Les Acides Peptido-nucléiques (PNA) sont des analogues synthétiques d’oligonucleotides naturels, ils sont constitués d’une répétition d’unités N-(2-aminoethyl)-glycine reliées par une liaison peptidique. Leur stabilité chimique et biologique en font une alternative intéressante pour les assemblages supramoléculaires ayant une application biologique tels que l’encodage de chimiothèques combinatoires de petites molécules et des réactions engendrées par hybridation. Ce travail de thèse avait pour objectif la synthèse d’acides peptido-nucléiques modifiés dans le but d’améliorer leur hybridation, leurs propriétés physico-chimiques ainsi que la synthèse des chimiothèques combinatoires. / Peptide nucleic acids (PNA) are structural analogs of natural nucleic acids composed of repeating units of N-(2-aminoethyl)-glycine residues linked by peptide bonds. Their chemical and biological stability makes them very suitable for supramolecular assemblies with biological applications such as encoding combinatorial libraries of small molecules and for performing templated reactions. This phD project aimed at the synthesis of modified peptide nucleic acids to enhance their physicochemical and hybridization properties as well as for construction of combinatorial libraries.

All cellular RNAs contain numerous chemically modified nucleosides, but the largest number and the greatest variety are found in transfer RNA (tRNA). These modifications are posttranscriptionally introduced by modification enzymes during the complex process of tRNA maturation. The function of these modified nucleosides is not well known, but it seems that when present in the anticodon region, they play a direct role in increasing translational efficiency and fidelity, while modifications outside the anticodon region would be involved in the maintenance of the structural integrity of tRNA. Among the naturally occurring nucleoside modifications, base and ribose methylations are by far the most frequently encountered. They are catalyzed by tRNA methyltransferases (MTases), using generally the S-adenosyl-L-methionine (AdoMet) as methyl donor. Most of the knowledge about tRNA MTases comes from studies on bacterial and eukaryal model organisms, and very few informations are available about tRNA methylation in Archaea, particularly for thermophilic and hyperthermophilic Archaea whose GC-rich tRNAs are difficult to sequence. Nevertheless, some works on tRNA hydrolyzates from thermophiles or hyperthermophiles highlighted the presence of numerous methylated nucleosides. Furthermore, it has been shown that the only sequenced tRNA from an hyperthermophilic Archaea, the initiator methionine tRNA (tRNAiMet) from the Sulfolobus acidocaldarius, contains ten modified nucleosides, nine of them bearing a methylation on the base, on the ribose or on both base and ribose.<p>Of special interest is the modified nucleoside found at position 9 of this tRNA. It is an adenosine derivative, but the exact nature of the modification is unknown. In the yeast S. cerevisiae, some tRNAs with a guanosine at this position are methylated by the MTase Trm10p to form m1G9 (126). Since Trm10p-related proteins are found in hyperthermophilic archaea, such a homolog could be responsible for modification at position 9 of S. acidocaldarius tRNAiMet. In this work, we showed indeed that the Trm10p-related protein Saci_1677p from S. acidocaldarius methylates position 9 of tRNAs, but is specific for position N1 of adenosine, forming m1A rather than m1G. Interestingly, we demonstrated that Tk0422p from T. kodakaraensis, the euryarchaeal homolog to Saci_1677p, is the first tRNA MTase presenting a broadened nucleoside recognition capability, methylating both position N1 of A and of G to form m1A and m1G at position 9 of tRNAs. <p>This unique tRNA (m1A-m1G) MTase activity was further studied on one hand by site-directed mutagenesis of residues potentially important for the catalytic activity of Tk0422p enzyme, and on the other hand by determining the importance of the pH on the efficacy of the methylation reaction. Indeed, protonation state of atom N1 of A and G differs at physiological pH (N1 of G being protonated contrary to N1 of A), and we showed that m1G formation was increased with increasing pH. This could reflect the need of the enzyme to deprotonate G to be able to catalyze de methyltransfer. We showed also that the activity of the two archaeal enzymes (Saci_1677p and Tk0422p) present different dependence toward the structure of tRNA, the euryarchaeal Tk0422p requiring the intact tRNA structure while its crenarchaeal counterpart Saci_1677p being able to modify some truncated tRNAs.