La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique. / The function of ion channels is finely regulated by structural changes of key domains controlling the pore opening. These structural modulations arise from interactions with the local environment, since several domains can be sensitive to specific physico-chemical properties. Movements generated in the structure become notably perceptible when channels open a passage for some ions, thus generating a measurable ionic current according to the electrochemical potential. A detailed description of these structure-function relationships is however difficult to obtain from measurements involving a set of identical channels, since the fluctuations and distributions of different individual properties remain hidden in an average. To differentiate these properties, single-molecule recordings are required. The main purpose of this thesis is to study the structural aspects and molecular mechanisms of ion channels using fluorescence spectroscopy at the single-molecule level. Studies are oriented towards the development or improvement of new methods. A class of pore-forming toxin served as a first study model. Single-molecule fluorescence was also used to study an ionotropic glutamate receptor, a glycine receptor and a prokaryotic potassium channel. The first part focuses on the study of stoichiometry using fluorescent subunit counting. This method allows a direct measure of the number of fluorescent monomers within a single complex by counting the number of step-wise fluorescence intensity decrease following photobleaching events. Here we present the first description, to our knowledge, of the dynamic assembly of a membrane protein in a lipid environment. The purified monomeric Cry1Aa toxin clusters with other monomers depending on the concentration and saturates in a tetrameric conformation. An automated method has been developed to determine the stoichiometry of GFP-tagged membrane proteins expressed on mammalian cell surface. Although this expression system is suitable for the study of proteins of mammalian origin, background fluorescence is particularly important and significantly increases the risk of error in the manual counting process. The presented method allows a fast and automated analysis based on fixed criteria. The algorithm responsible for counting fluorescent monomers was optimized from simulations and adjusts its detection parameters automatically according to the fluorescence trace recording. The composition of two ion channels was successfully verified using this program. Finally, single-molecule fluorescence is measured together with ionic current of KcsA channels using a voltage-clamp fluorometry setup. These combined recordings allowed us to describe the function of ion channels simultaneously to their position and density as they diffuse in a lipid membrane of defined composition. We observed clustering of KcsA channels for various lipid compositions. Clustering does not appear to be caused by protein-protein interaction, but rather by microdomains induced by the shape of reconstructed channels in the lipid bilayer. It seems that clustered KcsA channels could then become coupled, resulting in cooperative gating events with conductance levels multiple to the “normal” unitary channel conductance. Moreover, as opposed to what is currently suggested, KcsA does not require a negatively charged phospholipid for its function. Several of our recordings rather suggest that conically shaped lipids in the lamellar liquid crystalline phase are sufficient to allow single channel opening. Clustered channels can on the other hand overcome the energy barrier to open cooperatively in uncharged cylindrical lipids.

Les molybdoenzymes (MoEs) à bisPGD sont des métalloprotéines dont le site actif est constitué d'un cofacteur à molybdène (Mo) mononucléaire. Elles sont impliquées dans les cycles biogéochimiques de l'azote, du carbone et du soufre et catalysent essentiellement des réactions d'oxydoréduction à 2 e-/2 H+ envers une grande variété de substrats. En dépit de la connaissance de la structure cristallographique de nombreuses MoEs, leur fonctionnement reste encore largement incompris. Ces enzymes présentent un intérêt biotechnologique car certains de leurs substrats sont des composés toxiques notoires, tels que les oxydes de sélénium ou d'arsenic. L'objectif de ma thèse a été d'identifier quels facteurs structuraux gouvernent la réactivité d'une MoE à bisPGD, la nitrate réductase A d'E. coli. Le premier axe de mes travaux de thèse a consisté à étudier l'activité de l'enzyme envers différents substrats et examiner le rôle du ligand protéique du Mo dans sa réactivité, en combinant des approches de mutagenèse dirigée, de biochimie et de spectroscopie RPE. J'ai montré que le ligand protéique du Mo est impliqué dans une étape clé du cycle catalytique. Le second axe a consisté