Laboratoire de Physique Théorique
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Etude des adaptations métaboliques tissulaires et systémique dans les leucémies aiguës myéloïdes
Get PDFLes leucémies aiguës myéloïdes (LAM) sont la classe d'hémopathies malignes la plus courante. Elles sont caractérisées par un défaut de l'hématopoïèse normale qui conduit à l'accumulation de cellules sanguines immatures, appelées blastes. Des traitements efficaces existent depuis quelques décennies, mais, mis à part l'allogreffe de moelle osseuse saine, aucun traitement n'est curatif. Cela est dû à la présence et l'apparition de cellules dites chimiorésistantes, qui adaptent leur métabolisme cellulaire pour gérer les stress rencontrés. Même si ces adaptations sont très bien connues à l'échelle de la cellule leucémique, le rôle et l'impact du microenvironnement médullaire est important et encore peu étudié. De même, à l'échelle systémique, de nombreuses reprogrammations ont lieu, dont certaines sont dues à la présence d'une maladie extra-médullaire caractérisée par des cellules leucémiques colonisant des organes distants. Ce phénomène n'est très souvent documenté qu'au moment de l'évaluation de la rémission. Cela concerne un quart des patients, qui pourraient constituer un nouveau sous-groupe d'étude. Afin d'évaluer ces adaptations aux niveaux tissulaires et systémique, j'ai pu mettre en place des méthodes de métabolomique in vivo, basées sur des méthodes de spectrométrie de masse. Cela m'a permis de caractériser les profils métaboliques des tissus naïfs de ma souris d'étude : la souris NSG, de caractériser les modulations de ces profils suite à une xénogreffe de deux lignées cellulaires de LAM (MOLM14 et U937), et suite à la réponse au traitement à la cytarabine. Enfin, j'ai pu identifier une signature plasmatique qui discrimine les cellules injectées en fonction de leur statut métabolique, ce qui pourra mener à l'identification de nouveau biomarqueurs précoces de la chimiorésistance. Ces méthodes et ces analyses ouvrent la voie à de futures études des métabolismes tissulaires et systémiques, dans le cadre de certains sous-groupes de patients et de certains traitements ciblés. Ces recherches d'identification de biomarqueurs permettront ainsi d'offrir la meilleure option aux patients.Acute myeloid leukemias (AML) are the most common group of hematological malignancies. They are characterized by a blockade in healthy hematopoiesis, that leads to an accumulation of immature blood cells, called blasts. Efficient treatments exist to eradicate the blasts, but apart from bone marrow allografts being the sole curating treatment, patients frequently relapse. This is due to the presence and appearance of chemo resistant blasts. These cells have adapted their metabolism to meet the requirements of a stressful environment, mainly through an enhanced mitochondrial activity. Even though these adaptions are well known today on the leukemic cell scale, numerous adaptations on the tissue level appear, from nutrient sharing between cell types to the regulation of the immune response. Even though, many adaptions are yet to be discovered. Furthermore, numerous reprogramming appears at the systemic scale, and some are due to the presence of distant organs colonization by blasts as extra-medullar disease. This is often not well documented, eventually constituting a novel patient subgroup to study. To assess these adaptations at the tissular and systemic scales, I developed new in vivo metabolomic protocols based on mass spectrometry methods. These protocols allowed me to characterize the metabolic profiles of naïve NSG mice tissues, to characterize the modulations of these profiles post-leukemic engraftment and post-treatment with the chemotherapy: cytarabine. Finally, I identified plasma signatures of the metabolic state of injected AML cells. This result might lead to novel predictive biomarkers of chemoresistance. These methods and analyses are opening the path to future studies on tissular and systemic metabolism, that might help choosing the best option for patient treatment
Échantillonnage stochastique efficace par modèle Bernoulli mélange de Gaussiennes pour la résolution des problèmes inverses parcimonieux
Get PDFCette thèse aborde la résolution des problèmes inverses parcimonieux quand les données observées peuvent être considérées comme une combinaison linéaire d'un faible nombre d'éléments dits « atomes » (e.g., impulsions, réponse instrumentale décalée ou sinusoïdes). Ces problèmes sont rencontrés dans différents domaines d'application, allant du contrôle non destructif ultrasonore, à la spectroscopie et l'analyse spectrale. Dans le contexte bayésien, ces problèmes peuvent être abordés en considérant des modèles a priori sur les paramètres d'intérêts, prenant en compte la parcimonie de façon explicite via l'introduction de variables binaires (e.g., modèle Bernoulli-Gaussien). L'estimation des paramètres se fait ensuite en calculant un estimateur de type espérance a posteriori à partir d'échantillons générés par des méthodes Monte-Carlo par chaînes de Markov (MCMC). L'avantage majeur des méthodes MCMC dans le contexte bayésien, par rapport aux approches d'optimisation déterministes, est la possibilité d'intégrer sans grande difficulté l'estimation des hyper-paramètres du modèle (e.g., la variance du bruit d'observation) ainsi que de se placer dans un cadre semi-aveugle ou aveugle, c'est-à-dire des cas où les atomes sont partiellement ou totalement inconnus. Cependant, ces méthodes MCMC sont généralement très coûteuses en temps de calcul et nécessitent d'être manipulées avec soin afin de garantir leur convergence. Des approches d'échantillonnage efficace s'appuyant sur le Partially Collapsed Gibbs Sampler (PCGS) ont été développées dans le cas du modèle Bernoulli-Gaussien. Cependant, elles ne peuvent pas être utilisées dès que l'on souhaite considérer d'autres a priori parcimonieux, avec des lois à longues queues (e.g., Bernoulli-Laplace) qui sont préférables à la Gaussienne car elles induisent une moindre régularisation ; ou avec des lois à support réduit (e.g., Bernoulli-Exponentiel) afin de garantir une contrainte de non-négativité. On est alors restreint à l'utilisation des méthodes MCMC classiques coûteuses en