CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / The Binder of Sperm Protein 1 (BSP1) is a protein produced by seminal vesicles of animals. It helps into the fertilization process of oocytes, promoting sperm capacitation, mediating the ligation from itself with the oviduct epithelium, and increasing the motility in the oviduct. When spermatozoa with purified BSP1 were incubated, acrosomal reaction rates were determined with and without the presence of heparin, as controls. The percentage of acrosomal reaction was higher (p <0.05) in control 1 (44.5%) compared with the other treatments (BSP1:10 Âg/mL: 24.5%; 20 Âg/mL: 25.5%; 40 Âg/mL: 26.0 %), and lower the rate (p> 0.05) when sperm were incubated only in Fert-TALP medium without heparin (14.5%). Cleavage and blastocyst rates were evaluated on days two and seven respectively, after fertilize oocytes in a medium containing BSP1. 1274 cumulus- oocyte complexes were recovered and incubated for 18 hours with frozen-thawed ejaculated semen in a Fert-TALP medium, containing: only heparin, 10, 20 or 40 &#956;g/mL of BSP1. Cleavage and blastocyst rates (34.1  4.4 vs 40.8  5.0%) were similar (p> 0.05) when incubation was made with 10 Âg/mL of BSP1 and heparin, respectively. However, the concentrations of 20 and 40 Âg/mL decreased the formation of blastocysts (22.4  2.9 and 19.3  4.1%) compared with heparin (40.8  5.1%, p <0.02). Subsequently, cumulus- oocyte complexes (n = 2239) were incubated with frozen-thawed ejaculated semen. Spermatozoa were selected by a gradient of 45% -90% Percoll containing: only heparin, 10, 20, 40 &#956;g/mL of BSP1 and there was a control 2 of Percoll without heparin or BSP1. Cleavage rate was similar (p> 0.05) for the incubation with concentrations of 10, 20 and 40 &#956;g/mL of BPS1 (67.7  3.0, 68.7  3.5, 75.2  3.8, respectively). However, these rates were similar when it was used just heparin and when oocytes were incubated with 40Âg/mL of BSP1 (78.9  1.7 vs 75.2  3.8%). For blastocyst rates was found that they were similar (p> 0.05) when the selection was made with heparin (44.1  4.3%) and 40 Âg/mL of BSP1 (30.0  3.3%). Finally, 1213 cumulus-oocyte complexes were recovered and incubated with freeze-thawed epididymal semen in Fert-TALP medium, which contained: only heparin, with heparin, and 10, 20 or 40 Âg/mL of BSP1. Cleavage and blastocyst rates were similar after incubation with and without heparin, but the concentration of 40Âg/mL of BSP1 produced higher cleavages rates (79.0  1.1%) than control 1 (68.5  1.3%, p <0.05). About blastocyst rates, there were rates significantly higher when concentrations of 20 and 40 Âg/mL of BSP1 were used (35.6  2.5 and 41.1  2.0%) than with (24.7  3.2; p <0.05) and without heparin (27.3  1.6%; p <0.0003). In conclusion, BSP1 allowed proper cleavage and development, when the protein was added to the fertilization medium and the Percoll gradient using ejaculated semen, and to the fertilization medium when used epididymal sperm, without requiring the