Modeling the metabolic response to oxidative stress : the role of regulations

Les cellules vivantes, telles que les cellules de mammifères en particulier, sont continuellement exposées à des types de stress multiples et variés. Ces stress peuvent perturber l'homéostasie cellulaire et induire des dégâts sur les composants cellulaires qui pourraient induire plusieurs types de maladies. C'est notamment le cas d'un changement d'état redox cellulaire appelé stress oxydatif induit par production excessive ou une consommation insuffisante d'espèces réactives de l'oxygène. L'une des espèces réactives de l'oxygène les plus importantes est le peroxyde d'hydrogène (H2O2).Les cellules ont développé des mécanismes de défense efficaces contre le stress oxydatif qui impliquent des systèmes anti-oxydants tels que les glutathions qui réduisent les molécules oxydantes, mais aussi des voies métaboliques telles que la voie des Pentoses Phosphates (PPP) et la glycolyse. Ces voies métaboliques sont connues pour rediriger les ressources de flux de carbone de la glycolyse vers le PPP, ce qui induit un recyclage élevé du NADPH nécessaire à un taux de détoxification efficace des systèmes anti-oxydants. Il n'est cependant pas clair comment les mécanismes de régulation (i) contribuent à une telle réallocation des ressources de flux métaboliques pendant le stress oxydatif et (ii) donnent lieu aux profils d'adaptation observés des concentrations intracellulaires de H2O2.Dans la thèse, le rôle des régulations dans la réponse métabolique au stress oxydatif est abordé à l'aide d'un cadre de modélisation cinétique. Tout d'abord, un modèle est construit à partir d'un ensemble de données métabolomiques et de marquage 13C,en utilisant des méthodes classiques d'estimation de paramètre mais aussi une nouvelle technique d'analyse des flux métaboliques basée sur un algorithme de simulation stochastique. L'analyse systématique du modèle révèle que de nombreuses inhibitions métaboliques, notamment sur G6PD, PGI et GAPD, peuvent favoriser le reroutage des flux pour la production de NADPH. En particulier, nous montrons que toutes ces régulations fonctionnent de manière dose-dépendante et complémentaire, ce qui explique certains paradoxes et controverses, et est cohérent avec les phénotypes d'adaptation observés. Un modèle plus phénoménologique a également été développé pour montrer comment un tel phénotype d'adaptation pourrait contribuer à l'hétérogénéité du destin cellulaire, comme la mort fractionnée, en tant que résultat à long terme du stress oxydatif.Living cells such as mammalian cells in particular, are continuously exposed to multiple and varied types of stress. These stresses can perturb the cellular homeostasis and induce damages on the cellular components which could induce several types of diseases. It is particularly the case for a change of cellular redox state called oxidative stress induced by an excessive production or insufficient consumption of reactive oxygen species such as hydrogen peroxide (H2O2).Cells have developed efficient defence mechanisms against oxidative stress that involve anti-oxidant systems such as glutathiones which reduce the oxidizing molecules, but also metabolic pathways such as Pentose Phosphate Pathway (PPP) and glycolysis. These metabolic pathways are known to reroute the carbon flux resources from the glycolysis toward the PPP which induces high NADPH recycling that is required for efficient detoxification rate of the anti-oxidant systems. It remains however unclear how regulatory mechanisms (i) contribute to such reallocation of metabolic flux resources during oxidative stress and (ii) give rise to observed adaptation profiles of intracellular H2O2 concentrations. In the thesis, the role of regulations in the metabolic response to oxidative stress is addressed using a comprehensive kinetic modeling framework. First, a model is built from a set of metabolomics and 13C labeling data, using conventional parameter estimation methods but also a novel metabolic flux analysis techniques based on a stochastic simulation algorithm. Systematic analysis of the model reveals that many metabolic inhibitions, especially on G6PD, PGI and GAPD, can favour flux rerouting for NADPH production. In particular, we show that all these regulations work in a dose-dependent and complementary manner, which explains some paradoxes and controversies, and is consistent with observed adaptation phenotypes. A more phenomenological model has also been developed to show how such adaptation phenotype could contribute to cell-fate heterogeneity, such as fractional killing, as a long-term outcome of oxidative stress