à identifier les relations existantes entre la structure atomique du site actif et ses signatures spectrales. Pour augmenter la résolution et permettre d'identifier les transitions structurales mises en jeu lors de l'interconversion entre les différentes formes spectrales, j'ai utilisé la spectroscopie RPE impulsionnelle, qui permet de détecter les noyaux magnétiques (1H et 14N, …). Mes résultats constituent un pré-requis nécessaire pour l'étude structurale à haute résolution du site actif de la nitrate réductase. / Molybdenum (Mo) is a rare transition metal that is indispensable to most living organisms. In particular, it makes part of the active site of metalloenzymes involved in the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen and sulphur. In this context, prokaryotic molybdoenzymes (MoEs) with the bisPGD cofactor at their active site essentially catalyze oxidoreduction reactions with 2 e-/2 H+ towards a wide range of substrates. Given that some MoEs can activate substrates that are well-known pollutants, understanding the mechanism of these enzymes accounts for a major prerequisite for future enzymatic engineering strategies aimed at optimizing enzyme reactivity towards bioremediation processes. To identify the molecular determinants of the reactivity of MoEs, we have explored the importance of the Mo proteic ligand aspartate in the respiratory Nitrate Reductase from E. coli. We have combined biochemistry and EPR spectroscopy to analyze the impact of the Mo-ligand substitution on both the enzymatic and the structural properties of the molybdenum cofactor. Our results show that the nature of the proteic ligand plays a critical role in the reactivity of the active site. A second part of my thesis work consisted in establishing the link between spectroscopic data on the MoV centre and its atomic structure. To get a high level of resolution and to identify which kind of structural modification is responsible for the spectroscopic differences between every Mo(V) signature, pulsed EPR spectroscop is most promising. Our results constitute a pre-requisite for structural studies of every species of the MoV center of the NRA.

Le néocortex possède un état activé dans lequel l'activité corticalemanifeste un comportement complexe. Au niveau cellulaire, l'activitéest caractérisée par de fortes fluctuations sous-liminaires dupotential membranaire et une décharge irrégulière à bassefréquence. Au niveau du réseau, l'activité est marquée par un faibleniveau de synchronie et une dynamique chaotique. Néanmoins, c'est dansce régime que l'information est traitée de manière fiable par lesréseaux neuronaux. Ce régime est donc crucial pour le traitement del'information par le cortex. Dans cette thèse, nous contribuons à sacompréhension en examinant comment les propriétés biophysiques auniveau cellulaire combinées avec les propriétés d'architecture desréseaux façonnent cette dynamique asynchrone.Cette thèse repose sur les modèles de dynamique de réseaux appelésmodèles de champ moyen, un formalisme théorique qui décrit ladynamique de population grâce à une approche auto-consistante. Aucoeur de ce formalisme se trouve la fonction de transfertneuronale : la fonction entrée-sortie d'un neurone. La première partiede cette thèse s'attache à dériver des fonctions de transfertbiologiquement réalistes en incorporant des caractérisationsexpérimentales.Dans un premier temps, nous avons examiné in vitro comment lesneurones néocorticaux pyramidaux de la couche V du cortex visuelrépondent à des fluctuations du potentiel membranaire. Nous avonsobservé que les neurones individuels ne diffèrent pas seulement entermes d'excitabilité, mais qu'ils diffèrent aussi par leurssensibilités aux paramètres des fluctuations. Dans un deuxième temps,nous avons étudié de manière théorique comment l'intégrationdendritique dans des structures arborescentes façonne les fluctuationsau soma. Nous avons observé que, en fonction des propriétés del'activité présynaptique, différentes comodulations des paramètres desfluctuations pouvaient être obtenues. En combinant cette observationavec nos mesures expérimentales, nous avons observé que cela induisaitdes couplages différents entre activité synaptique et déchargeneuronale pour chaque neurone. Nous proposons donc que, puisque cemécanisme offre un moyen d'activer spécifiquement certains neurones enfonction des propriétés de l'entrée, l'hétérogénéité biophysiquepourrait contribuer à l'encodage de propriétés des stimuli dans lestraitements de l'information sensorielle.La deuxième partie de cette thèse examine comment les propriétésd'architecture des réseaux neuronaux se combinent avec les propriétésbiophysiques et affectent les réponses sensorielles via des effets dedynamiques de populations.Nous avons tout d'abord examiné de manière théorique comment un hautniveau d'activité spontanée impactait les réponses post-synaptiquesdans