use of heparin. / A âBinder of Sperm Protein 1â (BSP1) à uma proteÃna produzida pelas vesÃculas seminais dos animais, que ajuda no processo de fertilizaÃÃo do oÃcito promovendo a capacitaÃÃo espermÃtica, mediando a sua ligaÃÃo com o epitÃlio do oviduto e aumentando sua motilidade no oviduto. As taxas de reaÃÃo de acrossoma dos espermatozoides foram determinadas ao serem incubados com BSP1 purificado, e com e sem a presenÃa de heparina, como controles. A porcentagem de reaÃÃo de acrossoma foi maior (p<0.05) no controle 1 (44.5%) comparado com os tratamentos restantes (BSP1: 10 Âg/mL: 24.5%; 20 Âg/mL: 25.5%; 40 Âg/mL: 26.0%), sendo menor esta taxa (p>0.05) quando os espermatozoides sà foram incubados no meio Fert-TALP sem heparina (14.5%). As taxas de clivagem e de blastocistos foram avaliadas nos dias dois e sete respectivamente, depois de fertilizar oÃcitos em um meio que continha BSP1. Foram recuperados 1274 COCs e incubados durante 18 horas com sÃmen ejaculado congelado- descongelado em meio Fert-TALP, que continha: sà heparina, 10, 20 ou 40 Âg/mL de BSP1. As taxas de clivagem e de blastocistos (34.1  4.4 vs 40.8  5.0%) foram similares (p>0.05) quando se fez a incubaÃÃo com 10 Âg/mL de BSP1 e heparina, respectivamente. PorÃm, as concentraÃÃes de 20 e 40 Âg/mL diminuÃram a formaÃÃo de blastocistos (22.4  2.9 e 19.3  4.1%) em relaÃÃo com a heparina (40.8  5.1%; p < 0.02). Posteriormente foram incubados COCs (n= 2239), com sÃmen ejaculado congelado-descongelado que foi selecionado por um gradiente de Percoll 45%-90% que continha: sà heparina, 10, 20 ou 40 Âg/mL de BPS1 e foi realizado um controle 2 de Percoll sem heparina nem BSP1. A taxa de clivagem foi similar (p > 0.05) para a incubaÃÃo com as concentraÃÃes de 10, 20 e 40 Âg/mL de BSP1 (67.7Â3.0, 68.7Â3.5, 75.2Â3.8). PorÃm, estas taxas foram similares quando sà foi usada heparina e quando se incubou com 40 Âg/mL de BSP1 (78.9Â1.7 vs 75.2Â3.8%). Para as taxas de blastocistos encontrou-se que foram similares (p > 0.05) quando se fez a seleÃÃo com heparina (44.1Â4.3%) e com 40 Âg/mL de BSP1 (30.0Â3.3%). Finalmente, foram recuperados 1213 complexos cumulus-oÃcitos e incubados com espermatozoides epididimÃrios congelados-descongelados em meio Fert-TALP, que continham: sà heparina, sem heparina, e 10, 20 ou 40 Âg/mL de BSP1. As taxas de clivagem e de blastocistos foram similares apÃs as incubaÃÃes com e sem heparina, mas a concentraÃÃo de 40 Âg/mL de BSP1 produziu maiores taxas de clivagem (79.0  1.1%) que o controle 1 (68.5  1.3%; p < 0.05). Quanto Ãs taxas de blastocistos, encontraram-se maiores taxas quando foram usadas as concentraÃÃes de 20 e 40 Âg/mL de BSP1 (35.6  2.5 e 41.1  2.0%) que com (24.7  3.2; p < 0.05) e sem heparina (27.3  1.6%; p < 0.0003). Em conclusÃo, a BSP1 adicionada ao meio de fertilizaÃÃo e ao gradiente de Percoll quando usado o sÃmen ejaculado, e ao meio de fertilizaÃÃo quando usados espermatozoides epididimÃrios, permitiu clivagem e desenvolvimento prÃprio, sem a necessidade do uso de heparina.