temps de calcul. L'objectif de cette thèse est de réconcilier l'échantillonnage PCGS avec des modèles prenant en compte la parcimonie de façon explicite autres que le modèle Bernoulli-Gaussien. La principale contribution est l'introduction et l'étude d'un nouveau modèle a priori dit « Bernoulli Mélange de Gaussiennes » (BMG). Ce dernier repose sur les lois de mélange continu de Gaussiennes et permet l'amélioration des propriétés de convergence des méthodes MCMC grâce à une implémentation numérique efficace d'algorithmes PCGS. D'autre part, le modèle est présenté dans un cadre général, permettant de prendre en compte, de manière systématique, de nombreuses lois de probabilité. Pour ces travaux, nous avons exploité des lois de probabilité de la famille LSMG (Location and Scale Mixture of Gaussians), peu étudiée dans la littérature, que nous avons caractérisées plus précisément. Une deuxième contribution majeure consiste à étendre le champ d'application du modèle BMG aux lois de probabilité à support réduit. Ainsi, nous avons proposé une nouvelle approche d'approximation de lois de probabilité dénommée « asymptotically Exact Location-Scale Approximations » (ELSA) pour laquelle nous avons montré le bon comportement, à la fois en théorie et en pratique et avons montré empiriquement son efficacité par rapport aux approches de l'état de l'art. Enfin, l'efficacité du nouveau modèle BMG, de son échantillonneur PCGS et des approximations ELSA est étudiée et validée dans le cadre des problèmes inverses parcimonieux sur un exemple de déconvolution de train d'impulsions.This thesis deals with sparse inverse problems when the observed data can be considered as a linear combination of a small number of elements called « atoms » (e.g., pulses, shifted instrumental response or sinusoids). These problems are encountered in various domains, ranging from ultrasonic non-destructive testing to spectroscopy and spectral analysis. In the Bayesian framework, these problems can be addressed by considering a priori models on the parameters of interest that take into account the sparsity explicitly via the introduction of binary variables (e.g., Bernoulli-Gaussian model). The estimation of the parameters is done by computing the posterior mean estimator from samples generated by Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods. The major advantage of MCMC methods in the Bayesian framework, compared to deterministic optimization approaches, is the possibility of integrating without much difficulty the estimation of the hyper-parameters of the model (e.g., the variance of the observation noise) as well as considering semi-blind or blind settings, i.e., cases where the atoms are partially or totally unknown. However, MCMC methods are generally computationally expensive and need to be handled carefully to ensure their convergence. An efficient sampling approaches based on the Partially Collapsed Gibbs Sampler (PCGS) have been developed for the Bernoulli-Gaussian model. However, it cannot be used with other sparse enforcing priors, such as priors with long-tailed distributions (e.g., Bernoulli-Laplace) which are preferable to the Gaussian because they induce less regularization; or with distributions supported in a bonded interval (e.g., Bernoulli-Exponential) in order to guarantee a non-negativity constraint. As a result one is restricted to the computationally expensive classical MCMC methods. The objective of this thesis is to reconcile PCGS sampling with models that explicitly take into account sparsity other than the Bernoulli-Gaussian model. The main contribution is the introduction and study of a new prior model called « Bernoulli Mixture of Gaussians » (BMG). The latter, based on continuous Gaussian mixtures improves the convergence properties of MCMC methods thanks to an efficient numerical implementation of PCGS algorithms. On the other hand, the model is presented in a general framework, allowing to take into account, in a systematic way, a rich family of probability distributions. More precisely, the BMG relies on the LSMG (Location and Scale Mixture of Gaussians) family, which we have studied and characterized. The second major contribution consists in extending the field of application of the BMG model to probability distributions supported on a bounded interval. Thus, we have proposed a new approach to approximate probability distributions called « asymptotically Exact Location-Scale Approximations » (ELSA) for which we have shown good behavior, both in theory and in practice and empirically validate its efficiency compared to state-of-the-art approaches. Finally, the efficiency of the BMG model, its PCGS sampler and ELSA approximations is studied and validated in the context of sparse inverse problems on an example of spike train deconvolution
Rôle des plaquettes dans la physiopathologie du sepsis
Get PDFLe sepsis est défini depuis 2016 comme la présence d'une infection associée à la survenue de dommages tissulaires à distance du foyer infecté. Le choc septique en est une des complications les plus graves. Le sepsis est une pathologie inflammatoire médiée par l'activation du système immun inné avec la reconnaissance par l'hôte de produits microbiens et de signaux de danger par des récepteurs cellulaires spécifiques et l'activation de multiples voies de signalisation cellulaires. Le sepsis entraîne un état d'hypercoagulabilité caractérisé par l'apparition de thrombi dans la microcirculation, de dépôts de fibrine, la formation de NETs (Neutrophil Extracellular Traps) et de lésions endothéliales. La formation de thrombi particulièrement dans la microcirculation entraîne un défaut de perfusion des organes. L'inhibition de l'activation plaquettaire réduit les interactions plaquettes-cellules inflammatoires-cellules endothéliales, ce qui théoriquement pourrait bloquer la réaction en cascade entre l'inflammation et la coagulation. Le potentiel des médicaments antiplaquettaires pour réduire les défaillances d'organes et améliorer le pronostic du sepsis est discuté. Cependant, l'activation plaquettaire et le détail de la cinétique d'activation plaquettaire dans le sepsis restent peu décrits, particulièrement chez l'Homme. Parallèlement, la crise COVID-19 a soulevé de nombreuses interrogations quant à la pathogénicité