le cortex. Nous avons observé que la compétition entre lerecrutement dans le réseau cortical activé et les effets deconductances associés prédisaient une relation non-triviale entrel'intensité des stimuli et l'amplitude des réponses. Cette prédictionfut observée dans des enregistrements de réponses post-synaptiquesdans le cortex auditif du rat in vivo en réponse à des stimulicorticaux, thalamiques et auditifs.Pour finir, en tirant avantage des approches de champ moyen, nousavons construit un modèle grande échelle du réseau des couches II-IIIincluant le réseau des fibres horizontales. Nous avons examiné lespropriétés intégratives spatio-temporelles du modèle et nous les avonscomparées avec des mesures par imagerie optique de l'activitécérébrale chez le singe éveillé. En particulier, nous avonsreconstruit une expérience typique du traitement sensoriel: lemouvement apparent. Le modèle prédit un fort signal suppressif dont leprofil spatio-temporel correspond quantitativement à celui observé invivo... / The neocortex of awake animals displays an activated state in whichcortical activity manifests highly complex, seemingly noisybehavior. At the level of single neurons the activity is characterizedby strong subthreshold fluctuations and irregular firing at lowrate. At the network level, the activity is weakly synchronized andexhibits a chaotic dynamics. Yet, it is within this regime thatinformation is processed reliably through neural networks. This regimeis thus crucial to neural computation. In this thesis, we contributeto its understanding by investigating how the biophysical propertiesat the cellular level combined with the properties of the networkarchitecture shapes this asynchronous dynamics.This thesis builds up on the so-called mean-field models of networkdynamics, a theoretical formalism that describes population dynamicsvia a self-consistency approach. At the core of this formalism lie theneuronal transfer function: the input-output description of individualneurons. The first part of this thesis focuses on derivingbiologically-realistic neuronal transfer functions. We firstformulate a two step procedure to incorporate biological details (suchas an extended dendritic structure and the effect of various ionicchannels) into this transfer function based on experimentalcharacterizations.First, we investigated in vitro how layer V pyramidal neocorticalneurons respond to membrane potential fluctuations on a cell-by-cellbasis. We found that, not only individual neurons strongly differ interms of their excitability, but also, and unexpectedly, in theirsensitivities to fluctuations. In addition, using theoreticalmodeling, we attempted to reproduce these results. The model predictsthat heterogeneous levels of biophysical properties such as sodiuminactivation, sharpness of sodium activation and spike frequencyadaptation account for the observed diversity of firing rateresponses.Then, we studied theoretically how dendritic integration in branchedstructures shape the membrane potential fluctuations at the soma. Wefound that, depending on the type of presynaptic activity, variouscomodulations of the membrane potential fluctuations could beachieved. We showed that, when combining this observation with theheterogeneous firing responses found experimentally, individual neuronsdifferentially responded to the different types of presynapticactivities. We thus propose that, because this mechanism offers a wayto produce specific activation as a function of the input properties,biophysical heterogeneity might contribute to the encoding of the stimulusproperties during sensory processing in neural networks.The second part of this thesis investigates how circuit properties,such as recurrent connectivity and lateral connectivity, combine withbiophysical properties to impact sensory responses through effectsmediated by population dynamics.We first investigated what was the effect of a high level of ongoingdynamics (the Up-state compared to the Down-state) on the scaling ofpost-synaptic responses. We found that the competition between therecruitment within the active recurrent network (in favor of highresponses in the Up-state) and the increased conductance level due tobackground activity (in favor of reduced responses in the Up-state)predicted a non trivial stimulus-response relationship as a functionof the intensity of the stimulation. This prediction was shown toaccurately capture measurements of post-synaptic membrane potentialresponses in response to cortical, thalamic or auditory stimulation inrat auditory cortex in vivo.Finally, by taking advantage of the mean-field approach, weconstructed a tractable large-scale model of the layer II-III networkincluding the horizontal fiber network. We investigate thespatio-temporal properties of this large-scale model and we compareits predictions with voltage sensitive dye imaging in awake fixatingmonkey...