La BSP1, principale protéine du plasma séminal bovin, interagit avec les membranes des spermatozoïdes et joue un rôle crucial dans les événements qui conduisent à la fécondité des spermatozoïdes, lors du phénomène de la capacitation. Le but de cette recherche est d’investiguer la nature de ces interactions. Ce travail vise à démontrer l’influence des lipides qui composent les membranes sur l’action de la protéine BSP1. À l’aide de la fluorescence intrinsèque de la protéine, l’affinité de la protéine a été caractérisée pour quatre systèmes lipidiques. Les résultats montrent que la composition lipidique affecte significativement l'affinité de la protéine pour les membranes. Nous avons observé l'ordre suivant : 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC) > POPC/1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphoéthanolamine (POPE) ≈ POPC/1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phospho-L-sérine (POPS) > POPC/cholestérol. La protéine interagit préférentiellement avec POPC. La présence de POPE, POPS, ou cholestérol dans la membrane diminue systématiquement l’affinité. Il est connu que la présence de POPE ou cholestérol augmente l’empilement des lipides dans les membranes. Cet effet de condensation des chaînes pourrait être défavorable à l’insertion de la partie hydrophobe de la protéine dans les membranes et réduire ainsi l'affinité. La diminution de l’affinité de la protéine induite par la présence de POPS, un lipide chargé négativement, pourrait être associée aux interactions électrostatiques répulsives car la protéine porte une charge globale négative. La littérature mentionne que la BSP1 extrait sélectivement les phospholipides de type choline et le cholestérol lors de son association avec les membranes de spermatozoïdes. Un efflux lipidique est aussi observé avec des membranes modèles. Nous avons désiré caractériser la « solubilisation » des membranes par la BSP1, par diffusion dynamique de la lumière. Comme étape préliminaire, nous avons étudié comment le détergent Triton X-100 solubilise les membranes en utilisant cette technique. Les mesures démontrent que la composition lipidique des membranes (POPC, POPC/POPE, POPC/1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3- [phospho-rac-(1-glycérol)] (POPG)) n’affecte pas le mécanisme général de solubilisation/reconstitution des membranes modèles. Il a été montré qu'il existe trois régions lors des processus de solubilisation pour les différents systèmes lipidiques : i) le détergent se distribue dans les membranes, ii) une coexistence de membranes saturées en détergents et de micelles mixtes de phospholipides/Triton X-100 et iii) exclusivement des micelles mixtes de phospholipides/Triton X-100. Nos résultats montrent que la forme conique de POPE augmente la résistance des membranes à la solubilisation. La présence de POPG, apportant une charge négative à l’interface des membranes, n’induit aucun changement aux processus de solubilisation/reconstitution des membranes par Triton X-100. La diffusion dynamique de la lumière a également permis d’observer si la protéine BSP1 induit des modifications morphologiques des membranes suite à son interaction avec les membranes de POPC. Nos observations n'ont montré aucune variation significative de la taille des particules lors du titrage des vésicules de POPC par la protéine, sur une gamme de rapport molaire de POPC/BSP1 variant de 20 à 0.6. Avec des compositions aussi différentes, on suppose une transition des vésicules saturées en protéine à des complexes de protéine avec un peu de lipides. Cependant, il semble impossible avec la diffusion dynamique de la lumière de différencier ces particules. / BSP1, the main protein in bovine seminal plasma, interacts with sperm membranes and plays a crucial role in events that lead to sperm fertility, during the capacitation. The purpose of this research is to investigate the nature of these interactions. This work aims to demonstrate the influence of the lipids that compose membranes on the action of the BSP1 protein. Using the intrinsic fluorescence of the protein, the affinity of the protein was characterized for four lipid systems. The results show that the lipid composition significantly affects the affinity of the protein for membranes. We observed the following order: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) > POPC/1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (POPE) ≈ POPC/1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoserine (POPS) > POPC/cholesterol. The protein interacts preferentially with POPC. The presence of POPE, POPS, or cholesterol in membranes decreases systematically the affinity. It is established that the presence of POPE or cholesterol increases the packing of lipids in membranes. This condensation effect could be detrimental to the insertion of the hydrophobic part of the protein into the membranes and reduces, as a consequence, the affinity. The decrease in protein affinity induced by the presence of POPS, a negatively charged lipid, could be associated with repulsive electrostatic interactions as the protein global charge is negative. The literature mentions that BSP1 selectively extracts choline phospholipids and cholesterol when combined with sperm membranes. A lipid efflux is also observed with model membranes. We characterized membrane "solubilisation" by BSP1, using dynamic light scattering. As a preliminary step, we studied how Triton X-100 detergent solubilizes membranes using this technique. The measurements showed that the lipid composition of the membranes does not affect the general solubilization/reconstitution mechanism of the model membranes (POPC, POPC/POPE, POPC/1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-(1-rac-glycerol) (POPG)). It is known that three different regions exist during the solubilization process for the different lipid systems: i) the detergent is distributed in the membranes, ii) a coexistence of membranes saturated with detergents and mixed phospholipid/Triton X-100 micelles and iii) exclusively mixed phospholipid/Triton X-100 micelles. Our results show that the conical shape of POPE increases the resistance of the membranes to solubilization. The presence of POPG, bringing a negative charge at the membrane interface, does not induce any change in solubilization/reconstitution processes. Dynamic light scattering also made it possible to observe if the BSP1 protein induces morphological changes in the membranes following its interaction with POPC membranes. Our observations showed no significant variation in particle size during the titration of POPC vesicles by the protein, over a molar ratio range of POPC/BSP1 from 20 to 0.6. Considering such different compositions, a transition from vesicles saturated with protein to protein complexes with some lipids is assumed. However, it appeared impossible with dynamic light scattering to differentiate these particles.

