Les anticorps thérapeutiques sont des molécules de choix pour le traitement standard de nombreuses formes de cancers. Leur application est à ce jour restreinte au compartiment extracellulaire à cause de leur taille trop importante qui les empêche de traverser la membrane cellulaire. Comme la plupart des cibles thérapeutiques du cancer semblent être situées dans le milieu intracellulaire, ce serait un plus de pouvoir exploiter les propriétés des anticorps dans les cellules pour étudier et perturber l’activité de ces cibles. Néanmoins, l’utilisation des anticorps dans le milieu intracellulaire constitue un véritable challenge, notamment à cause de la membrane cellulaire et de l’environnement réducteur du cytoplasme. L’ensemble des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit ont permis d’établir les bases de plusieurs stratégies innovantes d’immunociblage intracellulaire et de mettre en lumière l’importance des différentes étapes de validation d’anticorps ou de fragments dérivés utilisés comme anticorps intracellulaires. La vectorisation d’anticorps complets par électroporation, le développement d’un intracorps bispécifique original anti-PCNA et la mise au point d’une méthode de mutagenèse inspirée de l’hypermutation somatique constituent les principales avancées apportées par ce travail dans le domaine de la recherche technologique en immuno biotechnologie. / Therapeutic antibodies are interesting molecules used to treat numerous pathologies such as cancer. Because of their size, their application is currently limited to the extracellular space. Indeed, antibodies cannot cross the cell membrane. Almost all therapeutic targets in cancer seem to be located inside cells, it would be beneficial to take advantage of antibodies in cells in order to neutralize the activity of these targets. The use of antibodies inside the cells is a real challenge, because of the cell membrane and the reducing environment of the cytoplasm. Several strategies of intracellular immunotargeting are presented in this thesis.

Aggregation of microtubule-associated protein tau is involved in the pathology of several neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease. The affibody TP4 has been shown to inhibit this aggregation process, and its target-binding positions were previously grafted onto a dimeric affibody scaffold, creating the sequestrin seqTP4. This project constitutes a part of the affinity maturation process of seqTP4, using two different bacterial display methods. An error-prone PCR library was first expressed on Staphylococcus carnosus cells for selection of variants with improved tau-binding properties, resulting in a library of 1.4×107 transformants. Flow cytometric tests indicated difficulties in the setup due to nonspecific interactions, and whereas several different approaches to alleviate the problems were investigated, two cell sorting attempts were ultimately unsuccessful. Subcloning of seqTP4 and the library to an Escherichia coli surface display vector resulted in functional surface expression of seqTP4 on E. coli JK321 and BL21 cells, and a BL21 library size of 1.6×109 transformants. An initial flow cytometric test of this library indicates the presence of improved tau-binding variants, paving the way for future cell sorting. / Aggregering av mikrotubuli-associerat protein tau är involverad i patologin av flera neurodegenerativa sjukdomar, däribland Alzheimers sjukdom. Affibodymolekylen TP4 har visat sig inhibera denna aggregeringsprocess, och överföring av dess målbindande positioner till ett dimeriskt affibodyprotein har tidigare gett upphov till seqTP4, en så kallad sequestrin. Detta projekt utgör ett led i processen att affinitetsmaturera seqTP4, med hjälp av två olika metoder för presentation av proteiner på ytan av bakterieceller. Ett error-prone PCR-bibliotek uttrycktes först på ytan av Staphylococcus carnosus-celler för selektion av varianter med ökad affinitet för tau, vilket resulterade i ett bibliotek av 1.4×107 transformanter. Flödescytometriska tester tydde på svårigheter i detta upplägg på grund av ospecifika interaktioner, och emedan flera olika angreppssätt för att förmildra dessa problem undersöktes, misslyckades slutligen två cellsorteringsförsök. Omkloning av seqTP4 och biblioteket till en vektor för ytpresentation på Escherichia coli resulterade i funktionellt ytuttryck av seqTP4 på E. coli JK321- och BL21-celler, och ett BL21-bibliotek bestående av 1.6×109 transformanter. Ett första flödescytometriskt test av detta bibliotek tyder på närvaron av varianter med förbättrad förmåga att binda tau, och vägen ligger nu relativt öppen för cellsortering.