L’activité RNase P est l'activité essentielle qui élimine les séquences 5' supplémentaires des précurseurs d'ARN de transfert. "PRORP" (PROteinaceous RNase P) définit une nouvelle catégorie de RNase P uniquement protéique. Avant la caractérisation de PRORP, on pensait que les enzymes RNase P étaient universellement conservées sous forme de ribonucléoprotéines (RNP). La caractérisation de PRORP a révélé une enzyme avec deux domaines principaux, un domaine N-terminal contenant plusieurs motifs PPR et un domaine NYN C-terminal portant l’activité catalytique. Nous avons utilisé une combinaison d'approches biochimiques et biophysiques pour caractériser le complexe PRORP / ARNt. La structure du complexe en solution a été déterminée par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et les Kd des interactions de différents mutants de PRORP avec l’ARNt ont été déterminées par ultracentrifugation analytique. Notre analyse révèle un cas intéressant d'évolution convergente. Il suggère que PRORP a développé un processus de reconnaissance de l'ARN similaire à celui des RNase P RNP. Par ailleurs, nous avons mis en place une approche de co-immunoprécipitation de PRORP avec l’ARN afin de définir le spectre de substrats des RNase P protéiques. / RNase P is the essential activity that removes 5'-leader sequences from transfer RNA precursors. “PRORP” (PROteinaceous RNase P) defines a novel category of protein only RNase P. Before the characterization of PRORP, RNase P enzymes were thought to occur universally as ribonucleoproteins (RNP). The characterization of PRORP revealed an enzyme with two main domains, an N-terminal domain containing multiple PPR motifs and a C-terminal NYN domain holding catalytic activity. We used a combination of biochemical and biophysical approaches to characterize the PRORP / tRNA complex. The structure of the complex in solution was determined by small angle X-ray scattering and Kd values of the PRORP / tRNA interaction were determined by analytical ultracentrifugation. We also analyzed direct interaction of a collection of PPR mutants with tRNA in order to determine the relative importance of individual PPR motifs for RNA binding. This reveals to what extent PRORP target recognition process conforms to the mode of action of PPR proteins interacting with linear RNA. Altogether, our analysis reveals an interesting case of convergent evolution. It suggests that PRORP has evolved an RNA recognition process similar to that of RNP RNase P. Moreover, we also implemented a PRORP-RNA co-immunoprecipitation approach to determine the full extent of PRORP substrates.

La sécrétion régulée d'hormones est un processus décomposable en plusieurs étapes : migration des granules de sécrétion (GS) vers la membrane plasmique (MP), accostage et arrimage des GS à la MP, exocytose ou fusion des GS avec la MP permettant la libération du contenu des GS dans le milieu extracellulaire. Bien que très utiles, les méthodes électrophysiologiques et électrochimiques ne donnent d'informations ni sur la localisation ou les mouvements des GS avant fusion, ni sur le devenir de la membrane des GS après fusion. Plusieurs techniques d'imagerie in vivo cherchent à répondre à ces questions. La mieux adaptée est la microscopie de fluorescence à excitation par onde évanescente (TIRFM) qui permet d'observer les mouvements de GS individuels à proximité immédiate de la MP. Nous avons appliqué cette approche à l'étude de la sécrétion des cellules BON (lignée dérivée d'un carcinome). Leur stimulation a été faite par la technique du Ca cagé, appliquée pour la première fois en microscopie TIRF. Après exocytose, nous avons observé et quantifié le phénomène de persistance de la forme d'une partie des GS, ainsi que l'exocytose séquentielle de GS situés plus à distance de la MP. De manière surprenante, l'exocytose séquentielle représente ~25% des événements d'exocytose. L'analyse détaillée des trajectoires en 3 dimensions des GS avant leur fusion nous a montré qu'environ 40% des GS effectuent une transition de 20 nm vers la MP, puis fusionnent dans un délai de ~3 s. Cette observation originale de la transition entre l'accostage et l'arrimage des GS pourrait être la traduction d'évènements moléculaires impliqués dans l'amorçage des GS, nécessaire à la fusion.

Nous présentons dans ce manuscrit la réalisation et la caractérisation d'une double pince optique,<br />nous permettant de pratiquer des micromanipulations à l'échelle de la molécule unique sur des surfaces<br />opaques, et de mesurer des forces jusqu'à une vingtaine de piconewtons.<br />Ce montage est d'abord utilisé pour déposer sur des électrodes de mesures des molécules uniques<br />d'ADN , afin d'en explorer les propriétés de transport de charges (propriétés d'intérêts technologiques<br />dans le cadre de l'électronique moléculaire). Nous n'avons observé aucun courant dû à la présence de la<br />molécule. Nous concluons pour la résistance des brins d'ADN de 70 nm de long à une borne inférieure de<br />10^11 Ohm en solution, et de 10^13 Ohm à sec.<br />Nous présentons de plus des mesures de forces sur un système d'intérêt biologique : le dégrafage d'un<br />fragment de l'ARN ribosomique 23S de la bactérie Escherichia coli. Cette étude préliminaire nous a<br />permis d'arriver à des conclusions en accord avec d'autres expériences du même type.