<p>Finally, some attempts to unveil the in vivo function of these enzymes, as well as their enzymatic mechanisms were undertaken, but these experiments are very preliminary and underline the needs for the development of genetic tools applicable to Archaea./ Tous les ARN cellulaires contiennent des nucléosides modifiés chimiquement, mais ce sont les ARNt qui en contiennent la plus grande variété et la plus grande proportion. Ces modifications sont introduites post-transcriptionnellement par des enzymes de modification durant le processus complexe de maturation des ARNt. Parmi les nucléosides modifiés, les méthylations de bases ou de riboses sont les plus fréquemment rencontrées. Elles sont catalysées par des ARNt méthyltransférases (MTases) utilisant pour la plupart de la S-adenosyl-L-methionine (AdoMet) comme donneur de méthyle. <p>La plupart des connaissances relatives aux ARNt MTases provient d’études sur des organismes modèles eucaryotes et bactériens, et peu de choses sont connues en ce qui concerne les archées, plus particulièrement les archées thermophiles et hyperthermophiles dont les ARNt GC riches sont difficiles à séquencer. Néanmoins, des travaux sur des hydrolysats d’ARNt de thermophiles et hyperthermophiles ont mis en évidence la présence d’un grand nombre de nucléosides modifiés. De plus, le seul ARNt d’archée hyperthermophile séquencé à ce jour, l’ARNtiMet de S. acidocaldarius contient 10 nucléosides modifiés, essentiellement par méthylation de la base, du ribose, ou des deux à la fois. Le nucléoside présent en position 9 de cet ARNt porte une modification chimique de nature encore inconnue. Or, chez la levure S. cerevisiae, certains ARNt possédant une guanosine à cette position sont méthylés par la MTase Trm10p pour former la 1-méthylguanosine. Etant donné qu’il existe une protéine apparentée à Trm10p chez les archées hyperthermophiles, celle-ci pourrait être responsable de la modification trouvée en position 9 de l’ARNtiMet de S. acidocaldarius. Dans ce travail, nous avons montré qu’effectivement la protéine Saci_1677p de la crénarchée S. acidocaldarius, orthologue à Trm10p, modifie la position 9 des ARNt, mais catalyse la formation de 1-methyladénosine (m1A) plutôt que de m1G dans les ARNt. De façon intéressante, nous avons montré que chez l’euryarchée T. kodakaraensis, l’enzyme Tk0422p homologue à Saci_1677p est capable de méthyler à la fois une adénosine et une guanosine en position 9 des ARNt. A notre connaissance, cette enzyme est la première ARNt MTase présentant une capacité élargie de reconnaissance de substrat.<p>Le présent travail a contribué à la caractérisation fonctionnelle et structurale de ces deux enzymes archéennes, et a permis d’améliorer la connaissance générale de la machinerie de modification des ARNt d’archées.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la recherche relative au développement de biosenseurs à ADN électrochimiques. Des aspects fondamentaux, ainsi que des aspects d’application de la détection d’hybridation d’ADN sont envisagés.<p>Dans un premier temps, le comportement interfacial et le processus d’hybridation d’oligonucléotides d’ADN linéaires et ADN hairpin (structure en épingle à cheveux) nonmarqués sont étudiés en formant des monocouches auto-assemblées mixtes de monobrins d’ADN (ssADN) thiolés et d’un hydroxyalcanethiol (4-mercaptobutan-1-ol) par coadsorption spontanée sur des électrodes d’or polycristallin. L’immobilisation de monocouches mixtes ssADN/MCB est caractérisée par voie électrochimique et par spectroscopie des photoélectrons X. Des mesures de chronocoulométrie, en présence de [Ru(NH3)6]3+ (RuHex), permettent de déterminer la quantité d’ADN dans la monocouche mixte formée. Les résultats montrent que l’excès superficiel d’ADN linéaire est plus important que l’excès superficiel d’ADN hairpin sous des conditions de formation identiques.<p>La réaction de reconnaissance moléculaire d’hybridation est détectée par des mesures d’impédance en présence de [Fe(CN)6]3-/4-. L’hybridation se traduit dans le cas de l’ADN linéaire par une augmentation de la résistance au transfert d’électron Rct tandis que dans le cas de l’ADN hairpin, Rct diminue. Ces différences sont dues au plus faible recouvrement et au changement de conformation des molécules d’ADN hairpin lors de l’hybridation. Des mesures de réflectivité de neutrons nous ont permis de mettre en évidence l’augmentation de l’épaisseur du film d’ADN hairpin et de confirmer le changement conformationel ces sondes lors de la reconnaissance moléculaire.