du virus et son impact sur la coagulation des patients de réanimation, présentant plus d'évènements thrombo-emboliques que de façon habituelle. Le rôle des plaquettes dans la physiopathologie de l'infection grave à SARS-CoV-2 reste encore à préciser. Ainsi le but de ce travail de thèse était double, travailler sur les fonctions plaquettaires au cours du sepsis puis, dans un second temps, mieux comprendre le rôle des plaquettes dans la pathogenèse de l'infection à SARS-CoV-2. Dans un premier temps, nous avons tenté de 2 déterminer le modèle animal précis d'étude du sepsis nous permettant une analyse de la cinétique d'activation plaquettaire. Nous avons ensuite utilisé ce modèle pour caractériser la cinétique d'activation des plaquettes au cours du choc septique. Nous avons dans un troisième temps réalisé la comparaison de l'activation plaquettaire chez des patients admis en réanimation polyvalente pour choc septique avec des sujets sains. Nous avons parallèlement étudié si le volume moyen plaquettaire (VMP) pouvait constituer un biomarqueur d'intérêt pour prédire la mortalité du choc septique chez l'Homme. Enfin, nous avons caractérisé le rôle des plaquettes dans la physiopathologie du syndrome de détresse respiratoire aigu sévère COVID-19 en réanimation.Sepsis has been defined since 2016 as the presence of an infection associated with the occurrence of tissue damage at a distance from the infected site. Septic shock is one of the most serious complications. Sepsis is an inflammatory pathology mediated by activation of the innate immune system with host recognition of microbial products and danger signals by specific cellular receptors and the activation of multiple cell signaling pathways. Sepsis leads to a state of hypercoagulability characterized by the appearance of thrombi in the microcirculation, fibrin deposits, the formation of NETs (Neutrophil Extracellular Traps) and
endothelial lesions. The formation of thrombi, particularly in the microcirculation, leads to a defect in organ perfusion. Inhibition of platelet activation reduces platelet-inflammatory cell-endothelial inflammatory cells-endothelial cells interactions, which could theoretically block the cascade reaction between inflammation and coagulation. The potential of antiplatelet drugs to reduce organ failure and improve prognosis and improve the prognosis of sepsis is discussed. However, platelet activation and the details of the kinetics of platelet activation in sepsis remain poorly described, particularly in humans. In parallel, the COVID-19 crisis has raised many questions about the pathogenicity of the virus and its impact on the coagulation of patients in ICU, presenting more thrombo-embolic events than usual. The role of platelets in the pathophysiology of severe SARS-CoV-2 infection remains to be to be clarified. Thus, the aim of this thesis was twofold: to work on platelet functions during sepsis and then, in a second step, to better understand the role of platelets in the pathogenesis of SARS-CoV-2 infection. First, we tried to determine the precise animal model for the study of sepsis that would allow us to analyze the kinetics of platelet activation. We then used this model to characterize the kinetics of platelet activation during septic shock. In a third step, we compared platelet activation thirdly, we compared platelet activation in patients admitted to a polyvalent intensive care unit for septic shock with healthy subjects. In parallel, we studied whether the mean platelet volume (MPV) could be a biomarker of interest to predict mortality in human septic shock. Finally, we characterized the role of platelets in the pathophysiology of severe acute respiratory distress syndrome COVID-19 in intensive care
Impact de l'infection congénitale par le Cytomégalovirus humain sur la sécrétion de petites vésicules extracellulaires placentaires et conséquences sur le développement cérébral foetal
Get PDFL'infection congénitale par le Cytomégalovirus humain (hCMV) constitue une problématique majeure de santé publique. Dans les pays dits développés, c'est la première cause d'atteintes neurosensorielles néonatales d'origine infectieuse. L'infection par le hCMV induit des lésions placentaires et cérébrales chez le fœtus, d'intensité très variable. Les mécanismes physiopathologiques conduisant aux lésions fœtales restent toutefois peu compris. Par ailleurs, le suivi médical de cette infection en cours de grossesse est rendu complexe par le manque d'outils diagnostics et pronostics non invasifs. La production de certains médiateurs par le placenta infecté pourrait expliquer en partie la typologie des atteintes retrouvées au niveau fœtal. Parmi ces médiateurs, les petites vésicules extracellulaires (sEV) placentaires transmettent des
informations biologiques dans les compartiments maternel et fœtal. Ces nanovésicules lipidiques, chargées entre autres en protéines et miARN, présentent donc un intérêt particulier dans le cadre de l'infection congénitale par le hCMV, car elles pourraient 1/ jouer un rôle dans la transmission d'informations biologiques depuis le placenta infecté vers le fœtus et 2/ permettre, via leur présence dans le compartiment plasmatique maternel, de développer des biomarqueurs permettant de monitorer les grossesses positives pour le hCMV. Au cours de ma thèse j'ai cherché à évaluer ces deux hypothèses, en combinant des modèles cellulaires trophoblastique, d'explants placentaires ex vivo et des prélèvements cliniques in vivo. Dans un premier temps, mes résultats ont montré que l'infection par le hCMV modifie la sécrétion et la composition des sEV trophoblastiques, qui présentent notamment un profil protéique théoriquement facilitateur d'infection. Par la suite, j'ai montré que ces sEV trophoblastiques modifiées par le hCMV exercent un effet proviral sur des cellules fœtales naïves de toute infection (fibroblastes et cellules souches neurales). Cet effet proviral sur le taux d'infection des cellules souches neurales naïves est également retrouvé avec des sEV issues de placenta précoce infecté ex vivo par le hCMV et avec des sEV issues de liquide amniotique de patientes enceintes présentant une séroconversion hCMV. Par ailleurs, j'ai développé une
