisme du glycérol permettant de moduler la concentration intracellulaire de MG et également les gènes impliqués dans les voies de détoxication du MG dont celle dépendante de la synthèse du GSH (la voie des glyoxalases). J’ai pu montrer que les gènes responsables de la synthèse du GSH sont essentiels à la viabilité cellulaire. Je suis parvenu toutefois à obtenir un mutant déplété de gshB et ne produisant plus de GSH à un niveau détectable. En faisant une analyse métabolomique approfondie, j’ai mis en évidence pour la première fois que Synechocystis était capable produire deux tripeptides non-thiolés analogues structuraux du GSH; l’acide ophthalmique et l’acide norophthalmique identifiés jusqu’à présent uniquement chez les mammifères. La comparaison des métabolomes de culture de souches sauvage, ou dépletées en gshA, gshB ou ggt, a permis de montré que ces analogues sont synthétisés par les mêmes enzymes que le GSH à savoir GshA et GshB. Par ailleurs, une autre molécule anti-oxydante dont la synthèse est connue chez quelques champignons et qui s’accumule chez l’Homme par l’apport alimentaire a également été observée. / Cyanobacteria are fascinating microorganisms. They are among the oldest life forms, regarded as the progenitors of the oxygenic photosynthesis and plant chloroplast. Furthermore, cyanobacteria have evolved as the largest and most diverse groups of bacteria in colonizing most marine and fresh waters, as well as soils. An important reason for the hardness of cyanobacteria is their successful combination of effective metabolic pathways driven by their efficient photosynthesis that uses nature's most abundant resources, solar energy, water and CO2, to produce a large part of the Planet's oxygenic atmosphere and organic assimilates for the food chain. Hence, cyanobacteria are receiving a growing attention because of their potential for the carbon-neutral production of biofuels and bioplastics. To better understand cyanobacteria and turn their biotechnological potentials into an industrial reality, we need to develop robust protocols for global analysis of their metabolism and its responses to environmental stresses. The model cyanobacterium Synechocystis PCC6803 is well suited for this purpose. Synechocystis is a basic organism, i.e. unicellular, which grows well (i) in fresh- and marine-waters; (ii) in the presence of glucose that can compensate for the absence of light; and (iii) at high pH that prevents microbial contaminations. Furthermore, Synechocystis harbors a small sequenced genome (about 4.0 Mb), which can be easily manipulated. In the present work, we developed a robust protocol for metabolome analyses of Synechocystis, using liquid chromatography (LC) for metabolite separation, coupled to a LTQ-Orbitrap mass spectrometer that provides high sensitivity and resolution, accurate mass measurements, and structural informations with MS/MS or sequential MSn experiments that facilitate metabolite identification. Consequently, we applied the PFPP-LC/MS method to analyze the metabolome of Synechocystis growing under various conditions of light and glucose, which strongly influence cell growth. We found that glucose increases glucose storage and catabolism, while it decreases the Calvin-Benson cycle that consumes photosynthetic electrons for CO2 assimilation. Depending on light and glucose availabilities, this global metabolic reprogramming can generate an oxidative stress, likely through the recombination of the glucose-spared electrons with the photosynthetic oxygen thereby producing toxic reactive oxygen species. Furthermore, we studied the metabolism of an endogenous toxic the méthylglyoxal and its main catabolic pathway going through the glyoxalases system glutathione dependent.