<p>Dans la seconde partie, nous présentons une nouvelle méthode électrochimique de détection d’hybridation, basée sur les interactions électrostatiques entre le complexe cationique RuHex et les groupements phosphates de l’ADN. Afin d’améliorer la détection des molécules de PNA (peptide nucleic acid) ont été immobilisées comme sondes de reconnaissance moléculaire. Après hybridation des sondes PNA avec le brin complémentaire, RuHex s’adsorbe sur l’ADN hybridé et un signal de réduction de ces complexes redox, enregistré par voltampérométrie alternative, constitue une signature claire de l’hybridation d’ADN à l’interface modifiée. Les interactions RuHex/PNA-ADN ont été étudiées. La constante d’adsorption de RuHex sur l’électrode modifiée PNA/MCB après hybridation est évaluée à 2,9 (±0,3) 105 M-1 en milieu Tris-HCl 0,01M, selon une isotherme de Langmuir.<p>Les performances analytiques de la méthode de détection (sensibilité, sélectivité et reproductibilité) ont été évaluées et optimisées pour la détection des séquences d’ADN du gène de l’ARNr 23S d’Helicobacter pylori. La méthode de détection électrochimique présentée est assez sélective pour permettre de discriminer les mutations ponctuelles A2143G et A2144C de la séquence de type sauvage. La diminution significative des signaux d’admittance enregistrés en présence des séquences mutées est attribuée à la capacité accrue de discrimination de mutations ponctuelles des molécules PNA.<p>La réponse de détection est linéaire en fonction du logarithme de la concentration de la cible d’ADN sur plus de quatre ordres de grandeur (10-6 M à 10-10 M). La limite de détection de l’oligonucléotide d’ADN complémentaire de 80 pM est très bonne. La méthode a été appliquée avec succès à la détection de fragments PCR complémentaires de 100 et 400 paires de bases, amplifiés à partir de souches SS1 d’H.pylori. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La criminalistique peut être définie comme l’application de procédés techniques aux investigations judiciaires permettant l’étude scientifique des traces et des indices retrouvés sur les scènes de crime.Depuis la découverte de l’empreinte génétique par Sir Alec Jeffreys en 1984, le monde judiciaire s’est profondément ancré dans l’ère de l’ADN en raison d’évolutions technologiques successives dans le domaine de la biologie moléculaire et ses applications en criminalistique. Le besoin de réponse instantanée est omniprésent dans les esprits. La mise en œuvre de techniques d’analyses simples, sensibles, fiables et permettant d’obtenir des résultats dans les plus brefs délais sont les clés du succès.Au cours des processus techniques, la collecte du matériel biologique, et donc de l’ADN au sein de la trace, constitue une étape incontournable et cruciale qui va conditionner la réussite des analyses. Ce travail de recherche a donc consisté à développer des solutions performantes de prélèvements de matériels biologiques soit en détournant de leur fonction initiale des solutions existantes soit en développant des solutions simples mais innovantes combinant les avantages des solutions existantes. Ces travaux ont permis de donner naissance au micro-écouvillon GendSAG. Les potentialités de GendSAG permettent de proposer une solution alternative aux solutions commerciales de systèmes intégrés d’analyses rapide d’ADN. Cette solution alternative d’analyse rapide et haut débit de l’ADN mise en œuvre dans un laboratoire mobile au plus près de la scène de crime répond non seulement à la grande majorité des avantages des systèmes intégrés mais également à toutes leurs limitations. / Forensic sciences can be defined as the used of technical processes to judicial investigations allowing the scientific study of traces and evidences found on crime scenes.Since the discovery of DNA fingerprinting by Sir Alec Jeffreys in 1984, the legal world has become deeply rooted in the DNA by successive technological developments in molecular biology and its applications in forensic. The need for instant response is omnipresent in the minds. The key to success is the implementation of simple, sensitive, reliable analytical techniques that enable results to be achieved in the shortest possible time.During these technical processes, the collection of biological samples, is an unavoidable and a crucial step that will condition the analysis success rate. This study consisted in developing efficient biological collecting solutions either by diverting from their original function the existing solutions or by developing simple but innovative solutions combining the advantages of the existing solutions. This allowed developing the micro-swab GendSAG. The potentialities of GendSAG make it possible to propose an alternative solution to the commercial rapid DNA analysis integrated systems. This rapid, cost effective and high-throughput DNA analysis solution performed in a dedicated mobile laboratory directly into the crime scene enables the large majority of the rapid DNA analysis integrated systems benefits and also all of their limitations.

