L'étude des interactions ADN-protéines et de la structure de la chromatine dans les cellules vivantes est nécessaire à la compréhension des mécanismes de l'expression génique. La technique LMPCR ("ligation mediated polymerase chain reaction") permet l'étude in vivo de ces interactions par une analyse plus réelle des événements qui se déroulent au sein même des cellules, comparativement aux études in vitro. Par contre, la qualité des résultats peut-être grandement influencée par l'ADN polymérase utilisée et nécessite donc l'optimisation de plusieurs paramètres. De ce fait, nous avons identifié les conditions optimales d'utilisation de l'ADN polymérase Thermococcus litoralis exo- (Vent exo-) dans la technique LMPCR telle que la quantité de polymérase et d'ADN. Nous avons montré que l'efficacité de Vent exo- à l'extension d'amorces et à l'amplification était similaire à celle de Pyrococcus furiosus exo- (Pfu exo-) et supérieure à Thermus aquaticus (Taq). De plus, nous avons observé que la thermostabilité de Vent exo- lui permettait de soutenir un plus grand nombre de cycles d'amplification que Taq facilitant ainsi la résolution de séquences riches en GC. D'autre part, nous avons montré que l'activité terminale transférase de Vent exo- était inhibée dans la plupart de nos conditions expérimentales et qu'il était donc possible de l'utiliser efficacement pour la production d'extrémités franches lors de l'étape d'extension d'amorces. Finalement, l'ADN polymérase Vent exo- s'avère être une alternative efficace pour les étapes d'extension d'amorces et d'amplification PCR dans la technologie LMPCR.

Cette thèse de doctorat porte dans l’ensemble une étude approfondie sur une technologie émergente pour l’amplification isotherme des acides nucléiques appelée recombinase polymerase amplification (RPA). L’introduction porte une description détaillée sur la RPA. Cette revue de littérature documente et discute les diverses applications de la RPA en soulignant les connaissances actuelles concernant les applications diagnostiques. Malgré la composition complexe de la RPA (6 à 7 protéines dans le même mélange réactionnel), cette dernière s’avère une technologie rapide (générant des résultats < 20 min), spécifique et sensible (détection de l’ordre de quelques copies de génome), et largement appliquée dans différentes disciplines. Ces avantages nous permettent de croire que la RPA possède la flexibilité nécessaire pour être utilisée comme outil de diagnostic rapide des maladies infectieuses en réduisant le temps d’obtention des résultats à moins d’une heure au lieu de 2 à 3 jours avec les tests de cultures standards. En conséquence, il sera possible d’intégrer la RPA dans des plateformes microfluidiques ou laboratoire sur puce qui permettent la préparation d’échantillons, l’amplification et la détection des acides nucléiques des microbes causant des infections. En premier lieu, les travaux de cette thèse ont généré des lignes directrices additionnelles pour la conception des amorces/sondes RPA. En second lieu, nos travaux ont permis de développer un essai diagnostic RPA pour la détection des streptocoques du groupe B, responsables de la septicémie et la méningite chez les nouveau-nés. Cet essai fut le premier à évaluer la performance de la RPA avec des échantillons cliniques humains. Ce test diagnostic RPA a été comparé à une méthode de référence, la réaction en chaîne par polymérase (PCR). Cette démonstration sur des échantillons cliniques nous à inciter à pousser notre étude pour réaliser le dernier objectif de ce projet qui consistait à automatiser la RPA par intégration dans un système microfluidique miniaturisé centripète. Une collaboration avec des experts en génies et en matériaux a permis de générer un dispositif microfluidique appelé blade ainsi de l’instrument impliqué dans l’opération des différentes tâches mécanistiques. Ces résultats préliminaires suggèrent qu’il sera important d’offrir un système automatisé complet applicable au chevet du patient. Par conséquence, il sera possible d’exécuter une analyse complète des agents infectieux en moins d’une heure sans le besoin des procédures complexes de préparation et de transport des échantillons cliniques ni le recours à du personnel qualifié. / This dissertation consists of an exhaustive study on an emerging technology for isothermal amplification of nucleic acids called recombinase polymerase amplification (RPA). The introduction of this thesis is a detailed description of the RPA. This review documents and discusses the various applications of this technology by pointing to the current knowledge about RPA for diagnostic applications. Despite the complex composition of RPA (6 to 7 proteins in the same reaction mixture), the latter was shown to be rapid (generating results in < 20 min), specific and sensitive (detecting few target genome copies), and applied widely in different fields. Based on these advantages, we assume that RPA has a flexibility allowing it to be used for the rapid diagnosis of infectious diseases thus reducing time-to-result to less than an hour. Consequently, it will be possible to integrate RPA in microfluidic platforms providing a lab-on chip system. The first part of this doctoral project generated additional guidelines for RPA primers/probes design to develop specific RPA diagnostic assays. Second, we developed an RPA diagnostic test for the detection of group B streptococci, responsible for sepsis and meningitis in newborns. This assay was the first to evaluate RPA with human clinical samples. This diagnostic test was compared to a reference method, the polymerase chain reaction (PCR). This demonstration with clinical samples served to carry out the final objective of this project that was to automate RPA in a miniaturized microfluidic centripetal system. Collaboration with engineers and experts in materials has generated the microfluidic device called "blade" and the instrument involved in the operation of various mechanistic tasks. These preliminary results suggested that it will be important to provide an automated system applicable at bedside. Consequently, it will be possible to perform a complete analysis of infectious agents in less than an hour without the need for complex procedures for the preparation and transport of clinical specimens or the assistance of qualified personnel.