L'actine est une protéine très abondante dans les cellules eucaryotes, c'est un biopolymère qui s'assemble en filaments semiflexibles. La cellule contrôle au travers de protéines spécifiques (Actin Binding Proteins) la dynamique d'assemblage (et de désassemblage) des filaments d'actine, ainsi que l'arrangement de ces filaments en réseaux tridimensionnels. Les réseaux ainsi formés peuvent avoir des structures très variées, allant d'un arrangement en forme de câble où les filaments d'actine sont parallèles entre eux, jusqu'à une structure plus désordonnée en gel dans laquelle les filaments forment un réseau très interconnecté. Ces diverses organisations de l'actine lui permettent de jouer des rôles très divers au sein de la cellule. Parmi ces roles, l'un des plus remarquable est celui qu'elle tient dans la genèse de la morphologie de la cellule. En effet, aux bords de la membrane cellulaire, un réseau d'actine forme une partie du cytosquelette de la cellule et contribue à ce titre au maintient de sa forme. Pour se mettre en mouvement, la cellule doit acquérir une polarité, cela nécessite des restructurations importantes du cytosquelette. Au niveau de la membrane cellulaire, des protéines activent localement la polymérisation de l'actine, ce qui va contribuer à la déformation de la membrane et ainsi au mouvement de la cellule. Nous nous sommes intéressés au cours de cette thèse aux contraintes mécaniques qu'un gel d'actine peut produire. Pour cela nous avons mis au point un système biomimétique constitué d'une goutte d'huile microscopique dont on recouvre la surface avec une protéine qui active la polymérisation de l'actine, comme celles que l'on trouve au niveau de la membrane cellulaire. Lorsque l'on met une telle goutte dans des extraits cellulaires, on observe la croissance d'un gel d'actine autour de la goutte. L'actine finie par former une comète qui propulse la goutte. L'aspect "mou" de la goutte d'huile fait que cette dernière se déforme sous l'action des contraintes qu'exerce le gel l'actine et prend une forme en poire. L'observation de la déformation de la goutte nous renseigne sur l'amplitude et la répartition des contraintes développées par l'actine. Un second aspect de notre travail fut de modifier les propriétés élastiques du gel d'actine formé. Pour ce faire, nous avons ajouté dans les extraits cellulaires une protéine qui réticule les filaments d'actines entre eux. Les résultats que nous avons obtenus sont présentés dans ce manuscrit.

La nature stochastique de l'expression génique est maintenant clairement établie expérimentalement et apparaît comme une composante à part entière de la dynamique cellulaire. Une source importante de cette variabilité est liée au caractère dynamique des diverses structures multiprotéiques impliquées dans le processus d'expression génique. Nous étudions ici, par la modélisation, comment les interactions entre des molécules au comportement individuel probabiliste sont susceptibles de faire naître des dynamiques globales pouvant influencer l'expression génique. Nous nous concentrons plus particulièrement sur deux aspects du processus d'expression : d'une part, son caractère spatialisé au sein d'un noyau cellulaire structuré et dynamique et, d'autre part, la combinatoire des événements moléculaires stochastiques au niveau du promoteur d'un gène. Pour l'étude des phénomènes d'organisation mésoscopique au sein du noyau cellulaire, nous proposons un modèle de simulation "4D" (intégrant l'espace et le temps). Il emprunte différentes techniques aux formalismes des échelles inférieures (moléculaires) et supérieures (cellulaires), en gardant les aspects essentiels à notre étude (individualité de certaines molécules, exclusion stérique, interactions électromagnétiques, réactions chimiques . . .). Afin d'étudier spécifiquement la dynamique stochastique de la régulation transcriptionnelle, nous proposons un second modèle décrivant les événements d'association/dissociation et de modification de la chromatine en se basant sur l'affinité coopérative/compétitive des molécules et leur potentielle activité enzymatique ou de remodelage. Par des techniques analytiques et computationnelles, nous caractérisons alors l'activité du promoteur à l'aide d'outils de théorie du signal, mais aussi en reproduisant les mesures obtenues par diverses techniques expérimentales (cinétique de ChIP, FRAP, FRET, cytométrie de flux . . .). L'analyse de ce modèle démontre que l'activité spontanée du promoteur peut être complexe et structurée, présentant en particulier des dynamiques multi-échelles similaires à celles observées expérimentalement (turnover rapide des molécules, comportements cycliques lents, hétérogénéités transcriptionnelles . . .). Nous montrons enfin comment la confrontation de mesures expérimentales de diverses natures peut renseigner sur la structure du système sous-jacent. Ce modèle apparaît alors comme un cadre théorique général pour l'étude de la dynamique des promoteurs et pour l'interprétation intégrée de données expérimentales.

