La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des petites tumeurs localisées, reposant sur l'action conjuguée d'un photosensibilisateur (PS), de la lumière et de l'oxygène. Dans le cadre d'un nouveau mode de PDT, la VTP (vascular targeted photodynamic therapy), notre stratégie a consisté à favoriser l'effet anti-vasculaire du traitement par ciblage de la néo-vascularisation tumorale. Pour cela, nous avons étudié in vitro et in vivo un PS de type chlorine (TPC) couplé, via le bras espaceur (Ahx), à un heptapeptide (ATWLPPR) spécifique d'un corécepteur du VEGF, la neuropiline-1 (NRP-1). Une étude comparative de la TPC versus le PS conjugué (TPC-Ahx-ATWLPPR), a permis de mettre en évidence in vitro, grâce à une technique d'ARN interférence visant à éteindre l'expression de NRP-1, une incorporation cellulaire récepteur dépendante du conjugué. In vivo, l'accumulation préférentielle de la TPC-Ahx-ATWLPPR au niveau de l'endothélium vasculaire de la tumeur ainsi que son effet anti-vasculaire après PDT ont été mises en évidence. Une étude de stabilité in vitro et in vivo du conjugué a été réalisée. In vivo, la séquence peptidique est dégradée 4 h après injection par voie intra-veineuse. Des études de pharmacocinétique et de biodistribution tissulaire de la TPC-Ahx-ATWLPPR et de son principal produit de dégradation, TPC-Ahx-A ont été réalisées chez la souris nude xénogreffée. La dégradation de la partie peptidique est majoritaire dans les organes du système réticulo-endothélial où l'accumulation du conjugué est la plus importante. Dans le but d'augmenter la stabilité in vivo du peptide adresseur, de nouveaux peptides ont été synthétisés, puis couplés à la TPC et testés. Le pseudopeptide Aψ[CH2NH]TWLPPR est prometteur car il reste affin vis-à-vis de NRP-1 et après couplage au PS, il ne subit aucune dégradation dans le 8plasma in vivo 4 h après injection par voie intra-veineuse.

Le gène est défini comme une unité fonctionnelle de l'hérédité. En effet, les gènes, transcrits en ARN, codent pour des protéines qui assurent l'essentiel des fonctions cellulaires. Cependant, les gènes ne représentent que 2% du génome humain. Ainsi, notre génome est presque exclusivement composé d'ADN non codant (ADNnc) qui, en raison d'une absence apparente de fonction (c'est-à-dire de transcription et de traduction), est également connu sous le terme peu élogieux d' « ADN poubelle ». De manière surprenante, la quantité d'ADNnc présente dans les cellules est proportionnelle au degré de complexité des organismes, suggérant ainsi que cet ADNnc pourrait avoir une fonction. En particulier, les centromères et des péricentromères, qui contiennent des séquences d'ADNnc de type satellite, permettent la ségrégation correcte de chromatides sœurs lors de la mitose. De plus des études récentes réalisées chez la levure S.pombe montrent que les régions péricentromériques peuvent être transcrites. Les ARNnc ainsi produits participent à l'établissement et au maintien de l'hétérochromatine péricentromérique. Bien que les mécanismes impliqués dans ces processus soient en grande partie identifiés, très peu de choses sont connues quant à la capacité transcriptionnelle de ces séquences satellites chez d'autres espèces.<br /><br />Ainsi, l'objectif de ma thèse a été d'évaluer le potentiel transcriptionnel des séquences satellites du génome humain.<br /><br />A mon arrivée dans le laboratoire, l'équipe du Pr Claire Vourc'h était particulièrement engagée dans ce projet puisqu'elle venait de mettre en évidence la transcription des séquences satellites 3 du locus 9q12 au cours de la réponse au stress. Mon travail de thèse m'a conduit à approfondir cette étude en identifiant de nouvelles séquences satellites dont la transcription est induite par le stress thermique. Par ailleurs, j'ai développé la première approche trancriptomique dédiée à l'expression des séquences satellites du génome humain : la RepChip. Le modèle de la réponse au stress m'a permis de valider cet outil. Ainsi, j'ai pu identifier non seulement de nouveaux contextes cellulaires permettant l'expression de ces séquences mais également deux mécanismes indépendants impliqués dans leur transcription. En particulier, un lien entre la capacité transcriptionnelle de ces séquences et des modifications de l'épigénome a pu être établi. Finalement, j'ai identifié un modèle d'inhibition de la transcription des séquences satellites au cours du choc thermique, le syndrome ICF (Immunodeficiency, Centromeric instability and Facial anomalies).