La résistance du virus herpes simplex (VHS) aux antiviraux, particulièrement chez des sujets immunosupprimés, et sa capacité d’envahir le système nerveux central soulèvent de nombreuses questions au niveau clinique. Des mutations au sein du gène de la thymidine kinase et de l’ADN polymérase virale sont responsables de la résistance aux traitements antiviraux. Il est donc important d’élucider davantage les différents mécanismes moléculaires à l’origine de ces évènements de résistance et de développer de nouvelles avenues thérapeutiques. De plus, le VHS est la cause la plus fréquente d’encéphalite sporadique et potentiellement fatale dans les pays de l’ouest. Ce type de pathologie est occasionné en partie par une intense réplication virale mais également par une réponse immunologique encore incomprise jusqu’à maintenant. Les travaux présentés dans cette thèse de doctorat ont pour but de développer de nouveaux modèles in vitro et in vivo permettant d’étudier ces deux facettes importantes du VHS. L’impact de certaines mutations et l’effet d’un nouveau traitement dans la résistance du VHS aux antiviraux ont été évalués. La réponse immunitaire innée cérébrale de même qu’une nouvelle approche thérapeutique en rapport avec une encéphalite à VHS ont également été caractérisées. / Herpes simplex virus (HSV) resistance to antiviral treatment is a real concern among immunocompromised population. Mutations localized in the thymidine kinase (TK) and/or the DNA polymerase (pol) genes are mainly responsible for those resistance issues. Thus, it is becoming important to increase knowledge in this area and to develop new therapeutic strategies. Also, HSV has this unique biological property to invade the nervous central system and causes encephalitis. During this type of infection, an important immunological process occurs. However, this inflammatory response is still very controversial and needs to be elucidated. The main objectives of this doctoral thesis consisted of: 1- the characterization of antiviral resistance and 2- the elucidation of the brain inflammatory response to HSV. The first part consisted in the development of an in vitro system allowing the characterization of several mutations in the TK and/or the DNA pol genes responsible for antiviral resistance and the elaboration of a new antiviral strategy. The second part was to characterize the inflammatory response following the induction of HSV-1 encephalitis in a mouse model and to develop an alternative immunomodulatory approache. Mutations localized in conserved and non-conserved regions of the TK are associated with ACV resistance. Hydroxyurea increases the activity of nucleoside (ACV) and nucleotide (CDV) analogues. A delayed glucocorticoid treatment is highly beneficial by decreasing the brain viral load as well as pro-inflammatory cytokine production in the brain of infected mice. TNF- and IL-1permit the initiation of an innate immune response allowing a control of the viral replication and an efficient transition to the adaptive immune response required for viral clearance during HSV-1 encephalitis. A prophylactic treatment with a TLR3 agonist significantly increases the mean life expectancy and survival rate of mice infected with HSV-1 compared to non-treated mice. The experimental models developed during this Ph. D. allow a better understanding of the molecular mechanisms of resistance and of the brain inflammatory response to the HSV.