Le collagène est une protéine ubiquitaire qui joue un rôle central dans l'architecture et la tenue mécanique des tissus conjonctifs et est impliqué dans de nombreuses pathologies. Synthétisé sous forme de triples hélices, le collagène s'auto-assemble en fibrilles in vivo et in vitro pour former des réseaux tridimensionnels. La microscopie multiphoton basée sur la génération de seconde harmonique (SHG) est une technique très spécifique, permettant de visualiser, sans marquage, le collagène en profondeur dans des tissus, avec une résolution sub-micrométrique. Ce travail de thèse vise à développer des approches quantitatives en imagerie SHG du collagène, tant à l'échelle fibrillaire que tissulaire. Nous avons montré que la microscopie SHG permet de sonder la dynamique de formation du réseau collagénique jusqu'à l'échelle d'une fibrille unique. En outre, nous avons caractérisé la structuration de gels collagéniques contrôlée par ajout de nanoparticules de silice fonctionnalisées. Nous avons ensuite réalisé de l'imagerie corrélative électronique/SHG sur ces gels pour mesurer la sensibilité de notre microscope et calibrer la réponse d'une fibrille en fonction de son diamètre. De plus, nous avons pu évaluer l'hyperpolarisabilité d'une molécule et valider le modèle additif utilisé pour calculer la réponse d'une fibrille. Enfin, nous avons développé une analyse d'images spécifique permettant de quantifier l'organisation d'un tissu collagénique à l'échelle fibrillaire, dans le but d'explorer la relation fonction/structure d'un tissu. Ceci a été validé en étudiant la modification des propriétés biomécaniques de souris génétiquement modifiées modèle du syndrome d'Ehlers-Danlos.

Les protéines amyloïdes sont impliquées dans les maladies neurodégénératives comme Alzheimer, Parkinson et les maladies à prions et forment des structures complexes, les fibres amyloïdes. Le mécanisme de formation de ces fibres est un processus complexe qui implique plusieurs espèces d’agrégats intermédiaires. Parmi ces espèces, des petits agrégats, les oligomères, sont reconnus comme étant l’espèce amyloïde toxique, mais leur mécanisme de toxicité et d’agrégation sont mal compris. Cette thèse présente les résultats d’une étude numérique des premières étapes d’oligomérisation d’un peptide modèle GNNQQNY, issu d’une protéine prion, pour des systèmes allant du trimère au 50-mère, par le biais de simulations de dynamique moléculaire couplée au potentiel gros-grain OPEP. Nous trouvons que le mécanisme d’agrégation du peptide GNNQQNY suit un processus complexe de nucléation, tel qu’observé expérimentalement pour plusieurs protéines amyloïdes. Nous observons aussi que plusieurs chemins de formation sont accessibles à l’échelle du 20-mère et du 50-mère, ce qui confère aux structures un certain degré de polymorphisme et nous sommes capable de reproduire, dans nos simulations, des oligomères protofibrillaires qui présentent des caractéristiques structurelles observées expérimentalement chez les fibres amyloïdes. / Amyloid proteins are involved in neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s, Parkinson’s and prion diseases and form complex structures called amyloid fibrils. The fibril formation mechanism is a complex process, which involves several intermediary species. Among these species, small early aggregates, called oligomers, are thought to be the toxic amyloid species but their toxicity and aggregation mechanisms are poorly understood. This thesis aims at presenting the results of a numerical study of the first oligomerization steps of the model peptide GNNQQNY, from a prion protein, for system sizes ranging from the trimer to the 50-mer, via molecular dynamics simulations using the OPEP coarse-grained potential. We find that GNNQQNY’s assembly follows a complex nucleation process, as observed experimentally for numerous amyloid proteins. We also observe that the 20-mer and 50-mer systems form polymorphic structures that are the byproducts of different formation pathways. We further report the spontaneous formation of protofibrillar oligomers with structural characteristics typical of experimentally determined amyloid fibril structures.