La traduction implique l’utilisation d’aminoacyl-ARNt produits par les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS). Il devrait exister 20 aaRS, une spécifique de chaque acide aminé. Or, les données actuelles montrent qu’une grande majorité des organismes ne possèdent pas l’asparaginyl- (AsnRS) et/ou la glutaminyl-ARNt synthétase (GlnRS). Ils ne peuvent synthétiser l’Asn-ARNtAsn et le Gln-ARNtGln que par l’utilisation de voies impliquant la formation préalable d’aspartyl-ARNtAsn et/ou de glutamyl-ARNtGln. Ces précurseurs « mésacylés » sont synthétisés par une aspartyl-ARNt synthétase et/ou une glutamyl-ARNt synthétase non-discriminantes (AspRS-ND ou GluRS-ND). Ils sont ensuite amidés par une amidotransférase (AdT), pour fournir à la cellule l’Asn-ARNtAsn et/ou le Gln-ARNtGln nécessaires à la traduction des codons Asn et Gln.Ce travail de thèse, effectué dans le contexte biologique de deux organismes différents, Thermus thermophilus et Helicobacter pylori, a permis de montrer que les étapes enzymatiques – formation du précurseur, et amidation par l’AdT – sont réalisées au sein de complexes ribonucléoprotéiques, réunissant l’aaRS-ND, l’ARNtAsn ou l’ARNtGln, et l’AdT : l’Asn-transamidosome ou le Gln-transamidosome. Selon leur origine ou la voie à laquelle ils appartiennent (asparaginylation ou glutaminylation), ces complexes possèdent des particularités mécanistiques et structurales très différentes, mais sont tous adaptés pour éviter la libération des intermédiaires mésacylés toxiques par des stratégies spécifiques. Ce travail permet de mieux comprendre les mécanismes évolutifs qui ont conduit à l’incorporation de l’Asn et de la Gln dans le code génétique. / Protein synthesis requires the biosynthesis of aminoacyl-tRNAs by aminoacyl-tRNA synthétases (aaRS). Since 20 amino acids are présent within the genetic code, 20 aaRS should be used by a single organism. However, the vast majority of organisms found today are deprived of asparaginyl- and/or glutaminyl-tRNA synthetases (Asn- or GlnRS). They can only synthesize Asn-tRNAAsn and/or Gln-tRNAGln through biosynthesis pathways involving the preliminary formation of aspartyl-tRNAAsn and /or glutamyl-tRNAGln. Those « misacylated » precursors are synthesized by so called non-discriminating aspartyl- or glutamyl-tRNA synthetases (ND-AspRS or –GluRS). Then, they are transferred to an amidotransferase (AdT) to provide the Asn-tRNAAsn and/or Gln-tRNAGln species (necessary to fuel protein synthesis) through amidation.This work was performed in the context of two organisms – Thermus thermophilus and Helicobacter pylori. It showed that the two enzymatic steps of asparaginylation and glutaminylation – biosynthesis of the misacylated precursor and amidation by AdT – are carried out within a single ribonucleoprotein complex, namely the (Asn- or Gln-) transamidosome, gathering the ND-aaRS necessary for the misacylation, the tRNA substrate (Asn or Gln) and the AdT. According to their origin or the pathway they originate from (asparaginylation or glutaminylation), those complexes display significant mechanistical and structural peculiarities, but they are all adapted to prevent libération of the toxic misacylated species through specific strategies. This work shed new light on the évolutive mechanisms that led to the incorporation of Asn or Gln into the genetic code.

Depuis 1991, année de mon recrutement au CNRS, mon activité de recherche est centrée sur l'étude d'une famille d'enzymes intervenant dans la biosynthèse protéique : les aminoacyl-tRNA synthétases. Mon travail s'est articulé autour de l'étude de leur organisation fonctionnelle et de la compréhension des bases moléculaires de la reconnaissance spécifique entre ces enzymes et leurs substrats. Des approches multidisciplinaires (biologie moléculaire, biochimie, cristallographie aux rayons X, enzymologie et génétique) ont été mises en œuvre pour une exploration globale de ces problèmes. Nous avons pu progresser dans la connaissance de deux enzymes modèles : l'aspartyl-tRNA synthétase et l'arginyl-tRNA synthétase, deux enzymes appartenant respectivement à la classe II et à la classe I des aminoacyl-tRNA synthétases. Nous avons localisé les sites de fixation des différents substrats, proposé des mécanismes catalytiques et sélectionné in vivo des variants d'aminoacyl-tRNA synthétases et de tRNAs aux propriétés de reconnaissance modifiées.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.