Le développement de nouvelles voies synthétiques permettant l’accès à des sondes à applications biologiques connaît un intérêt accru. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans ce cadre. Ils portent particulièrement sur les colorants « Push-pull » qui se caractérisent par leur sensibilité aux changements de leur environnement, leur faible cytotoxicité et leur photostabilité élevée. En outre, la synthèse de ces fluorènes est très exigeante. Nos travaux ont abouti à : 1) Des approches synthétiques concises pour accéder à des composés aromatiques aminés difficiles à synthétiser, celles-ci via des systèmes Pallado-catalysés optimisés impliquant une amination sélective et une synthèse séquentielle en « one pot », 2) La synthèse d'une bibliothèque vaste de fluorènes avec la diversification des groupements accepteur et donneur. 3) Des relations structure- propriétés photophysiques. 4) La synthèse de trois colorants avancés engendrant la première sonde de fluorènes spécifique aux membranes : un outil puissant pour étudier la structure et les dynamiques biophysiques de ces membranes. Le colorant optimal surpasse les caractéristiques des sondes couramment utilisées montrant : une absorption décalée vers le rouge attenant 405 nm en diode laser, une luminosité plus élevée diminuant la concentration du colorant pour la coloration de ~ 10-15 fois, une haute photo-stabilité, une forte sensibilité aux domaines liquides des membranes des cellules. 5) La Synthèse de 4 phosphoramidites marqués et leurs incorporations dans les oligonucléotides attestant une grande sensibilité aux milieux protiques et au pH. En duplex d'ADN, le colorant est efficace pour la différenciation des bases opposées. Une application du marqueur d'ADN fluorescent l’a testé comme un donneur pour le déplacement de Stokes dans une paire de FRET émissive en combinaison avec l’accepteur Dy681. Le FRET a démontré une augmentation ratiométrique dans la région proche infrarouge avec un décalage de 300 nm / Extensive research focuses on finding straightforward synthesis and prospective probes for biological applications. Push-pull dyes are of particular interest for various uses as biosensors for membranes and nucleic acids. These dyes are highly responsive to changes of their environments. Specifically, push-pull fluorenes exhibit low cytotoxicity and high photostability, but are not yet reported in the two mentioned applications. Furthermore, their synthesis is highly demanding. In this context, our work presents: 1) Step-economic and concise approaches to access challenging aminoaromatics via optimized air-stable Pd catalytic systems involving selective mono/di-amination and sequential one-pot synthesis, 2) Synthesis of a fluorene library varying the acceptor and the donor groups, 3) Structure-photophysics relationships, 4) Synthesis of three advanced dyes and concluding the first plasma membrane-specific fluorene probe that can be a powerful tool for studying the structure and biophysical dynamics of membranes. The optimal dye surpasses the features of commonly used probes showing: red-shifted absorption matching the 405 nm diode laser, higher brightness decreasing the dye concentration for staining by ~10-15 folds, high photostability, comparably strong sensitivity to