collection biologique visant à prélever différents échantillons chez des patientes présentant une séroconversion hCMV en cours de grossesse. Les deux objectifs de ce biobanking sont de pouvoir valider nos résultats très fondamentaux avec des prélèvements cliniques et, d'autre part, de poser les bases permettant à terme de mettre au point un biomarqueur pronostic de suivi des grossesses positives au hCMV. Dans son ensemble, ce travail propose que les sEV placentaires pourraient participer aux atteintes fœtales observées au cours de l'infection congénitale par le hCMV en facilitant la dissémination
virale via une modification de leur composition induite par le virus. Par ailleurs, les sEV placentaires présentes au niveau plasmatique chez la mère pourraient être des candidats de choix dans le développement de nouveaux biomarqueurs pronostiques.Congenital infection by human Cytomegalovirus (hCMV) is a major public health issue. In so-called developed countries, it is the leading cause of neonatal neurosensory defects of infectious origin. Infection by hCMV induces placental and fetal brain lesions of variable intensity. The pathophysiological mechanisms leading to fetal damage, however, remain poorly understood. In addition, the medical monitoring of this pregnancy infection is complicated by the lack of non-invasive diagnostic and prognostic tools. The production of certain mediators by the infected placenta could partly explain the type of fetal damages. Among these mediators, the placental small Extracellular Vesicles (sEV) transmit biological information both in maternal and fetal compartments. These lipid nanovesicles, loaded with proteins and miRNA, are therefore of particular interest in the context of congenital hCMV infection, because they could 1 / play a role in the transmission of biological information from the infected placenta to the fetus and 2 / allow, via their presence in the maternal plasma, the development of biomarkers monitoring hCMV positive pregnancies. During my thesis, I sought to evaluate these two hypotheses, by combining trophoblastic cell models, ex vivo placental explants and in vivo clinical samples. First, my results showed that infection by hCMV modifies the secretion and composition of trophoblastic sEVs, which express a protein profile theoretically facilitating infection. Subsequently, I showed that these trophoblastic sEVs modified by hCMV exert a proviral effect on fetal cells naive of any infection (fibroblasts and neural stem cells). This proviral effect on the rate of infection of naive neural stem cells is also found with sEV from early placenta infected ex vivo and with sEV from amniotic fluid from pregnant patients with hCMV seroconversion. In addition, I developed a biobank composed of different samples from patients experiencing hCMV seroconversion during pregnancy. The two objectives of this biobank are to validate our fundamental results with clinical samples, and on the other hand, to ultimately develop a prognostic biomarker to monitor hCMV positive pregnancies. Taken as a whole, this work suggests that placental sEVs could participate in fetal damage observed during congenital hCMV infection, via a modification of their composition induced by the infection, by facilitating
viral dissemination. In addition, the placental sEVs present in the mother's plasma could be prime candidates in the
development of new prognostic biomarkers
Profilage transcriptionnel des lymphocytes T pathogènes dans la narcolepsie de type I
No full textLa narcolepsie est un trouble du sommeil chronique, à vie, rare et grave résultant de la destruction exclusive et étendue des neurones hypothalamiques produisant le neuropeptide orexine (hypocrétine), entraînant une somnolence diurne excessive (SDE), un sommeil nocturne fragmenté ainsi qu'une cataplexie (paralysie temporaire des muscles volontaires). La prévalence de la narcolepsie en Europe et en Amérique du Nord est d'environ un individu sur deux mille. La narcolepsie affecte à peu près les mêmes proportions chez les hommes et les femmes. Les signes précurseurs apparaissent à la petite enfance ou l'adolescence avec une incidence plus élevée de développement de troubles émotionnels (dépression), cognitifs (problèmes d'attention) et métaboliques (obésité) au fil du temps. Son association à certains déclencheurs environnementaux (exposition saisonnière à des agents pathogènes), la susceptibilité génétique (forte association avec l'antigène leucocytaire humain), le récepteur des cellules T et d'autres loci immunitaires impliquent un processus immunopathologique conduisant à la perte de neurones producteurs d'orexine. Plusieurs études portant à la fois sur des modèles animaux et sur des échantillons humains ont été publiées dans lesquelles les cellules T pathogènes sont supposées être les principaux contributeurs à la destruction sélective et à la dérégulation des neurones producteurs d'orexine dans l'hypothalamus. Ici, nous étudions plus en détail la théorie à médiation auto-immune en comparant le transcriptome de sous-ensembles fonctionnels de cellules T CD4 et CD8 (naïf, effecteur, mémoire effecteure, mémoire centrale) isolés des cellules mononucléées du sang périphérique de patients atteints de narcolepsie ainsi que de donneurs sains et personnes souffrant d'autres troubles du sommeil. Notre objectif est de déterminer les contributions spécifiques de chaque compartiment et sous-ensemble de cellules T au développement de la narcolepsie.Narcolepsy is a chronic, life-long, rare and severe sleep disorder arising as a consequence of the exclusive and extensive destruction of hypothalamic neurons producing the neuropeptide orexin (hypocretin), resulting in excessive daytime sleepiness (EDS), fragmented nocturnal sleep as well as cataplexy (temporary paralysis of voluntary muscles). The prevalence of narcolepsy in Europe and North America is approximately one in two thousand individuals. Narcolepsy affects males and females at roughly the same ratio. Onset occurs in early childhood or adolescence with a higher incidence of the development of emotional (depression), cognitive (attention problems), and metabolic (obesity) disturbances over time. Its association with certain environmental triggers (seasonal pathogen exposure), genetic susceptibility (strong association with the human leukocyte antigen), T-cell receptor and other immune loci implicate an immuno-pathological process leading to the loss of orexin- producing neurons. Several studies in both animal models as well as human samples have been published in which pathogenic T-cells are hypothesized to be the main culprits contributing to the selective destruction and dysregulation of orexin-producing neurons in the hypothalamus. Here, we investigate the autoimmune-mediated theory further by comparing the transcriptome of functional CD4 and CD8 T-cell subsets (naive, effector, effector memory, central memory) isolated from the peripheral blood mononuclear cells of narcolepsy patients as well as healthy donors and individuals suffering from other sleep disorders. Our aim is to determine the specific contributions of each T-cell compartment and subset to the development of narcolepsy