Dans les trois domaines du vivant, que constituent les bactéries, les eucaryotes et les archées, une molécule a la capacité souveraine de gouverner la vie, la mère à l’origine de tous les mécanismes biologiques, l’ADN. S’il est évident de dire que le maintien de l’intégrité des génomes est essentiel à la vie, il existe deux systèmes qui le permettent, la réplication et la réparation de l’ADN. La fidélité de ces derniers est finement influencée par la disponibilité (ratio et balance) des précurseurs nucléotidiques désoxyribonucléotides (dNTPs) et ribonucléotides (rNTPs) au cours du cycle cellulaire. Même si la concentration intracellulaire en nucléotides est largement documentée chez les eucaryotes et les bactéries, ça n’est malheureusement pas le cas chez les archées. En ce qui concerne l’étude de la maintenance génomique, un groupe d’archées a intéressé les chercheurs de par leurs capacités à survivre dans des milieux dits extrêmes. Pyrococcus abyssi est l’une d’entre elles qui depuis de nombreuses années sert de modèle biologique pour répondre aux questions de la stabilité de l’ADN à haute température. Cette étude est centrée sur cette thématique et particulièrement sur les caractéristiques fonctionnelles des ADN polymérases: PolD, PolB et le complexe p41/p46. Initialement, le contenu en nucléotides a été évalué dans des cellules en phase exponentielle de croissance par la technique de chromatographie couplée à une double détection en spectrométrie de masse (zicHILIC-MS-MS). Les résultats montrent que le contenu en rNTPs est de 20 fois supérieur à celui en dNTPs. Pour cette raison, la discrimination sélective des dNTPs par les ADN polymérases est mise à l’épreuve. Même si, des mécanismes permettent d’exclure les rNMPs durant la synthèse de l’ADN, de récentes études ont montrées que des rNMPs étaient incorporés par des ADN pols. Ainsi, le ratio en nucléotides obtenu a été utilisé pour l’analyse de son effet sur la synthèse d’ADN par les ADN Pols et les extraits cellulaires de P. abyssi. Les résultats démontrent clairement que les rNMPs sont incorporés par l’ADN polymérase PolD. Puis, les conséquences de la présence des rNMPs dans l’ADN sur la réplication ont été étudiées et ont mis en évidence que les extraits cellulaires, tout comme les ADN Pols de P. abyssi étaient capables de « passer » un rNMP présent dans l’ADN. Pour finir, une étude de l’incorporation préférentielle de chaque dNMP et rNMP a été menée démontrant que la complémentarité des bases était respectée même lors de l’incorporation de rNMPs. Enfin, la caractérisation de la petite sous-unité, DP1, de PolD a permis de montrer sa capacité à retirer des rNMPs grâce à son activité de relecture, suggérant un premier rempart à la présence de rNMPs dans l’ADN. Pour conclure, ces résultats montrent que la présence de rNMPs dans l’ADN est un phénomène conservé dans les trois domaines du vivant. / In the three domains of life that include Bacteria, Eukarya and Archaea, one molecule has the sovereign ability to govern life, and not the least one, the mother of all biological mechanisms, DNA. Maintaining the integrity of genomes is obviously essential for life, and faithful DNA replication and repair are the guarantees. The fidelity of these two processes may vary depending on the availability and levels (balance and ratio) of deoxyribonucleotides (dNTPs) and ribonucleotides (rNTPs) during the cell-cycle. Even if intracellular concentration of nucleotides is largely documented in Eukarya and Bacteria, it remains limited in Archaea. From many years one group of Archaea is of great interest for studying genomic maintenance, because of its ability to survive in extremes environments. Pyrococcus abyssi is one of them that is used as biological model for deciphering the stability of DNA at elevated temperature in LM2E. The present work focuses on genomic integrity and particularly on the functional characterization of the three DNA polymerases: PolD, PolB and the p41/p46 complex. Initially, the nucleotide pool has been evaluated in exponentially growing cells using the highly sensitive method that combined chromatography and mass spectrometry (zicHILIC-MS-MS). The results show that rNTPs content is 20-fold higher than dNTPs. For that reason, fidelities of DNA polymerases are challenged to select the correct dNTP over the most abundant rNTP during DNA synthesis. Despite the fact that some mechanisms allow the exclusion of rNTPs from entry to the Pol active site, recent findings indicate that ribonucleotides are incorporated by different DNA Pols with surprisingly high frequency. In this work, the obtained intracellular balance and ratio of rNTPs and dNTP have been used to analyze their effect on DNA synthesis by P. abyssi DNA Pols and cell-free extracts. Our results clearly demonstrate that rNTP incorporation is detectable with distinct efficiencies among DNA pols. Secondly, the consequences of the presence of rNMPs in a DNA template on DNA polymerisation has been examined and highlights that cell-free extracts are able to bypass a single rNMP as well as replicative DNA polymerases. To strengthen that study, single nucleotide incorporation opposite rNMP or dNMP has been carried out and the results demonstrate that replicative Pyrococcus abyssi DNA Pols can basepair the complementary rNTPs opposite dNMPs, and vice-versa, the complementary dNTPs opposite rNMPs.Furthermore, the preliminary results obtained about the nucleolysis activities of the PolD small subunit, DP1, show that the DNA polymerase D is able to remove rNMPs from a DNA strand, suggesting a first level of protection against ribonucleotide contamination of DNA. Definitely, these data indicate that the presence of transient embedded rNMPs in genomic DNA represents a universally conserved phenomenon across Archaea, Bacteria and Eukarya.