liquid domains of cell membrane, and 5) Synthesis of 4 fluorene-labeled phosphoramidites and their site-specific ODN incorporations evidencing high sensitivity to protic media and pH. Labeled sequences exhibited a far-red emission with modest quantum yields in line with their strong charge transfer character. In DNA duplexes, the dye efficiently base-discriminated opposite cytidine and thymidine. A preliminary application of the DNA fluorescent marker involved testing it as a mega-Stokes shift donor in an emissive FRET pair in combination with Dy681 acceptor. The FRET demonstrated a ratiometric turn-on in NIR region with a shift of 300 nm

Les biomarqueurs à base d’acides nucléiques, qui sont impliqués dans le contrôle de l'expression génétique, sont spécifiques de nombreux types de cancers. Les applications basées sur le transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET) sont parmi les plus prometteuses pour la biodétection d’acides nucléiques. Comme la détection simultanée de plusieurs acides nucléiques est très demandée et que le multiplexage spectral est limité par des interférences (optical crosstalk), le multiplexage temporel est utilisé ici pour ajouter de nouvelles possibilités de multiples détections simultanées. La thèse porte sur le développement de systèmes comprenant différentes distances entre molécules donneuses et acceptrices de FRET (Terbium vers fluorophores) pour créer des signaux d'intensité spécifiques correspondant à différentes séquences d'acides nucléiques. Les distances Tb-to-dye peuvent être arrangées en positionnant spécifiquement le donneur Tb sur des molécules d’ADN de différentes longueurs. Les technologies d'amplification d’acides nucléiques, telles que la réaction d'hybridation en chaîne (HCR) et l’amplification circulaire de l’ADN (RCA), ont été utilisées pour obtenir simplicité, rapidité, sélectivité et sensibilité dans la détection d’acides nucléiques. Le multiplexage temporel du signal de FRET a également été combiné avec le multiplexage spectral (couleur) pour le démultiplier. De plus, la possibilité d'un multiplexage temporel à base de nanoparticules a été démontrée. / Nucleic acid biomarkers, which involve in gene expression control, are found specific for many kinds of cancers. Förster Resonance Energy Transfer (FRET) based applications are one of the most promising for nucleic acid biosensing. As parallel detection of multiple nucleic acids is highly demanded and spectral multiplexing is limited by optical crosstalk, temporal multiplexing is used for opening another dimension of the multiplexing. The thesis focuses on developing different Tb-to-dye FRET distances to create specific intensity signals corresponding to different nucleic acid sequences. The Tb-dye distances can be tuned by specific location of the Tb donor using different lengths of DNA. Amplification technologies, such as hybridization chain reaction (HCR) and rolling circle amplification (RCA), are used to achieve simplicity, rapidity, selectivity, and sensitivity of nucleic acid detection. Temporal multiplexing FRET was also combined with spectral (color) multiplexing for higher order multiplexed detection. Moreover, a single Tb-QD FRET modeling demonstrated the possibility of nanoparticle-based temporal multiplexing.

