L'étude du déplacement des parois de domaine magnétique au moyen d'un courant électrique a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs mémoire utilisant cet effet ont été proposés. Récemment, un nouveau mécanisme capable de propager les parois sous courant avec une grande efficacité a été mis en évidence dans des matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite (SOT), reste néanmoins très incomplète, tout comme celle de son effet sur la propagation des parois de domaines. L'objectif de ce travail de thèse a été d'étudier l'influence du SOT sur la dynamique des parois de domaine. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de parois sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx. Un champ magnétique planaire, statique, a été utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du SOT sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet " chiral " dans la dynamique de la paroi pour ce type de système. Pour expliquer ce résultat, nous avons proposé une nouvelle structure de paroi dans les matériaux ultra-minces à anisotropie perpendiculaire, résultant de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, la dynamique de telles parois a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Les désaccords que nous avons alors pu observer nous ont amené à proposer une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope.

L'objectif de cette thèse a été d'étudier la dynamique de parois de domaines dans des couches minces magnétiques ayant anisotropie perpendiculaire, dans un empilement non-centrosymétrique. Dans ce type de système la compétition entre l'interaction d'échange de Heisenberg et un terme d'échange antisymétrique appelé interaction Dzyaloshinskii-Moriya interfaciale, favorise des textures magnétiques non colinéaires avec une chiralité définie, comme les parois de Néel chirales et les skyrmions. Dans ce travail nous nous sommes intéressés à la dynamique induite par un champ magnétique ou un courant électrique de parois Néel chirales dans une tricouches constituée d'une fine couche de cobalt déposée sur du platine, et recouverte par un oxyde.Nous avons démontré que la structure statique et la dynamique des parois est fortement impactée par la présence de la DMI. La DMI favorise une structure Néel avec une chiralité bien définie (plutôt que la structure de Bloch trouvé en général dans des systèmes symétriques). En comparant des parois dans Pt/Co/Pt (DMI=0) et Pt/Co/AlOx (DMI forte) nous avons montré que en la présence de DMI les parois de domaines peuvent être déplacées plus efficacement avec un champ magnétique. La stabilisation de la structure interne de la paroi par la DMI déplace le régime precessionnel à de plus hauts champs magnétiques et permet d'obtenir des vitesses importantes.En opposition à ce que prédisent les modèles 1D, nous montrons que en la présence de fort DMI la vitesse de paroi sature après le champ de Walker, et que la vitesse de saturation est proportionnelle au rapport entre la force de la DMI et l'aimantation à saturation (D/Ms). L'augmentation de la vitesse de saturation dans des systèmes avec faible Ms a été démontrée en comparant la dynamique de parois dans Pt/Co/GdOx et Pt/Co/Gd. Ceci implique aussi que en connaissant Ms, la mesure de la vitesse de saturation fournit une méthode originale pour quantifier l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya interfaciale, comme nous montrons dans ce travail. Cette méthode a été utilisée pour mesurer la DMI dans des tricouches Pt/Co/AlOx avec oxydation variable de l'interface supérieure du Co. Nous montrons que en plus de la forte DMI de l'interface Pt/Co, l'interaction Co/oxyde contribue avec une DMI du même signe, la force de laquelle dépend du dégrée d'oxydation de l'interface. Nous observons aussi que cette DMI est proportionnelle à l'anisotropie magnétique perpendiculaire, ce qui suggère que les deux effets ont une origine commune. Pour finir, nous avons montré des résultats préliminaires de dynamique de parois induite par champ et courant dans des systèmes ferrimagnétiques GdCo. Si d'une part près de la compensation les parois de domaines dans des tricouches Pt/GdCo/Ta peuvent être déplacées seulement avec des champs très forts, d'autre part le courant est très efficace et les courants de dépiégeage très faibles. Nous avons attribué cet effet à la dépendance en 1/Ms du couple de spin-orbite qui agit sur l'aimantation. / The aim of this thesis has been to study domain wall dynamics in magnetic thin films with perpendicular magnetic anisotropy embedded in a non centrosymmetric stack. In this kind of system the competition between the symmetric Heisenberg exchange and an antisymmetric exchange term, called the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), favours non collinear magnetic textures with a fixed chirality, like chiral Néel domain walls and skyrmions. In this work we have been interested in the field and current-driven dynamics of chiral Néel walls in trilayer stacks, typically consisting of a thin Co film deposited on Pt and capped with an oxide.We have shown that the statics and dynamics of a domain wall (DW) is strongly affected by the DMI. The DMI favours Néel internal structure (rather than the