Cette thèse étudie trois sujets relevant de la biologie structurale, de lagénétique et de l'immunologie.Premièrement, nous développons de nouveaux prédicteurs de l'affinité deliaison de complexes protéiques, produisant des résultats de niveau ``état del'art''. Nous calculons d'abord 12 variables modélisant diverses propriétésstructurales des complexes. Nous générons et évaluons des estimateursutilisant des sous ensembles de ces variables, de façon à identifier les plusperformants. Le logiciel associé est distribué dans la Structural BioinformaticsLibrary.Deuxièmement, nous proposons de nouvelles analyses de complexes Ig-Ag.D'une part nous concevons un classificateur distinguant les types de ligand desIg. D'autre part, nous montrons que le modèle précédent prédit fidèlementl'affinité de complexes Ig-Ag. Enfin, nous quantifions la contribution des CDR3de la chaine lourde à l'affinité de liaison, et montrons qu'il contribuesignificativement plus que les autres CDR.Enfin, nous nous intéressons à la modélisation de la diversité des répertoiresde chaîne lourde des Igs, à partir de données de séquençage de CDR3, dans unmodèle de vaccin chez le poisson. Nous analysons les répertoires dans troisconditions: naifs, vaccinés et vaccinés + infectés. Nous comparons lesrépertoires de deux individus en utilisant la « earth-mover distance », laquelleexploite la correspondance entre clonotypes de deux répertoires, révélant ainsides informations inaccessibles aux méthodes basées sur les indices dediversité.Dépôt de thèseDonnées complémentairesPour caractériser la notion de réponse immunitaire publique / privée, nousquantifions le chevauchement des clonotypes exprimés entre individus de lamême ou de différentes conditions / This thesis investigates three topics at the cross-roads of structural biology,genetics and immunology.First, we develop a pipeline to design and select binding affinity predictors forprotein complexes, yielding state-of-the art results. The first step is the designand computation of 12 different variables accounting for geometric andphysico-chemical properties of the complexes. The second step is thegeneration and evaluation of models using subsets of these variables, followedby the selection of the best performing ones. The corresponding software isdistributed within the Structural Bioinformatics Library.Second, we provide an analysis of the interface properties of Ig-Ag complexes.In particular, we design a classifier using two descriptors, which is able todistinguish ligand types. We also apply the previous binding affinity predictionmodel to Ig-Ag complexes and obtain accurate predictions. We then develop aquantitative model for the contribution of VH CDR3 to the binding affinity andinteraction specificity, and show that it contributes significantly more thanother CDRs.Third, we model the diversity of VH CDR3 repertoires from Ig RNA sequencingdata in a fish vaccination model. We analyze repertoires from three conditions:naive, vaccinated and vaccinated + infected fish. Comparison of the repertoiresof two individuals uses the earth-mover distance (EMD). By exploiting amapping between the clonotypes of the repertoires, we show that EMD revealsinformation beyond classical methods based on diversity indexes. Tocharacterize the notion of public / private immune response, we quantify theoverlap of clonotypes between individuals of the same or different conditions

Plusieurs maladies rénales et cardiovasculaires présentent une altération de l’expression des récepteurs de type 1 de l'angiotensine (AT1R) et sont traitées par le candésartan ou le losartan. Le radiomarquage de cette famille de molécules développé au sein de notre laboratoire a démontré une liaison spécifique pour les AT1R rénaux chez les rats et les cochons. Le [11C]méthyl-candésartan présente une cinétique supérieure à celle du [11C]méthyl-losartan. Néanmoins, la présence d’un radiométabolite hydrophobe, interférant avec le signal TEP du traceur d’origine, rend la quantification des AT1R complexe. Le [18F]fluoropyridine-losartan est un antagoniste qui possède une affinité de liaison élevée ainsi que peu de métabolites radiomarqués dans les reins de rats. Cependant, sa faible activité molaire ne permet pas de visualiser les niveaux d’AT1R myocardiques présents en faible densité. Le but de cette recherche est de développer les radiosynthèses automatisées d'analogues 18F-fluoropyridinés du candésartan et du losartan en très hautes puretés et activités molaires et d'évaluer l'efficacité du [18F]fluoropyridine-candésartan comme traceur TEP sélectif aux AT1R. Le [18F]fluoropyridine-candésartan et le [18F]fluoropyridine-losartan ont