Ce travail consiste à utiliser deux systèmes microfluidiques de gouttes pour incorporer d'une part des acides nucléiques dans des liposomes cationiques et d'autre part étudier la dynamique de transfection dans des cellules mammifères. La première micropuce permet d'insérer de l'ADN dans des liposomes cationiques afin d'obtenir de manière reproductible des lipoplexes appropriés à la transfection de cellules dendritiques (DC). Plusieurs paramètres expérimentaux sont tout d'abord étudiés, tels que les débits d'entrée, l’entretien des propriétés des liposomes après leur traitement dans des micro-gouttes, les caractéristiques des lipoplexes (taille, polydispersité et charge) en fonction du rapport molaire de charge (R+/-) et de la géométrie de la puce. Ensuite, les lipoplexes produits dans des conditions optimisées: une micropuce avec un grand canal en serpentin et une région de division des gouttes qui diminuent la polydispersité des lipoplexes, fonctionnant à un rapport de débit eau/huile 0,25 et R+/- 1,5; 3; 5; 7 et 10; sont utilisés pour transfecter des DCs in vitro. Tous les lipoplexes transfectent les DCs, tout en offrant une activation des DCs. La seconde étape consiste à utiliser une micropuce à l'échelle de la cellule unique afin de contrôler les conditions de transfection et d'optimiser le rendement de production de protéines recombinantes. Ainsi, des cellules ovariennes de hamster Chinois (CHO-S) sont transfectées dans la micropuce avec différents types de lipoplexes (R+/- 1,5; 3; 5) dont la dynamique de transfection est suivie par la production de protéines vertes fluorescentes (GFP) et par la viabilité cellulaire. Cette micropuce a permis d'évaluer l’hétérogénéité des cellules transfectées, révélant la présence d'une sous-population produisant des niveaux particulièrement élevés de GFP. Ces hautes productrices (HP) ont une taille cellulaire plus importante que celle de la population moyenne. La charge des lipoplexes montre un rôle important pour transfecter CHO-S, puisque l’unique lipoplex chargé positif R+/- 5 produit plus de HPs. La quantité d’ADN délivrée influe sur la production de protéine, puisque R+/- 1,5 avec plus d’ADN augmente la productivité spécifique de GFP des HPs. Cette thèse est réalisée dans le cadre d'un programme de co-tutelle entre l'Université de Campinas, au Brésil, et l'École Polytechnique, en France. Ce travail a principalement contribué aux domaines de microfluidique et de délivrance de gènes. / This work aims to use one droplet-based microfluidic systems to incorporate nucleic acids into cationic liposomes and another one to study the mammalian cell transfection process. For this, the first step uses a droplet-based microfluidic system to complex cationic liposomes with pDNA in order to obtain reproducible and suitable lipoplexes to dendritic cells (DCs) transfection. For this purpose, some experimental parameters are investigated, such as inlet flow rates, the maintenance of liposomes’ properties after microfluidic processing, lipoplex characteristics (size, polydispersity and zeta potential) as function of molar charge ratio (R+/-) and microchip design. Then, lipoplexes produced in selected conditions: a microchip with large serpentine channel and split region, which decreases lipoplex polydispersity, operating at ratio aqueous/oil flow rate 0.25 and R+/- 1.5, 3, 5, 7 and 10; are used to transfect DCs in vitro. All lipoplexes transfect DCs while providing cells activation. The second step uses a single-cell microfluidic platform to investigate and control over the transfection conditions, in view of optimizing the recombinant protein production by transfected cells. In this context, Chinese hamster ovary cells (CHO-S) are transfected in microchip with different types of lipoplexes (R+/- 1.5, 3, 5) and monitored by green fluorescent protein (GFP) production and cell viability. The single-cell platform enables to assess the heterogeneities of CHO-S population, revealing the presence of a subpopulation producing significantly high levels of GFP. These high producers (HP) show increased cell size in comparison to the average population. Moreover, the charge of lipoplexes shows an important role to transfect CHO-S, since the unique positive charged lipoplex R+/- 5 produces more HPs. Additionally, the amount of pDNA delivered affects the protein production, since R+/- 1.5 with more pDNA increase GFP specific productivity of HPs. This thesis is a co-supervised program between University of Campinas, Brazil and École Polytechnique, France. In general, this work contributes to microfluidics and gene delivery areas.