Bloch structure usually found in symmetric systems) with a fixed chirality. By comparing DWs in Pt/Co/Pt (no DMI) and Pt/Co/AlOx (strong DMI), we have shown that in the presence of DMI, DWs can be moved more efficiently by a magnetic field. The stabilization of the internal DW structure by the DMI allows the precessional regime to be pushed to large magnetic fields and large velocities to be reached.Opposite to what is predicted by 1D models we show that in the presence of DMI, the DW velocity saturates after the Walker field, and that the saturation velocity is proportional to the ratio of the DMI strength and the saturation magnetization (D/Ms). The enhancement of the saturation velocity in systems with reduced Ms is shown by comparing DW dynamics in Pt/Co/GdOx and Pt/Co/Gd stacks. This also means that, knowing Ms, measuring the DW saturation velocity provides an original method to quantify the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction, as we show in this work.This method has been used to measure the DMI interaction in Pt/Co/AlOx trilayers in which the top Co interface presents a varying degree of oxidation. We show that besides the strong DMI at the Pt/Co interface, the Co/oxide interface also provides a DMI contribution of the same sign, whose strength depends on the degree of oxidation of the Co/AlOx interface. We also observe that this DMI scales with the perpendicular magnetic anisotropy, which suggest a common origin for the two effects. Finally we have shown preliminary results of field- and current-driven dynamics of DWs in a ferrimagnetic system (GdCo). While close to the compensation composition domain walls in Pt/GdCo/Ta trilayers can be moved to high velocities only by very high magnetic fields, the current driven dynamics is very efficient and depinning currents low. This effect is attributed to the 1/ Ms dependence of the spin-orbit torque acting on the DW magnetization.

La relation entre le repliement du génome et les processus cellulaires majeurs, notamment la transcription, la réparation de l’ADN et la réplication est une question biologique centrale. De nouvelles méthodes de la génomique ont révélé un niveau inconnu de l’architecture tridimensionnelle de la chromatine. A l’échelle en dessous de la mégabase, certaines séquences génomiques se trouvent préférentiellement à proximité les unes des autres formant ainsi des domaines topologiques associés (TAD). Les gènes situés dans le même TAD ont des propriétés épigénétiques similaires, et leur expression au cours de la différentiation semble corrélée, ce qui suggère un lien fort entre la structure de la chromatine et la transcription. Les TADs sont à leur tour séparés par des régions avec peu de contacts, appelées frontières, qui sont généralement occupées par des protéines dites isolatrices. Les déterminants de cette organisation chromatinienne particulière et ses implications fonctionnelles sont largement méconnus. Selon une hypothèse récente, les TADs seraient formés par des contacts entre les séquences des frontières, stabilisés par la formation de boucles via les protéines isolatrices. Les travaux présentés ici ont pour but d’étudier le rôle des protéines isolatrices dans le mécanisme de formation des TADs chez la drosophile. La microscopie super-résolue a été implémentée et une série de développements ont été réalisés en microscopie à illumination structurée (SIM) et la microscopie à localisation de molécules uniques (SMLM), avec une attention particulière sur le marquage fluorescent. Ces développements ont directement été appliqués à l’étude de l’organisation nucléaire de la protéine associée aux éléments frontières (BEAF), une des 11 protéines isolatrices identifiées à ce jour chez la drosophile. Le fort enrichissement aux frontières des TADs, ainsi que son activité dans la formation de boucles d’ADN font de BEAF un candidat intéressant pour tester l’hypothèse de regroupement de frontières comme mécanisme général de repliement de la chromatine. La technique SMLM multi-couleurs a systématiquement localisé BEAF à la périphérie des larges domaines portant la marque épigénétique H3K27me3. L’analyse quantitative des images SMLM a révélé que BEAF forme des centaines de foyers d’une taille de 45 nm, composés en moyenne de 5 molécules, ce qui est en désaccord avec la présence de boucles de chromatine à large échelle. Afin de tester le regroupement de gènes directement au niveau de l’ADN, des frontières ont été marquées par des oligonucléotides fluorescents. Le nombre de foyers détectés par SIM s’est à nouveau révélé incompatible avec le modèle de contacts entre les frontières tout le long du génome. Par ailleurs, les distances entre paires de frontières au niveau de deux régions génomiques ont montré <5% de contacts. Ensemble, ces résultats sont en désaccord avec l’établissement d’interactions entre barrières chez la drosophile. Enfin, ces travaux de thèse ont contribué au développement méthodologique de la microscopie super-résolue, ce qui a permis d’apporter des preuves expérimentales invalidant le modèle de regroupement des frontières comme mécanisme général du repliement chromatinien. / The interplay between genome folding and key cellular functions such as transcription, DNA