Les travaux présentés dans ce document retracent mes activités de Recherche dans le domaine de la Biologie Cellulaire et Moléculaire, qui m'ont conduit de la Toxicologie Génétique à la Radiobiologie. L'action des génotoxiques sur le patrimoine héréditaire a toujours constitué le fil conducteur de mes activités. A chaque étape de mon parcours, j'ai développé des modèles biologiques destinés à répondre à des thématiques bien précises. <br />Mon travail de recherche a commencé pendant deux ans à Rhône Poulenc (1985 1986) par le test de la réparation de l'ADN in vitro et in vivo (UDS ou unscheduled DNA synthesis) sur hépatocytes de rats Sprague Dawley et Fischer 344. Ce test de « dommages primaires » permet de prédire l'activité génotoxique des xénobiotiques. Dans l'approche in vivo, mon étude mettait en évidence l'importance du métabolisme intestinal dans l'activation métabolique de certains agents génotoxiques indirects (dérivés dinitrotoluène). J'ai ensuite débutée une approche plus fondamentale au CNRS (1988 1992). En utilisant les outils de la Génétique Moléculaire, j'ai créé un nouveau modèle cellulaire exprimant un système de régulation génique qui permet de détecter rapidement les agents modifiant le profil de méthylation de l'ADN au niveau des sites 5'CpG3'. Ces xénobiotiques, à l'origine des « épimutations » et de la dérégulation de l'expression de certains gènes, ont une contribution importante et souvent sous estimée dans la progression tumorale.<br />En 1992, je me suis orienté vers la Radiobiologie au DKFZ (Deutsches Krebsforschungszentrum ; Heidelberg, Allemagne) puis au CEA (LRA). Il s'agissait d'adapter à la Radiobiologie le modèle de culture de la peau humaine reconstituée in vitro, destiné auparavant à étudier la physiologie des kératinocytes normaux ou pathologiques. L'objectif était (i) d'irradier les spécimens de peau et d'étudier les effets d'une irradiation sur les kératinocytes et les fibroblastes), et (ii) de mimer in vitro la fibrose radioinduite. Ce modèle de culture alternatif prend en compte les interactions entre cellules épithéliales et mésenchymateuses. Au cours de ce travail, je me suis intéressé à la protéine humaine HSAkin17. Mon activité s'est alors recentrée sur cette protéine. Le développement de nombreuses approches cellulaires et moléculaires au laboratoire (LGR) nous a permis de mettre en évidence l'implication de cette protéine dans la réplication de l'ADN, notamment lorsque la progression des fourches de réplication est bloquée par des dommages non réparés de l'ADN. Nous avons démontré que cette protéine était un composant nécessaire au complexe de réplication de l'ADN et qu'elle avait une activité de reconnaissance des origines de réplication endogènes.<br />Depuis la fin 2003, j'ai développé et valider les vecteurs pEBVsiRNA pour une interférence ARN (RNAi) à très long terme (> 500 jours). Ce travail a été mené sur de nombreux gènes (110 gènes ciblés), essentiellement des gènes de la réparation de l'ADN. Un brevet a été déposé en 2005. Cette approche nous permet maintenant de travailler sur les interconnexions entre les mécanismes de réparation de l'ADN dans des lignées isogèniques. A ce jour, je suis le seul à proposer un tel modèle cellulaire cohérent avec un aussi grand nombre de clones stables, maintenus en culture aussi longtemps. La création de clones silencieux, stables à très long terme, m'a permis de participer à l'élaboration de nouveaux projets de Recherche dans le cadre de nombreuses collaborations, dont certaines seront énoncées dans ce rapport. Par ailleurs, ma démarche a aboutit à une valorisation industrielle.