Etude des interactions métaboliques entre plante et bactéries colonisatrices du xylème en utilisant la modélisation par contraintes
No full textParmi les bactéries pathogènes de plantes les plus préoccupantes, plusieurs colonisent les vaisseaux du xylème. Le xylème est décrit comme un environnement pauvre en sources carbonées, ce qui paraît paradoxal puisque certaines bactéries y atteignent de hautes densités cellulaires. Par ailleurs, des études récentes ont mis en lumière l'étroite relation entre la régulation de la virulence et du métabolisme chez ces bactéries. Ces constats nous poussent à adopter une analyse intégrative des métabolismes de la plante hôte et de la bactérie, pour mieux comprendre la contribution de la nutrition bactérienne in planta dans l'interaction avec l'hôte. Nous nous proposons d'utiliser pour cela la modélisation métabolique par contraintes. Cette méthodologie repose sur la formulation de problèmes d'optimisation linéaire et permet de prédire et de quantifier l'ensemble des flux matière empruntés entre l'assimilation d'un substrat et la production de biomasse. Nous avons utilisé comme modèles la bactérie Ralstonia solanacearum (formellement Ralstonia pseudosolanacearum GMI1000), agent causal du flétrissement bactérien, et la tomate, son hôte naturel. La première partie de ces travaux a donc consisté à construire un modèle métabolique multi-organe de la plante, soutenu par l'acquisition de données expérimentales, et intégrant les flux matière du xylème. Ce modèle s'est révélé un outil pertinent pour prédire la composition du xylème à partir des conditions environnementales et physiologiques de la plante. Ensuite, une étude expérimentale de la dynamique physiologique et métabolique du flétrissement bactérien sur tomate a permis de quantifier des paramètres clés de l'interaction. Notamment, un point de basculement vers la maladie a été caractérisé, intervenant après une forte prolifération de la bactérie et un épuisement de la glutamine et de l'asparagine dans le xylème. Ces paramètres ont été utilisés pour développer un modèle métabolique de l'interaction R. solanacearum - tomate calibré sur de nombreuses données expérimentales, et de prédire : i) la densité bactérienne qui sera nuisible à la croissance de la plante, ii) la densité bactérienne maximale pouvant proliférer dans la plante grâce aux flux du xylème, iii) la contribution de l'assimilation des sucres et de la glutamine dans l'interaction. Il a ainsi été révélé que la densité bactérienne limitant la croissance de la plante était proche de celle du point de basculement obtenu expérimentalement, suggérant que l'utilisation des ressources est un paramètre clé dans le basculement vers la maladie. Aussi, les flux du xylème sont en mesure de soutenir une croissance rapide de R. solanacearum jusqu'à des densités très élevées, soulevant donc qu'en prenant en compte des données quantitatives, le xylème n'est pas à considérer comme pauvre pour la bactérie. Enfin, un rôle particulièrement critique de la glutamine est suggéré par le modèle. Relier la nutrition de la plante et ses conditions de culture au flux de glutamine dans le xylème apparaît donc une piste prometteuse pour limiter l'effet de bactéries colonisatrices du xylème sur les cultures. Afin de parvenir à une vision plus globale du rôle du métabolisme dans le mode de vie des bactéries colonisatrices du xylème, le modèle métabolique d'une autre bactérie, Xylella fastidiosa (sous-espèce multiplex CFBP8418), a été reconstruit et manuellement curé en utilisant la littérature et des données expérimentales. Il a ainsi été montré que les particularités de X. fastidiosa (croissance très lente, spécialisation environnementale) se répercutaient dans ses capacités métaboliques (restreintes et peu robustes par rapport à R. solanacearum), et dans l'absence de plusieurs réactions ou voies suspectées de contribuer à une croissance rapide. La reconstruction de modèles métaboliques constitue donc un outil pertinent pour comprendre et expliquer les différences de styles de vie entre bactéries pathogènes de plantes.Several pathogenic bacteria that cause devastating diseases in plants colonize the xylem vessels. Xylem sap is often described as being poor in organic carbon, which is paradoxical since some bacteria can reach high cellular densities in this environment. Furthermore, recent studies revealed a close relationship between the regulation of virulence and metabolism in these bacteria. Thus, an integrative analysis of plant host and bacterial metabolisms should help understanding the contribution of bacterial nutrition to virulence once in the plant. To this end, we used constraint-based metabolic modeling. This methodology relies on the formulation of linear optimization problem and predicts/quantifies the fluxes of matter from substrate assimilation to biomass production. As model organisms, we used a bacterium from the Ralstonia solanacearum species complex (Ralstonia pseudosolanacearum GMI1000), the causal agent of bacterial wilt, and its natural host tomato. The first part of the project aimed at building a multi-organ metabolic model of the plant, supported by the acquisition of experimental data, and integrating the fluxes of matter of xylem. This model was shown to be a relevant tool to predict xylem composition upon environmental or physiological conditions. Physiological and metabolic dynamics of bacterial wilt on tomato