été synthétisés via la cycloaddition de Huisgen catalysée au cuivre(I) entre le 2-[18F]fluoro-3-(pent-4-yn-1-yloxy)pyridine ([18F]FPyKYNE) et un dérivé azidé du candésartan ou du losartan. Le [18F]FPyKYNE est préalablement obtenu par radiofluoration de NO2PyKYNE puis purifié par HPLC, empêchant ainsi la formation de sous-produits nitropyridinés. Après optimisation, les traceurs sont obtenus avec un rendement radiochimique de 11% et des activités molaires (>380 GBq/μmol), des puretés chimiques et radiochimiques (>97%) très élevées. Les tests de contrôle de qualité complet du [18F]fluoropyridine-losartan permettant son utilisation dans des études cliniques futures ont aussi été développés. Le fluoropyridine-candésartan a révélé une affinité élevée (Ki=5,9 nM) dans des membranes exprimant les AT1R, comparable au fluoropyridine-losartan (Ki=5,6 nM) mais inférieure à celle du candésartan (Ki=0,4 nM). Des études d’ultrafiltration ont démontré que le [18F]fluoropyridine-candésartan se lie fortement aux protéines plasmatiques (99,3%). La liaison spécifique aux AT1Rs a été confirmée ex vivo par biodistribution. Une réduction significative (-86%) de la captation dans le cortex rénal de rats prétraités (candésartan ou losartan) est constatée. Des résultats similaires sont obtenus in vitro par autoradiographie avec co-incubation en présence de losartan. La présence de métabolites radiomarqués a été évaluée ex vivo dans du plasma et dans les reins d’animaux témoins ou prétraités (candésartan ou losartan) par HPLC. Le [18F]fluoropyridine-candésartan a été métabolisé en composés radiomarqués hydrophiles, affichant une interférence minimale sur la liaison rénale aux AT1R avec 82% de traceur inchangé dans les reins 20 min après injection. Les images TEP/TC dynamiques du [18F]fluoropyridine-candésartan, acquises pendant 60 min, ont révélé des accumulations élevées et éliminations lentes dans le cortex rénal et le foie avec des rapports tissu-sang élevés. La spécificité de liaison aux AT1R a été démontrée par le blocage des sites de liaison avec du losartan 20 min après l'injection (réductions des rapports tissu-sang dans le cortex rénal (-84%) et dans le foie (-93%)). Aucun changement n'a été observé dans les reins de rats prétraités avec l'antagoniste des AT2R PD123,319, confirmant la sélectivité de liaison pour les AT1R. Les radiosynthèses reproductibles automatisées, les propriétés de liaison ainsi que la stabilité in vivo font du [18F]fluoropyridine-candésartan et du [18F]fluoropyridine-losartan des radiotraceurs potentiels permettant l’imagerie TEP des AT1R dans plusieurs maladies cardiovasculaires ou rénales, offrant ainsi la possibilité de suivre la progression de ces maladies dans des études longitudinales mais aussi de mieux guider la thérapie. / Numerous renal and cardiovascular diseases exhibit alterations in the Angiotensin type 1 receptor (AT1R) levels that are treated with candesartan or losartan. Our previous radiolabeled derivatives of these drugs displayed specific binding for renal AT1R in rats and pigs. [11C]Methyl-candesartan exhibited superior kinetics than [11C]methyl-losartan, but a hydrophobic radiometabolite interfered with the PET signal and AT1R quantification. High binding affinity, full antagonistic efficacy and minimal interference of labeled metabolites in rat kidneys were observed with [18F]fluoropyridine-losartan. However, the tracer’s low molar activity prevented visualization of low-density myocardial AT1R. The aim of this research was to develop automated radiosyntheses of 18F-fluoropyridinated analogs of candesartan and losartan in very high purities and molar activities and to evaluate [18F]fluoropyridine-candesartan efficacy as a selective AT1R PET tracer. [18F]Fluoropyridine-candesartan and [18F]fluoropyridine-losartan were synthesized via the copper(I)-catalyzed Huisgen cycloaddition between 2-[18F]fluoro-3-(pent-4-yn-1-yloxy)pyridine ([18F]FPyKYNE) and an azido-derivative of candesartan or losartan, respectively, followed by acid deprotection and C18-HPLC purification. [18F]FPyKYNE was obtained by radiofluorination of NO2PyKYNE and purified by silica-gel HPLC, preventing the formation of nitropyridinated by-products in the second step. The reaction parameters and purifications were optimized to provide tracers in 11% radiochemical yield with very high molar activities (>380 GBq/μmol), chemical and radiochemical purities (>97%). Full quality control testing of [18F]fluoropyridine-losartan was performed to validate its safe use in future clinical studies. The binding and pharmacokinetic properties of the novel [18F]fluoropyridine-candesartan were evaluated in vitro