La protéine de la nucléocapside (NC) possède un rôle important dans le cycle de viral du VIH-1 grâce à sa propriété chaperone des acides nucléiques (NA) qui implique la reconnaissance de son résidu Trp37 avec un résidu Guanine de l'acide nucléique cible. Nous avons caractérisé cette reconnaissance dynamique Trp37-G en utilisant des séquences impliquées dans la transcription inverse et l'assemblage de l'ARN génomique. En utilisant les analogues nucléosidiques fluorescents thienoguanosine (thG) et 2-thiényl-3-hydroxychromone (3HCnt), nous avons déterminé l'ensemble des constantes de vitesse cinétiques du mécanisme d’hybridation de la séquence (-)PBS avec (+)PBS en absence et en présence de NC. Nous avons également étudié le rôle du NA sucre dans les complexes NC-ARN et NC-ADN, puisque la protéine NC se lie avec la polarité opposée aux séquences d'ADN et d'ARN. Nous avons confirmé que l'interaction du résidu Trp37 avec les amino-acides de type guanines était critique lors de la formation des complexes avec les deux mutants d’ARN et d’ADN de PBS et de SL3. Enfin, nous avons réalisé un criblage de potentiels inhibiteurs de la protéine NC et examiné les touches identifiées à partir d’un test basé sur la fluorescence de la sonde thG. / Nucleocapsid protein (NC) plays crucial roles in HIV-1 life cycle through its nucleic acid (NA) chaperoning property that involves recognition of it’s Trp37 residue with a Guanine residue of the target nucleic acid sequences. Herein, we characterized this dynamic Trp37-G recognition with sequences involved in reverse transcription and genomic RNA packaging. Using the fluorescent thienoguanosine (thG) and 2-thienyl-3-hydroxychromone (3HCnt) nucleoside analogues, we determined the whole set of kinetic rate constants for annealing of (-)PBS with (+)PBS in the absence and presence of NC. We also investigated the role of NA sugar in NC-RNA and NC-DNA complexes, as NC binds with opposite polarity to DNA and RNA sequences. We confirmed that the interaction of the Trp37 residue with guanines was critical for the formation of complexes with both RNA and DNA variants of PBS and SL3. Finally, we performed screening of NC inhibitors and tested the selected hits on a thG-based assay.

Le maintien de la stabilité du génome est essentiel pour la propagation de l’information génétique et pour la croissance et la survie des cellules. Tous les organismes possèdent des systèmes de prévention des dommages et des réarrangements de l’ADN et nos connaissances sur ces processus découlent principalement de l’étude des génomes bactériens et nucléaires. Comparativement peu de choses sont connues sur les systèmes de protection des génomes d’organelles. Cette étude révèle l’importance des protéines liant l’ADN simple-brin de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles de plantes. Nous rapportons que les Whirlies sont requis pour la stabilité du génome plastidique chez Arabidopsis thaliana et Zea mays. L’absence des Whirlies plastidiques favorise une accumulation de molécules rearrangées produites par recombinaison non-homologue médiée par des régions de microhomologie. Ce mécanisme est similaire au “microhomology-mediated break-induced replication” (MMBIR) retrouvé chez les bactéries, la levure et l’humain. Nous montrons également que les organelles de plantes peuvent réparer les bris double-brin en utilisant une voie semblable au MMBIR. La délétion de différents membres de la famille Whirly entraîne une accumulation importante de réarrangements dans le génome des organelles suite à l’induction de bris double-brin. Ces résultats indiquent que les Whirlies sont aussi importants pour la réparation fidèle des génomes d’organelles. En se basant sur des données biologiques et structurales, nous proposons un modèle où les Whirlies modulent la disponibilité de l’ADN simple-brin, régulant ainsi le choix des voies de réparation et permettant le maintien de la stabilité du génome des organelles. Les divers aspects de ce modèle seront testés au cours d’expériences futures ce qui mènera à une meilleure compréhension du maintien de la stabilité du génome des organelles. / Maintenance of genome stability is essential for the accurate propagation of genetic information and for cell growth and survival. Organisms have therefore developed efficient strategies to prevent DNA lesions and rearrangements. Much of the information concerning these strategies has been obtained through the study of bacterial and nuclear genomes. Comparatively little is known about how organelle genomes maintain a stable structure. This study implicates the single-stranded nucleic acid-binding proteins of the Whirly family in the maintenance of plant organelle genome stability. Here we report that the plastid-localized single-stranded DNA binding proteins of the Whirly family are required for plastid genome stability in Arabidopsis thaliana and Zea mays. Absence of plastidial Whirlies favors the accumulation of rearranged molecules that arise through a non-homologous recombination mechanism mediated by regions of microhomology. This mechanism is similar to the microhomology-mediated break-induced replication (MMBIR) described in bacteria, yeast and humans. Additionally we show that plant organelles can repair double-strand breaks using a MMBIR-like pathway. Plants lacking Whirly proteins accumulate elevated levels of microhomology-mediated DNA rearrangements upon double-strand break induction, indicating that Whirlies also contribute to the accurate repair of plant organelle genomes. Using biological and structural data, we propose a working model in which Whirlies modulate the access of repair proteins and complementary DNA to single-stranded regions, thereby regulating the choice of repair pathways and maintaining plant organelle genome stability. The various aspects of this model will be tested in future experiments which should allow a better understanding of the mechanisms underlying genome stability in plant organelles.