were then characterized through an experimental study. It allowed quantifying the key parameters of the interaction. Notably, a tipping point towards disease happens after a strong bacterial proliferation and a drain of glutamine and asparagine in the xylem. These parameters were used to build and calibrate a metabolic model of the R. solanacearum - tomato interaction that predicted: i) the bacterial density threshold detrimental to plant growth, ii) the maximal bacterial density that can be reached in the plant through xylem fluxes, iii) the respective contribution of sugars and glutamine in the interaction. The model revealed that the bacterial density limiting plant growth was close to the tipping point observed experimentally, suggesting that resource exploitation was a key feature required for disease. In addition, the xylem fluxes could sustain a rapid growth of R. solanacearum until very high densities, indicating that xylem should not be considered as a 'poor environment' for infectious bacteria. Finally, the modeling results suggest a critical role for glutamine. Linking plant nutrition and cultivation condition to glutamine flux in xylem appears a promising perspective to restrict the effect of xylem-colonizing bacteria on crops. To have a more global overview of the role of metabolism in xylem-colonizing bacteria lifestyles, the metabolic model of another bacterium, Xylella fastidiosa (subsp. multiplex CFBP8418) was built and manually curated using literature and experimental databases. I demonstrated that X. fastidiosa specificities (slow growth, environmental specialization) are reflected in its metabolic capacities (reduced and weakly robust compared to R. solanacearum) as well as in the absence of some metabolic reactions/pathways suspected to contribute to fast growth. The reconstruction of metabolic models thus appears to be a relevant tool to better characterize the different lifestyles of bacterial plant pathogens
Co-construction d'un réseau d'observation du climat urbain et de services climatiques associés : cas d'application sur la métropole toulousaine
Get PDFCette thèse fournit une description du développement des services climatiques au sein de Toulouse Métropole, en France. Ils sont articulés autour d'un réseau de stations météorologiques pour les études de micro-climatologie, en particulier l'analyse de la température de l'air et de l'îlot de chaleur urbain. Le premier axe s'emploie à décomposer les services climatiques à base de réseaux d'observations en objets distincts rattachés à des champs disciplinaires séparés mais en interaction. La démarche s'appuie sur une classification de la bibliographie et des travaux de l'Organisation Mondiale de Météorologie sur les services climatiques. Dans cette partie sont également expliqués le parti pris et la mise en place d'une dynamique de travail qui font appel aux méthodes relatives à la participation, et en particulier à la co-construction. Si l'axe premier présente un cadre théorique et méthodologique du travail de recherche-action, le second axe se veut être la mise en pratique. A savoir la transformation des différentes composantes d'un service climatique à base de réseau de mesures en une solution technique déployée et opérationnelle selon des normes et standards internationaux. Un focus est apporté sur le choix des sites de mesures à l'aide de cartographies thématiques et d'une campagne de mesures véhiculée. Le troisième axe, enfin, propose une analyse de l'îlot de chaleur du territoire Toulousain à partir des données mesurées par le réseau mis en place. L'îlot de chaleur est abordé sous l'angle classique de la dichotomie urbain/rural et selon des conditions météos optimales à sa formation. Dans un second temps est mobilisée l'approche des types de temps. Enfin une analyse spatiale plus fine est réalisée en mobilisant les Local Climate Zones (LCZ) avec un focus sur les zones d'activités (LCZ 8). Cette thèse propose ainsi une approche transversale et inter-disciplinaire de mise en œuvre d'un service climatique urbain, complétée d'une analyse territorialisée du climat urbain.This thesis provides a description of the development of climate services within Toulouse Métropole, France. They are articulated around a automated weather station network for micro-climatology studies, in particular the analysis of air temperature of the urban canopy heat island. The first one decomposes the climate services based on observation networks into distinct objects attached to separate and interacting disciplinary fields. The approach is based on a classification of the bibliography and the work of the World Meteorological Organization on climate services. This part also explains the volontee to mobilize methods relating to participation and in particular co-construction with the purpose to bring work flow and dynamic. While the first axis presents a theoretical, methodological framework for action-research work, the second axis is intended to be its practical application. In other words the transformation of the different components of a climate service based on a measurment network into a technical solution deployed and operational according to international norms and standards. A focus is brought on the choice of measurement sites with the help of thematic maps and a mobile measurement campaign. The third axis, finally, proposes an analysis of the heat island of the Toulouse territory from the data measured by the network. The heat island is approached from the classic angle of the urban/rural dichotomy and according to optimal weather conditions at its formation. In a second step, the approach of weather types is mobilized to deepen the analyses according to various types of weather conditions. Finally, a finer spatial analysis is carried out using Local Climate Zones (LCZ) with a focus on the activity zones (LCZ 8)
Cassures double-brin de l'ADN des neurones : un rôle commun dans la physiopathologie de l'infection par le Bornavirus et l'inflammation chronique