Les CRISPRs constituent une famille particulière d'éléments génétiques, retrouvés dans de nombreux génomes de procaryotes (la moitié des bactéries et presque toutes les archées). Des études récentes suggèrent que cette structure représente un système de défense contre les ADNs étrangers fonctionnant grâce à un mécanisme d'interférence ARN. Les CRISPRs consistent en la succession de régions très bien conservées (DR) dont la taille varie de 23 à 47 pb, séparées par des séquences uniques d'une taille similaire et ayant en général une origine virale. Le polymorphisme observé entre différentes souches de la même espèce fait du CRISPR un marqueur génétique intéressant pour des analyses comparatives de souches bactériennes très proches et pour des études phylogénétiques. Cette thèse décrira trois outils bioinformatiques accessibles à l'adresse (http://crispr.u-psud.fr) et leurs applications dans l'investigation et le typage des CRISPRs. Le premier outil est CRISPRFinder qui est un programme d'identification des CRISPRs à partir des séquences génomiques. Le deuxième est la base de données CRISPRdb et ses utilitaires qui fournissent un accès aux CRISPRs de tous les génomes procaryotes séquencés. le troisième outil est CRISPRcompar qui sert à identifier et comparer les CRISPRs dans des génomes proches pour faciliter la procédure de typage.

Les ARN polymérases de type phagique, codées dans le noyau (NEP ; Nuclear Encoded RNA Polymerase), assurent une partie de la transcription du génome plastidial des végétaux supérieurs. Ces travaux mettent en évidence l'existence d'une nouvelle famille de protéines d'A. thaliana susceptibles d'interagir avec les NEP des plantes dicotylédones : les protéines NIP (NEP Interacting Protein). Les protéines NIP sont retrouvées uniquement dans les végétaux supérieurs et leur synthèse est dépendante de la lumière. Elles présentent un domaine d'interaction protéine-protéine RING finger en C-terminal. Nous avons montré pour la première fois par immunodétection que ces protéines sont intégrées aux membranes thylacoïdiennes et qu'elles retiennent probablement les NEP plastidiales à la surface de la membrane. Cette interaction avec les membranes pourrait apporter une nouvelle vision du fonctionnement des NEP dans le chloroplaste des plantes dicotylédones.

TFIIIC est un facteur de transcription de classe III qui se lie spécifiquement et de façon stable sur les boîtes A et B des promoteurs des gènes de l'ARNt. TFIIIC est composé de 6 sous-unités: τ138, τ131, τ95, τ91, τ60 et τ55. Ce travail présente la structure du complexe entre τ60 et la partie C-terminale de τ91 (Δτ91) qui a été résolue à 3.2 Å. La structure comporte trois régions. a) Δτ91 qui est un β-propeller; b) une partie N-terminale de τ60 qui est aussi un β-propeller et qui se trouve entre Δτ91 et c) le domaine C-terminal de τ60, qui a un nouveau rempliement. L'interaction entre Δτ91 et τ60 est formée par les deux β-propellers et la partie C-terminale de τ60 est complètement indépendante. Cette nouvelle interaction β-propeller - β-propeller apparaît importante pour l'assemblage d'un complexe τB stable, capable de se fixer à l'ADN. Nos résultats donnent des informations sur le mécanisme d'assemblage du complexe τB et sa liaison à l'ADN.

L'ADN est condensé dans le noyau sous forme de chromatine. La structure chromatinienne de l'ADN est un obstacle pour la transcription car elle limite l'accessibilité de l'ADN. Des complexes spécialisés sont capables de remodeler cette structure. Chez Saccharomyces cerevisiae, les complexes RSC (Remodels the Structure of Chromatin) et SWI/SNF sont apparentés comme en témoignent les homologies existant entre plusieurs de leurs sous-unités. Toutefois, seul le complexe RSC, plus abondant que SWI/SNF, est essentiel à la viabilité cellulaire. Ceci suggère qu'il pourrait avoir de multiples rôles dont un dans la transcription. <br />La transcription est réalisée chez les eucaryotes par trois ARN polymérases (pol) différentes chacune spécifique d'une classe de gènes. Nous avons montré que le complexe RSC interagit avec les ARN polymérases I et III. Notre attention s'est portée sur l'interaction entre la sous-unité Rsc4 et la protéine ABC27, commune aux trois ARN polymérases. La protéine Rsc4 interagit en double-hybride avec ABC27 par son domaine C-terminal. Nous avons étudié un mutant de la sous-unité Rsc4 ayant perdu la capacité d'interagir avec ABC27. Les profils d'expression génomiques, établis par puces à ADN, ont permis de caractériser des effets de cette mutation sur la transcription par l'ARN polymérase II. Curieusement, la majorité des gènes induits sont répartis par le chromosome XII. Cet effet n'est pas polaire. La présence de l'ADN ribosomique sur ce chromosome nous a conduits à proposer qu'il pourrait être une cause de ce comportement particulier. Nous avons mis en évidence des modifications dans la voie de maturation de l'ARN 35S, transcrit par la pol I, mais nous n'avons pas pu caractériser des défauts de transcription par les ARN polymérases I et III.