and ex/in vivo in male Sprague-Dawley rats. Competition binding assays in AT1R-expressing membranes revealed a high affinity of fluoropyridine-candesartan (Ki=5.9 nM), which is similar to fluoropyridine-losartan (Ki=5.6 nM) but lower than candesartan (Ki=0.4 nM). [18F]Fluoropyridine-candesartan bound strongly to plasma proteins (99.3%) as assessed by ultrafiltration. Specific binding was confirmed by ex vivo biodistribution 20 min after tracer injection, with a significant uptake reduction (-86%) in the AT1R-rich kidney cortex of pretreated (candesartan or losartan) rats and by in vitro autoradiography with losartan co-incubation. Radiolabeled metabolites in plasma and kidneys of control and pretreated (candesartan or losartan) animals were analyzed by column-switch HPLC. [18F]Fluoropyridine-candesartan was mainly metabolized to radiolabeled hydrophilic compounds, displaying minimal interference on renal AT1R binding with 82% of unchanged tracer in the kidneys at 20 min post-injection. Dynamic PET/CT images of [18F]fluoropyridine-candesartan, acquired for 60 min at baseline, revealed high accumulation and slow clearance from the kidney cortex and liver with high tissue-to-blood ratios. Binding specificity for AT1R was demonstrated with marked reductions in kidney-cortex (-84%) and liver (-93%) tissue-to-blood ratios at 20 min post-injection, when blocking with losartan. No change was observed in kidneys of rats pre-treated with the AT2R antagonist PD123,319, confirming binding selectivity for AT1 over AT2 receptors. The favorable binding properties and in vivo stability of [18F]fluoropyridine-candesartan support further studies to validate its potential as AT1R PET radioligand. The reproducible automated radiosyntheses developed in my research will allow innovative in-vivo PET imaging of AT1R-expression in several diseases, offering the possibility to follow disease progression in longitudinal studies and guide therapy.

Cette thèse porte sur deux sujets intrinsèquement liés : le calcul de la constante de normalisation d’un champ de Markov et l’estimation de l’affinité de liaison d’un complexe de protéines. Premièrement, afin d’aborder ce problème de comptage #P complet, nous avons développé Z*, basé sur un élagage des quantités de potentiels négligeables. Il s’est montré plus performant que des méthodes de l’état de l’art sur des instances issues d’interaction protéine-protéine. Par la suite, nous avons développé #HBFS, un algorithme avec une garantie anytime, qui s’est révélé plus performant que son prédécesseur. Enfin, nous avons développé BTDZ, un algorithme exact basé sur une décomposition arborescente qui a fait ses preuves sur des instances issues d’interaction intermoléculaire appelées “superhélices”. Ces algorithmes s’appuient sur des méthodes issuse des modèles graphiques : cohérences locales, élimination de variable et décompositions arborescentes. A l’aide de méthodes d’optimisation existantes, de Z* et des fonctions d’énergie de Rosetta, nous avons développé un logiciel open source estimant la constante d’affinité d’un complexe protéine protéine sur une librairie de mutants. Nous avons analysé nos estimations sur un jeu de données de complexes de protéines et nous les avons confronté à deux approches de l’état de l’art. Il en est ressorti que notre outil était qualitativement meilleur que ces méthodes. / This thesis is focused on two intrinsically related subjects : the computation of the normalizing constant of a Markov random field and the estimation of the binding affinity of protein-protein interactions. First, to tackle this #P-complete counting problem, we developed Z*, based on the pruning of negligible potential quantities. It has been shown to be more efficient than various state-of-the-art methods on instances derived from protein-protein interaction models. Then, we developed #HBFS, an anytime guaranteed counting algorithm which proved to be even better than its predecessor. Finally, we developed BTDZ, an exact algorithm based on tree decomposition. BTDZ has already proven its efficiency on intances from coiled coil protein interactions. These algorithms all rely on methods stemming from graphical models : local consistencies, variable elimination and tree decomposition. With the help of existing optimization algorithms, Z* and Rosetta energy functions, we developed a package that estimates the binding affinity of a set of mutants in a protein-protein interaction. We statistically analyzed our esti- mation on a database of binding affinities and confronted it with state-of-the-art methods. It appears that our software is qualitatively better than these methods.