Get PDFPlusieurs situations pathologiques, comme certaines maladies infectieuses ou inflammatoires, conduisent à des perturbations de la fonction neuronale ou à des troubles du comportement et de la cognition. L'origine de ces perturbations est complexe et mal comprise, mais nous savons qu'elles sont liées à des modifications de l'épigénétique neuronale. Récemment, les cassures double-brin (CDB) de l'ADN ont été identifiées comme un régulateur central de l'épigénétique neuronale. Il est désormais établi que l'équilibre entre la production de CDB, suite à l'activité neuronale, et leur réparation efficace garantissent le bon fonctionnement des neurones. Dans ce contexte, mon projet de thèse a consisté à étudier l'impact d'une infection virale ou de la neuroinflammation sur cet équilibre et d'analyser les conséquences sur le fonctionnement neuronal et le comportement. Nous nous sommes tout d'abord intéressés à l'infection neuronale par le Bornavirus (BoDV). Ce virus neurotrope à ARN négatif simple brin persiste dans le système nerveux sans induire de mort neuronale. Une autre originalité du BoDV est qu'il se réplique dans le noyau, en étroite interaction avec la chromatine cellulaire. Nos résultats montrent que l'infection de cultures de neurones primaires de rat par le BoDV augmente le taux de CDB. Nous avons également découvert que les CDB servent de plateforme pour l'assemblage des usines de réplication virales, favorisant ainsi la réplication du virus. Par ailleurs, les neurones infectés par le BoDV présentent une activité électrique spontanée réduite et un défaut de réponse à la stimulation de la neurotransmission. Ces perturbations sont liées à la perte de l'expression en surface des neurones de récepteurs au neurotransmetteur glutamate impliqués dans la plasticité neuronale et la production de CDB. Nos résultats suggèrent l'existence d'un mécanisme inédit de "rétrocontrôle" de la réplication virale, qui, en inhibant la production de CDB dépendantes de l'activité, favoriserait la persistance. Indépendamment des infections virales, des troubles neurologiques sont également observés lors de la neuroinflammation chronique. Nous nous sommes demandés si les troubles neurologiques, observés lors de la neuroinflammation chronique, ne pouvaient pas également être liés à une perturbation des CDB. Dans des cultures primaires de neurones de souris, nous avons mis en évidence que l'interleukine-1ß (IL-1ß), une des principales cytokines de la neuroinflammation, augmentait les niveaux de CDB. Afin d'étudier le comportement de souris traitées chroniquement par de l'IL-1ß, nous avons mis en place une plateforme dédiée disposant de tests permettant d'évaluer la mémoire et l'anxiété. In vivo chez la souris, nous avons montré que l'infusion chronique de cette cytokine à l'aide de mini-pompes osmotiques implantées sous la peau perturbe la mémorisation spatiale dépendant de l'hippocampe et augmente le nombre de neurones présentant des CDB dans cette structure cérébrale. Enfin, nous avons montré, à l'aide de modèles conditionnels et inductibles de souris transgéniques, que le blocage de la signalisation médiée par l'IL-1ß, ou par les CDB, prévient les effets délétères de l'IL-1ß sur la mémorisation. Ces travaux ont permis de mieux comprendre comment les fonctions cognitives peuvent être altérées en conditions pathologiques, et pourraient conduire, à terme, à identifier les facteurs clés qui les régulent.Viral infections and inflammation disrupt neuronal function, leading to behavioral and cognitive deficits. Although the underlying mechanisms remain to be fully uncovered, we already know that these pathological conditions impair neuronal epigenetics. Recently, DNA double-strand breaks (DSB) have been identified as un central regulator of neuronal epigenetic. In non-pathological conditions, neuronal activity induces the generation of DSB, which are quickly and efficiently repaired. The balance between DSB production and repair ensures a proper functioning of neurons. In this context, my Ph.D. project consisted in studying the impact of a viral infection or neuroinflammation on this balance and analyze their contribution of the latter on neuronal function or behavior. First, we studied the neuronal infection by the Borna disease virus (BoDV). This negative single stranded RNA neurotropic virus persists in the nervous system without inducing neuronal death. BoDV is singular as it replicates in the nucleus, in close interaction with cellular chromatin. We showed that BoDV infection increases DSB levels in primary cultures of rat neurons. We also discovered that DSB are used as platforms for the assembly of viral factories, thereby promoting viral replication. In addition, BoDV-infected neurons display reduced spontaneous electrical activity and impaired response to the stimulation of neurotransmission. At the molecular level, these alterations are linked to a loss of surface expression of the receptor to neurotransmitter glutamate, a receptor which is critically involved in neuronal plasticity and DSB production. Altogether, our results suggest the existence of a novel feedback loop mechanism to control viral replication, by inhibiting the induction of activity-dependent DSB to promote BoDV persistence. Independently of viral infections, neurological impairments are also observed in the course of chronic neuroinflammation. We asked whether the neurological symptoms that accompany chronic neuroinflammation may, in fact, result from alterations in DSB levels. In primary cultures of mouse neurons, we showed that interleukin-1ß (IL-1ß), one of the main proinflammatory cytokines in neuroinflammation, increase DSB levels in neurons. In order to study mouse behavior upon chronic treatment by IL-1ß, we have implemented an in-house behavioral core facility allowing for testing memory- and anxiety-related behaviors. We then carried out experiments of chronic exposure of mice to IL-1ß, using subcutaneously-implanted osmotic minipumps. We showed that IL-1ß treated-mice exhibit a lack of hippocampal dependent-spatial memory, accompanied by increased numbers of neurons with DSB in the hippocampus. Finally, thanks to conditional and inducible transgenic mouse models, we showed that knocking-out neuronal signaling pathways mediated by IL-1ß, or by DSB, prevent IL-1ß-dependent deleterious impact on memory. In conclusion, our work provides a better understanding of how, under pathological conditions, cognitive functions can be disrupted, and will allow ultimately, the identification of key factors of the regulatory processes of these mechanisms