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Pour augmenter l’affinité des anticorps sécrétés en réponse à un antigène, les gènes d’immunoglobulines subissent l’hypermutation somatique, une mutagénèse adaptative initiée par l’action de l’activation-induced cytidine deaminase (AID). L’uracile provenant de la désamination des cytosines par cette enzyme est réparé de façon erronée par la suite : si il est pris en charge par l’uracile N-glycosylase (UNG), enzyme à l’origine d’une réparation poursuivie habituellement par des composantes de la voie du "base-excision repair", il reste à sa place un site abasique franchissable par les ADN polymérases translésionnelles avec un taux d’erreur très élevé. Si le mésappariement U:G est reconnu par la voie du « mismatch repair », le brin d’ADN entourant le U est dégradé puis néo-synthétisé par une autre ADN polymérase translésionnelle particulièrement mutagène en face des bases T et A, la polymérase eta. Nous avons proposé que le choix entre ces deux voies de réparation mutagènes puisse être régulé en fonction du cycle cellulaire: les mutations des paires A:T seraient introduites dans les gènes d’immunoglobulines par la voie du mismatch repair en phase G1 alors que la voie erronée d’UN introduirait les autres mutations lors de la phase S. Nous sommes parvenus à restreindre l’activité de l’AID à deux parties distinctes du cycle, la phase G1 ou les phases S/G2/M, et nous avons établi le fonctionnement de ce système dans le modèle murin. De façon surprenante, nous avons détecté un taux de mutation proche du bruit de fond chez toutes les souris dont l’AID opérait uniquement dans les phases S/G2/M. Par contre, les souris dont l’AID a été restreinte en G1 présentaient un spectre de mutation diversifié sur les quatre bases et similaire au normal. A la lumière de ces résultats, nous proposons que les lésions introduites tout au long du cycle par l’AID soient diversifiées par les acteurs de l’hypermutation somatique pendant la phase G1, alors que les lésions seraient soit réparées de façon fidèle en dehors de cette phase-là, soit de faible impact. Afin d’expliquer le biais de brin dans l’hypermutation somatique observé pour les mutations sur les bases A :T, nous proposons pour l’ADN polymérase eta un rôle inhabituel de réparation du brin portant la « lésion », et non de synthèse translésionnelle classique en face de cette lésion. Nous avons analysé le profil, le taux et la distribution des mutations introduites par Pol eta sur un oligonucléotide cible pour l’hypermutation, qui a été inséré au locus des immunoglobulines et utilisé pour l’établissement des souris knock-in avec un fond génétique déficient ou non en UNG. Nos résultats, selon lesquels Pol eta continue de cibler le brin codant indépendamment de la localisation des « points d’entrée » en forme d’uraciles, contredisent les rapports déjà publiés sur ce sujet. De façon inattendue, nos résultats mettent en évidence une coopération entre les voies UNG et et les activités endonucléasique du mismatch repair, fournissant la cassure simple brin qui va permettre d'initier la resynthèse à fort taux d'erreur à l'origine de la mutagénèse A/T. Ces résultats résolvent aussi le paradoxe de la non-participation apparente du complexe effecteur du mismatch repair (Mlh1/Pms2) dans le processus d'hypermutation, en proposant qu'il fonctionne en redondance avec UNG, dans une distribution des tâches qui dépend du contexte de la séquence ciblée et de la densité du processus de deamination. / Somatic hypermutation is a localized mutagenesis, essentially targeted to the immunoglobulin V region, and occurring during the immune response. This process is triggered by AID (activation-induced cytidine deaminase) that deaminates cytosines into uracils at the Ig locus. This lesion is further processed by Ung or the Msh2-Msh6 complex, with an abnormal outcome for both pathways that results in an increased mutation load. The Msh2-Msh6 complex recruits Pol eta to generate a short patch DNA synthesis with mostly mutations at A and T bases. To get further insight into this error-prone repair process, we have generated hypermutation substrates consisting in an A/T oligonucleotide of 100 bases with or without 3 cytidines in its core region, inserted by knock-in at the heavy chain Ig locus. Our aim was to compare the mutation frequency, distribution and mutation profile of substrates with C on either the coding or the non-coding strand on WT or Ung-deficient background, taking into account that Pol eta is a preferred A to G mutator. Our results suggest that Pol eta resynthesis may proceed on the coding strand, whatever the strand localization of the uracil, thus contradicting previous reports. Unexpectedly, our results revealed a cooperation between the Ung pathway and the endonuclease activity of the