Chez Escherichia coli la terminaison de la transcription peut intervenir selon deux mécanismes distincts : tout d'abord la terminaison intrinsèque qui correspond à une séquence ADN, codant pour une structure en tige boucle riche en GC suivie d'une répétition d'uridine sur l'ARN, induisant le relargage de l'ARN polymérase. Le second mécanisme est gouverné par un facteur de terminaison nommé Rho qui gouverne environ 50 % des événements de terminaison chez E. coli. Au cours de ma thèse, je me suis intéressé à ce deuxième mécanisme, et plus particulièrement à sa régulation in vivo (antiterminaison). Rho, sous la forme d'un anneau héxamèrique, se fixe à l'ARN naissant au niveau d'un site d'entrée (également appelé RUT), puis utilise son activité ATPase pour longer l'ARN et dissocier le complexe ternaire d'élongation stoppé au niveau d'un site de pause. Les terminateurs Rho-dépendants sont assez mal définis et peu d'entre eux on été analysés en détail. Le terminateur du tR1 du phage lambda (λ) est le terminateur Rho-dépendant le plus étudié à la fois in vitro et in vivo. La terminaison Rho-dépendante au niveau de ce terminateur est gouvernée principalement par les séquences localisées en 5', codant deux régions du transcript nommées RUTA et RUTB. Ces deux régions sont séparées par le motif ARN BOXB qui n'est pas indispensable à l'action de Rho mais sert, dans le mécanisme d'antiterminaison, de site de fixation pour la protéine N du paghe λ. Grâce à un système minimal d'étude in vivo, nous avons montré que le motif BOXB possède une fonction double dans les mécanismes de terminaiso/antiterminaison au niveau de λtR1 régulant l'expression temporale du génome du phage λ. Sous la forme d'une tige boucle hautement structurée, BOXB agit comme un lien permettant de placer RUTA et RUTB l'un à côté de l'autre pour une interaction optimale avec Rho et une terminaison efficace. A l'inverse, la fixation de la protéine N sur BOXB induit l'antiterminaison au niveau de λtR1 en empêchant l'accès de Rho à l'ARN. Ce double rôle a été démontré in vivo en substituant au couple N/BOXB la « coat protein » du phage MS2 et son motif cible en tige boucle. En complément de ce travail, j'ai utilisé cette faculté d'un complexe ribonucléoprotéïque de bloquer la terminaison Rho-dépendante, pour développer une nouvelle approche d'étude in vivo, des complexe ARN-protéine.

Le génome du virus de l'immunodéficience humaine (VIH) est constitué, comme tous les rétrovirus, de deux copies identiques d'ARN génomique. Ce phénomène de dimérisation interfère avec différentes étapes du cycle rétroviral. Il est en outre corrélé aux étapes d'encapsidation de l'ARN génomique et de maturation des particules virales. L'inhibition de la dimérisation représente une nouvelle voie de traitement potentiel du VIH. Ce travail a permis de déterminer par RMN la structure tridimensionnelle de différentes conformations de la séquence SL1 qui joue un rôle clé dans l'initiation de la dimérisation du rétrovirus. Il constitue une première approche dans la compréhension des interactions entre les 2 brins d'ARN de l'ARN génomique de VIH-1Laï lors de l'étape de dimérisation. Ces différentes investigations structurales constituent une base d'étude dans les stratégies de drug design impliquant le développement d'inhibiteurs susceptibles d'interférer avec les sites d'interactions ARN/ARN.

L'objectif de cette thèse est la prédiction de la structure tertiaire des molécules d'ARN à partir de leurs séquences. L'approche présentée repose sur l'observation que leur repliement est hiérarchique et modulaire ; elle consiste, dans un premier temps, en l'extraction de ces modules (les hélices et jonctions entre hélices) et en leur classification en familles topologiques puis, dans un second temps, en une étape d'optimisation pour réunir chacun de ces modules autonomes en une molécule repliée sur elle-même et stable. Ce repliement repose sur une approche algorithmique de la théorie des jeux. Nous présentons une modélisation du repliement comme un jeu, une fonction de coût associée, et plusieurs heuristiques de recherche d'équilibre de Nash.