La résistance du virus de l’herpès simplex (VHS) aux antiviraux est un problème courant chez les individus immunosupprimés. Des mutations au sein du gène de la thymidine kinase (TK) virale sont principalement à l’origine de la résistance au traitement de première ligne, i.e. les analogues des nucléosides. La cible ultime de tous les antiviraux anti-herpétique demeure cependant l’ADN polymérase (pol) virale. Ces deux gènes viraux (TK et ADN pol) démontrent un certain degré de polymorphisme génétique et il peut devenir difficile d’identifier avec certitude les mutations responsables de la résistance aux antiviraux. Les travaux présentés dans cette thèse de Doctorat démontrent le développement de nouvelles méthodes afin d’établir un lien entre l’apparition de mutations au niveau de gênes viraux et un phénotype de résistance particulier. Un système d’expression du gène de la TK virale chez le parasite Leishmania et un ensemble de cosmides et de plasmides recombinants permettant de générer des virus ADN pol mutants ont été mis au point. Ces nouvelles stratégies nous ont permis de caractériser les mutations virales impliquées dans la résistance aux antiviraux. / Drug resistant HSV isolates are responsible form substantial morbidity among immunocompromised subjects. The genetic basis for resistance to nucleoside analogs such as acyclovir (ACV) have been mapped to point mutations in the viral thymidine kinase (TK) gene while mutations within the viral DNA pol gene, the main target for all anti-herpetic drug actually available, could lead to a multidrug resistance phenotype. However, the distinction between viral mutations (TK and DNA pol) involved in antiviral resistance or part of viral polymorphism can be difficult to evaluate with current methodologies. OBJECTIVE: The aim of this research project is thus to evaluate the role of particular mutations within the HSV TK and DNA pol gene with regard to drug-resistance patterns and viral fitness, by designing new gene expression systems. METHODS: The protozoan parasite Leishmania stably transfected with a TK expression vector (pSP72αNEOα) was used as an heterologous system to evaluate the role of several different point mutations within the coding region of the TK gene in conferring resistance to nucleoside analogs. Susceptibility of TK-expressing parasites to nucleoside analogs can thus be tested very easily by a simple measurement of the optic density of cultures grown in the presence or in the absence of the drug. Finally, a set of overlapping viral cosmids and plasmids for the rapid generation of recombinant HSV-1 DNA pol mutants have been developed. RESULTS: Expression of the TK gene from ACV-susceptible clinical isolates resulted in Leishmania susceptibility to the antiviral, whereas expression of a TK gene with frameshift mutations or nucleotide substitutions from ACV-resistant isolates gave rise to parasites with high levels of antiviral resistance. Twenty HSV-1 recombinants with single or dual mutations within the DNA pol gene were successfully generated with the cosmid/plasmid based approach. Mutations within the central part of the enzyme’s catalytic domain (regions II and VI) were associated with resistance to ACV, FOS, and ADV, whereas mutations inserted within extremities (δ-region C, I, V, and VII) were mostly related to the replicative activity of the enzyme. CONCLUSION: Such new strategies provide an easy, reliable, and sensitive means of evaluating the functional role of viral mutations which should translate in improved management of drug-resistant HSV infections.