mismatch repair, with both of them providing the single-strand nick that allows initiation of the error-prone process that generates mutations at A and T bases. These results resolve the apparent paradox of the non-involvement of the mismatch repair effector complex (Mlh1-Pms2) in hypermutation, by proposing that it works redundantly with UNG, in a distribution of tasks that will depend upon the sequence context and the intensity of deamination activity. We have also constructed cell cycle restricted mutants of AID, to study in which phase of the cell cycle this atypical, mismatch repair driven, error-prone synthesis is taking place. Using the Fucci restriction system (degrons based on Cdt1 or Geminin peptides), we have generated AID constructs with proper restriction in either G1 or S/G2/M phases. These retroviral constructs have been used to transduce mouse hematopoietic stem cells from either AID -deficient mice and to restore immunodeficient animals, in order to analyze their immune response. We report that restriction of AID expression in S/G2/M part of the cycle yielded only background mutation frequency, while AID operating in the G1 phase is able to generate an equal proportion of A/T and G/C mutations at the Ig loci, thus demonstrating that uracils generated in G1 are substrates for both Ung- and mismatch repair pathways.

As information is becoming more available online and will forevermore be part of any business, the true value of the large amounts of stored data is in the discovery of hidden and unknown relations and connections or traits in the data. The acquisition of these hidden relations can influence strategic decisions which have an impact on the success of a business. Data clustering is one of many methods to partition data into different groups in such a way that data patterns within the same group share some common trait compared to patterns across different groups. This thesis proposes a new artificial immune model for the problem of data clustering. The new model is inspired by the network theory of immunology and differs from its network based predecessor models in its formation of artificial lymphocyte networks. The proposed model is first applied to data clustering problems in stationary environments. Two different techniques are then proposed which enhances the proposed artificial immune model to dynamically determine the number of clusters in a data set with minimal to no user interference. A technique to generate synthetic data sets for data clustering of non-stationary environments is then proposed. Lastly, the original proposed artificial immune model and the enhanced version to dynamically determine the number of clusters are then applied to generated synthetic non-stationary data clustering problems. The influence of the parameters on the clustering performance is investigated for all versions of the proposed artificial immune model and supported by empirical results and statistical hypothesis tests. AFRIKAANS: Soos wat inligting meer aanlyn toeganglik raak en vir altyd meer deel vorm van enige besigheid, is die eintlike waarde van groot hoeveelhede data in die ontdekking van verskuilde en onbekende verwantskappe en konneksies of eienskappe in die data. Die verkryging van sulke verskuilde verwantskappe kan die strategiese besluitneming van ’n besigheid beinvloed, wat weer ’n impak het op die sukses van ’n besigheid. Data groepering is een van baie metodes om data op so ’n manier te groepeer dat data patrone wat deel vorm van dieselfde groep ’n gemeenskaplike eienskap deel in vergelyking met patrone wat verspreid is in ander groepe. Hierdie tesis stel ’n nuwe kunsmatige immuun model voor vir die probleem van data groepering. Die nuwe model is geinspireer deur die netwerk teorie in immunologie en verskil van vorige netwerk gebaseerde modelle deur die model se formasie van kunsmatige limfosiet netwerke. Die voorgestelde model word eers toegepas op data groeperingsprobleme in statiese omgewings. Twee verskillende tegnieke word dan voorgestel wat die voorgestelde kunsmatige immuun model op so ’n manier verbeter dat die model die aantal groepe in ’n data stel dinamies kan bepaal met minimum tot geen gebruiker invloed. ’n Tegniek om kunsmatige data stelle te genereer vir data groepering in dinamiese omgewings word dan voorgestel. Laastens word die oorspronklik voorgestelde model sowel as die verbeterde model wat dinamies die aantal groepe in ’n data stel kan bepaal toegepas op kunsmatig genereerde dinamiese data groeperingsprobleme. Die invloed van die parameters op die groepering prestasie is ondersoek vir alle weergawes van die voorgestelde kunsmatige immuun model en word toegelig deur empiriese resultate en statistiese hipotese toetse. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2011. / Computer Science / unrestricted