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation. / Lipid-extracting peptides and proteins (LEPs) bind to lipid membranes, extract lipids in the form of smaller auto-assemblies, and ultimately fragment membranes. In nature, this lipid extraction occurs in many different cell systems and causes various consequences, such as a modification of the membrane lipid composition or the cell death. This thesis focuses on the lipid extraction, or fragmentation, induced by the peptide melittin and the protein Binder-of-SPerm 1 (BSP1) on model lipid membranes. To this end, liposomes of different composition are prepared and incubated with melittin or BSP1. The association to membranes is determined by the LEPs intrinsic fluorescence, while the extraction is characterized by a combination of colorimetric phosphorus assays and liquid chromatography-mass spectrometry analyses (LCMS). Melittin is a cationic antimicrobial peptide, a very common category of LEP found in living organisms. Cationic antimicrobial peptides are interesting to medicine because they directly target membrane lipids. The action of many of these peptides is described by the carpet-like mechanism, by which they adsorb to membrane surface, induce the formation of pores and then cause the fragmentation of the membranes. In this thesis, melittin is used as a model peptide in order to study the mechanism by which cationic antimicrobial peptides fragment lipid membranes. Results show that the phosphocholine (PC) membrane fragmentation is reduced by a gradual demethylation of the ammonium group. Analysis of the fragmented material reveals that PC are preferentially extracted from membranes, due to a local enrichment in PC near melittin in the membrane. Furthermore, a melittin analogue, for which a majority of its cationic residues were neutralized, is used to investigate the role of the cationic character of native melittin. The neutralization increases the peptide affinity for neutral and anionic membranes, reduces fragmentation of neutral membranes and increases fragmentation of anionic membranes. Despite electrostatic interactions between the cationic peptide and the anionic lipids, no lipid specificity is observed in the extraction. BSP1 is the most abundant protein of the bovine seminal plasma and constitutes another example of important LEP found in nature. Upon ejaculation, it mixes with spermatozoa and extracts membrane lipids, such as cholesterol and phosphatidylcholines. This crucial process modulates the lipid composition of sperm membranes, which would then facilitate egg fertilization. However, a prolonged contact between the protein and spermatozoa could damage the semen. This thesis is looking to deepen our understanding of this delicate phenomenon by studying the molecular mechanism by which this protein fragments lipid membranes. Results of the present work suggest a 3-step mechanism for the extraction: 1) Association to membrane interface; 2) Relocation towards the lipid core; 3) Fragmentation of membranes. BSP1 binds directly to two interfacial PC; a sufficient quantity of PC in membranes is necessary for protein association and fragmentation. This specific binding generally does not lead to specificity in the lipid extraction. The impact of unsaturation of the lipid chains, of the presence of lysophosphatidylcholines, of phosphatidylethanolamines, of cholesterol and of anionic lipids is also studied. The present observations underline the complex relationship between a LEP affinity for membranes and the level of fragmentation it induces. The importance of LEP relocation, from the interface to the hydrophobic core of the membranes, for fragmentation is reiterated. This fragmentation seems to be lipid specific only when a phase separation of the lipids occurs in the membrane, notwithstanding specific LEP-lipid interactions. The prevalence of amphipathic structures in certain LEPs, as well as of the auto-assembled discoidal structures resulting from fragmentation is discussed. Finally, the role of electrostatic interactions between cationic antimicrobial peptides and anionic bacterial membranes is detailed: charged residues lower peptide association to neutral membrane due to an increase of their free energy of solvation.