Study of the role of two oxidoreductase classes (aldehyde dehydrogenases and aldo-keto reductases) on sensory perception | Etude du rôle de deux classes d'oxydoréductases (aldéhyde déshydrogénases et aldo-céto réductases) dans la perception sensorielle

English. Xenobiotic metabolizing enzymes (XMEs) constitute a primary defense barrier against toxic compounds from our environment or those synthesized by our own body. These enzymes have recently been shown to be involved in the metabolism of odorant molecules, leading to a decrease in signal and the appearance of metabolites that can activate different olfactory receptors. Aldehydes are a highly diverse family of compounds that are very prevalent in our environment. However, the aldehyde functional group imparts a high reactivity to these molecules and, consequently, a high potential degree of toxicity. Therefore, their rapid elimination from our body is crucial to limit interactions with these compounds. Some XMEs preferentially metabolize aldehydes, such as aldehyde dehydrogenases and aldo-keto reductases, which respectively oxidize and reduce these compounds. This thesis aimed to evaluate the role these enzymes could play on odorant compounds containing an aldehyde group and their potential sensory consequences. To achieve this goal, the abundance of enzymes belonging to these families was demonstrated in human olfactory tissues and fluids using immunohistochemistry and mass spectrometry techniques. The ability of these enzymes to metabolize aldehydic odorant compounds was subsequently established through enzymatic kinetic measurements. The metabolic efficiencies of the enzymes on the tested substrates allowed for hypotheses regarding the structures of the odorants preferentially metabolized by the studied enzymes. To explore the sensory consequences of this metabolism, the metabolites produced were identified using gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS). This technique notably revealed the oxidation of octanal to octanoic acid by saliva for the first time. The effects of a family of compounds called isothiocyanates (ITCs) were studied on the enzymatic activity of ALDH3A1 and saliva using a combination of enzymology, analytical chemistry, and crystallography techniques. The results obtained demonstrate the formation of a covalent bond between Cys 243 of ALDH3A1 and the carbon atom of ITC, forming a dithiocarbamate group that leads to enzyme inactivation. Indeed, Cys 243 of ALDH3A1 is the catalytic cysteine and consequently allows the binding of substrates metabolized by the enzyme. The dithiocarbamate group thus formed prevents the binding of substrates at this site through competitive inhibition. It was also demonstrated in this thesis that, at concentrations commonly found in food, ITCs modify enzymatic activity, the release of aromas in the gas phase, and thus influence perceived flavor. Finally, during this thesis, insights were provided to explain the catalytic mechanism of ALDH3A1. Specific amino acid mutations in the enzyme's active site demonstrated their essential role in the enzymatic activity of ALDH3A1. The results produced during this thesis demonstrate the involvement of aldehyde dehydrogenases and aldo-keto reductases in the metabolism of odorant molecules in the oro-nasal cavity and pave the way for further study of the sensory consequences of this metabolism.

French. Les enzymes du métabolisme des xénobiotiques (EMX) constituent une barrière de défense primordiale face aux composés toxiques de notre environnement, ou ceux synthétisés par notre propre organisme. Ces dernières ont récemment été démontrées comme étant impliquées dans la métabolisation de molécules odorantes entraînant une diminution du signal et une apparition de métabolites pouvant activer des récepteurs olfactifs différents. Les aldéhydes sont une famille de composés très diversifiée et très présente dans notre environnement. Cependant, la fonction aldéhyde confère à ces molécules une forte réactivité et, par conséquent, un haut degré de toxicité potentiel. Leur élimination rapide de notre organisme est alors un enjeu majeur afin de limiter les interactions avec ces composés. Certaines EMX métabolisent préférentiellement les aldéhydes, c'est le cas des aldéhydes déshydrogénases et des aldo-kéto réductases qui, respectivement, oxydent et réduisent ces composés. Le travail de cette thèse a donc consisté à évaluer le rôle que pouvaient avoir ces enzymes sur des composés odorants portant une fonction aldéhyde et, sur les potentielles conséquences sensorielles. Pour réaliser cet objectif, l'abondance d'enzymes appartenant à ces familles a été démontrée dans des tissus et fluides olfactifs humains par des techniques d'immunohistochimie et de spectrométrie de masse. La capacité de ces enzymes à métaboliser des composés odorants aldéhydiques a par la suite été établie par des mesures de cinétique enzymatique. Les efficacités de métabolisation des enzymes sur les substrats testés ont permis d'émettre des hypothèses sur les structures des odorants préférentiellement métabolisés par les enzymes étudiées. Pour explorer les conséquences de cette métabolisation d'un point de vue sensoriel, les métabolites produits ont été identifiés par des techniques de chromatographie gazeuse couplée à de la spectrométrie de masse (GC/MS). Cette technique a notamment révélé l'oxydation de l'octanal en acide octanoïque par de la salive pour la première fois. Les effets d'une famille de composés appelés isothiocyanates (ITC), sur l'activité enzymatique de l'ALDH3A1 et celle de la salive ont été étudiés par une combinaison de techniques d'enzymologie, de chimie analytique et de cristallographie. Les résultats obtenus démontrent la formation d'une liaison covalente entre la Cys 243 de l'ALDH3A1 et l'atome de carbone de l'ITC formant ainsi un groupement dithiocarbamate conduisant à l'inactivation de l'enzyme. En effet, la Cys 243 de l'ALDH3A1 est la Cys catalytique et permet par conséquent la fixation des substrats métabolisés par l'enzyme. Le groupement dithiocarbamate ainsi formé empêche la fixation des substrats en ce site par une inhibition dite compétitive. Il a également été démontré au cours de cette thèse, qu'avec des concentrations usuellement trouvées dans l'alimentation, les ITC modifient l'activité enzymatique, la libération d'arômes dans la phase gazeuse et influent donc la flaveur perçue. Enfin, au cours de cette thèse, des éléments de réponse permettant d'expliquer le fonctionnement du mécanisme catalytique de l'ALDH3A1 ont été apportés. En effet, des mutations d'acides aminés spécifiques du site actif de l'enzyme ont permis de démontrer leur rôle essentiel dans le fonctionnement de l'activité enzymatique de l'ALDH3A1. Les résultats produits pendant cette thèse démontrent alors l'implication des aldéhydes déshydrogénases et des aldo-kéto réductases dans la métabolisation de molécules odorantes dans la cavité oro-nasale et ouvrent la voie pour une étude plus approfondie des conséquences sensorielles de cette métabolisation.