Modèle dynamique de dénitrification dans les zones humides naturelles à l'échelle mondiale
Get PDFLa biosphère subit une crise environnementale causée par notre modèle économique énergivore. Comprendre les processus de régulation et d'échange des écosystèmes globaux est le défi majeur pour améliorer notre résilience et réduire notre impact sur la Terre. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le rôle dynamique des écosystèmes des zones humides dans le cycle global de l'azote. Le modèle de dénitrification du sol (SDM) a été développé en utilisant les observations satellitaires de l'humidité et de la température du sol. Le modèle a été validé à l'échelle locale avec des mesures de laboratoire, puis à l'échelle globale. Identification des moments et des points chauds dans les zones humides naturelles. L'Asie du Sud-Est et l'Océanie ont été identifiées comme le principal point chaud. Les moments chauds varient selon la région et la typologie. Le mois de mai a été le moment chaud pour les marais d'eau douce et les zones humides complexes. Alors que les zones humides saumâtres sont actives toute l'année et les forêts inondées, ont leur pic en décembre et janvier. L'estimation quantitative de la dénitrification a été évaluée à 169.32± 18.31 Tg N (N_2O-N +N_2-N).an^-1 et l'évolution de la dénitrification au cours des 8 dernières années a été analysée et mise en relation avec les anomalies du climat mondial.The biosphere is undergoing an environmental crisis caused by our energy-intensive economic model. Understanding the regulation and exchange processes of global ecosystems is the key challenge to improve our resilience and reduce our impact on the Earth. The aim of this thesis is to assess the dynamic role of wetland ecosystems in the global nitrogen cycle. The Soil Denitrification Model (SDM) was developed using soil moisture and temperature satellite Earth Observations. The model was validated at local scale with laboratory measurements, then upscale global scale. Identification of hot moments and hot spots in natural wetlands. Southeast Asia and Oceania was identified as the main hot spot. The hot moments varied by region and by typology. May was the hot moment for freshwater marshes and complex wetlands. While brackish wetlands are active all year long and flooded forest, have their peak in December and January. Quantitative estimation of denitrification was estimated at 169.32± 18.31 TgN (N_2O-N +N_2-N).yr^-1 and evolution of denitrification in the last 8 year was analysed and linked to global climate anomalies
Apport des données satellitaires Sentinel-1 et Sentinel-2 pour la détection des surfaces irriguées et l'estimation des besoins et des consommations en eau des cultures d'été dans les zones tempérées
Get PDFL'eau est une ressource naturelle, qui depuis des millions d'années participe au cycle de la vie. Mais depuis peu, le changement climatique et les activités humaines remettent en cause l'équilibre du cycle de l'eau. Pour préserver cette ressource, il est nécessaire d'améliorer la connaissance sur les surfaces irriguées ainsi que les besoins et consommations en eau des cultures sur de grandes surfaces, mais elle n'est pas simple à appréhender à cause de la forte variabilité spatiale des sols, du climat et des pratiques agricoles. La télédétection a un rôle fondamental à jouer et plus particulièrement les données Sentinel. Ces travaux de thèse ont vocation à fournir des outils de diagnostics pour assurer une gestion optimale de la ressource en eau à l'échelle des bassins versants. Pour cela, une approche de cartographie des surfaces irriguées en zones tempérées à partir d'images Sentinel-1 & 2 a été développée. Elle a permis de cartographier les cultures d'été irriguées et pluviales sur les bassins versants Adour amont et Tarn aval en fin de saison. Nous nous sommes intéressés à la modélisation des besoins et des consommations en eau du maïs irrigué à partir du modèle agro-météorologique SAMIR utilisant des images d'indice de végétation (NDVI et FCover). Il a été appliqué à différentes échelles spatiales et sur différents jeux de données de validation. Les résultats montrent que le modèle est capable de reproduire de façon satisfaisante les consommations en eau des parcelles des partenaires. Nous avons également évalué l'impact de différentes données pédologiques pour estimer la réserve utile (RU). Les résultats illustrent la nécessité d'une bonne estimation de la RU et cela à une échelle compatible avec une modélisation à la parcelle pour pouvoir estimer correctement les irrigations saisonnières, ainsi que les volumes.Water is a natural resource that has been part of the life cycle for millions of years. But recently, climate change and human activities have challenged the balance of the water cycle. To preserve this resource, it is necessary to improve knowledge of irrigated areas and the water needs and consumption of crops over large areas, but this is not easy to understand because of the high spatial variability of soils, climate and cultivation practices. Remote sensing has a fundamental role to play and more particularly Sentinel data. The aim of this thesis is to provide diagnostic tools to ensure optimal management of water resources at the catchment scale. To this end, an approach for mapping irrigated areas in temperate zones based on monthly Sentinel-1 & 2 images was developed. It was used to map irrigated and rain-fed summer crops in the Adour amont and Tarn aval catchments during and at the end of the season. In parallel with these results, the method was developed for operational purposes. We focused on modelling the water requirements and consumption of irrigated maize
using the SAMIR agro-meteorological model using vegetation index images (NDVI and FCover). It was applied at different spatial scales and on different validation data sets. The results show that the model is able to reproduce satisfactorily the water consumption of the partners plots. We also evaluated the impact of different soil data to estimate the maximum useful reserve. The results illustrate the need for a good estimation of the AWC at a scale compatible with plot modelling in order to be able to correctly estimate seasonal irrigations and volumes