L’objectif de ces travaux de thèse était l’étude des interactions de petites molécules avec les multiples structures de l’ADN quadruplex via i) le développement et l’utilisation d’un test haut-débit pour l’analyse des interactions ligand-ADN quadruplex et le criblage de chimiothèques/ciblothèques et ii) la préparation de composés aux modes d’interactions multiples (empilement/sillon, covalent/non-covalent, etc.), sélectifs (quadruplex vs. duplex et intra-quadruplex) et éventuellement fonctionnalisés (biotine, fluorophore, etc.). La première partie des travaux a été centrée sur le développement du test G4-FID (G-quadruplex Fluorescent Intercalator Displacement) qui est une méthode semi-quantitative permettant l’évaluation de l’affinité et de la sélectivité de petites molécules pour l’ADN quadruplex par déplacement d’une sonde off/on, le Thiazole Orange (TO). Le test a notamment été transposé avec succès de la cuve vers la microplaque (HT-G4-FID). D’autre part, nous avons montré l’intérêt de fluorophores alternatifs, TO-PRO-3 et Hoechst 33258, aux caractéristiques spectrales complémentaires à TO. Cette méthode d’analyse a également été utilisée avec succès pour l’identification de nouveaux ligands sélectifs d’ADN quadruplex et la mise en évidence des relations structure-activité ainsi que des sélectivités structurales. La deuxième partie des travaux a été consacrée à la préparation et à l’étude de nouveaux ligands d’ADN quadruplex. Ces ligands possèdent des particularités, soit dans leur mode d’interaction (sillons, coordination) soit par leur bifonctionnalité (biotinylés, fluorescents). Nous avons ainsi préparé un ligand de quadruplex polyhétéroaryle acyclique (TOxaPy) possédant une sélectivité inattendue pour certaines structures de l’ADN quadruplex. D’autre part, nous avons montré que les complexes de dérivés de terpyridine peuvent être adaptés, en changeant le ligand organique et/ou la nature du métal, de façon à interagir avec l’ADN quadruplex par interaction covalentes et/ou non covalentes. / The aim of this thesis work was to study the interactions of small molecules with multiple structures of quadruplex DNA via i) the development and use of a high-throughput test for the analysis of ligand-quadruplex DNA interactions and screening of chemical libraries and ii) the preparation of compounds with multiple binding modes (stacking/groove, covalent/non-covalent, etc..) selective (quadruplex vs. duplex and intra-quadruplex) and possibly functionalized (biotin, fluorophore, etc.). The first part of the work was focused on the development of the G4-FID (G-quadruplex Intercalator Fluorescent Displacement) assay, which is a semi-quantitative method for evaluating the affinity and selectivity of small molecules for quadruplex DNA by displacing an off/on probe, the Thiazole Orange (TO). The test has been implemented successfully with microplate (HT-G4-FID). On the other hand, we have shown the importance of alternative fluorophores, TO-PRO-3 and Hoechst 33258, with complementary spectral characteristics. This method of analysis has also been successfully used for the identification of new selective ligands of quadruplex DNA and the identification of structure-activity relationships and structural selectivities. The second part of the work was devoted to the preparation and study of new DNA quadruplex ligands. These ligands possess particular characteristics either in their mode of interaction (grooves, coordination) or by their bifunctionality (biotinylated, fluorescent). We have prepared an acyclic polyheteroaryle quadruplex ligand (TOxaPy) with an unexpected selectivity for certain structures of quadruplex DNA. Furthermore, we showed that complexes of terpyridine derivatives can be tailored by changing the organic ligand and / or the metal in order to interact with quadruplex DNA by covalent and / or non-covalent interaction.