repair and replication is a fundamental question in chromatin biology. Recent genome-wide developments unveiled a new level of three-dimensional chromatin architecture. At the sub-megabase scale, some genome sequences are preferentially found in proximity with one another forming Topologically Associating Domains (TADs). Genes located within the same TAD display common epigenetic properties and tend to have coordinated dynamics of expression during differentiation, suggesting a strong link between chromatin structure and transcription. TADs are in turn separated by regions of low contact, termed TAD borders, which are generally occupied by factors called chromatin insulators. What are the determinants of this particular type of chromatin organization and what are the functional implications is still largely unknown. In an emerging hypothesis, TADs could be formed through contacts between TAD border sequences stabilized by the looping activity of insulator proteins. This thesis investigates the roles of insulator proteins in the TAD formation mechanism using Drosophila melanogaster as model system. Superresolution imaging was implemented and a series of developments were performed in Structured Illumination Microscopy (SIM) and Single-molecule Localization Microscopy (SMLM), with particular attention on fluorescent labeling for single-molecule detection. These developments were directly applied to study the nuclear organization of the Boundary Element Associated Factor (BEAF), one of the 11 insulator proteins discovered to date in Drosophila. The strong enrichment on TAD borders and its demonstrated looping activity make BEAF a potent candidate to test for the clustering of TAD borders as a general mechanism of chromatin folding. Multicolor SMLM systematically located BEAF foci at the periphery of large H3K27me3 chromatin domains. Quantitative analysis of SMLM images indicated BEAF forms hundreds of 45 nm foci, containing a mean of 5 molecules, which argues against a large-scale looping of BEAF-bound chromatin. To directly probe for gene clustering at the DNA level, TAD borders were labeled using fluorescent oligonucleotide probes. The number of foci detected by SIM was once more incompatible with a model of chromosome-wide contacting of multiple TAD borders. Furthermore, TAD border pairs distances were measured in two genomic regions, resulting in <5% of paired contacts among the measured barriers. Taken together, these results are inconsistent with constitutive interactions between consecutive or non-consecutive barriers in Drosophila.In conclusion, this study contributed to the methodological development of super-resolution microscopy which was applied to provide experimental evidence invalidating the TAD border clustering model as a general mechanism of chromatin folding.

La polyprotéine Gag du VIH-1 qui contient quatre principaux domaines (Matrix (MA), capside (CA), nucléocapside (NC), et P6) est l’orchestrateur privilégié de l'assemblage du virus HIV-1, assemblage qui a lieu pendant la phase tardive de la réplication. Il est bien connu que Gag interagit avec les lipides de la membrane plasmique de la cellule hôte et s’auto-assemble sur le feuillet interne de cette dernière afin de générer de nouvelles particules virales. Le bourgeonnement de ces particules virales hors de la cellule hôte est décrit comme étant dépendant de la machinerie cellulaire ESCRT. Différentes études structurales, fonctionnelles ainsi que des simulations de dynamique gros grain ont montré que la liaison de Gag à la membrane est médiée par une interaction duale. Une spécifique de nature éléctrostatique, qui associe une région hautement basique (HBR) du domaine MA de Gag au lipide acide,phosphatidyl inositol biphosphate (PI(4,5)P2) du feuillet interne de la membrane plasmique. Une de type hydrophobe, qui consiste en l’insertion du myristate de Gag dans la membrane plasmique. Savoir si Gag reconnait spécifiquement des domaines lipidiques pré-existants de type « rafts » ou si, au contraire, Gag tri ses lipides et les réorganise latéralement afin d’optimiser sa multimérisation et son bourgeonnement est une question à la fois fondamentale et d’actualité en virologie.Durant ma thèse, j’ai vérifié l’existence de la seconde hypothèse en utilisant des membranes modèles contenant du PI (4,5) P2 marqué de façon fluorescente et différent mutants et produits de la protéine Gag non-myristoylée. Ces expériences ont montré de fortes affinités de ces protéines pour les membranes contenant du PI (4,5) P2. S’appuyant sur les propriétés d’auto-extinction de fluorescence du marqueur choisit et à l’aide des différents variants de la protéine Gag, j'ai pu montré que la multimérisation de Gag génère l’existence de nanodomaines contenant du PI (4, 5) P2 et du cholestérol, la sphingomyéline étant au contraire exclue de ces domaines. En marquant la protéine Gag par un autre fluorophore, j’ai pu montrer par microscopie optique sur des vésicules lipidiques géantes (GUVs) que la protéine Gag partitionnait préférablement dans des microdomaines lipidiques de type liquide désordonnés (Ld). Par la suite, j’ai testé la capacité de la protéine Gag d’induire la formation de vésicules sur des membranes modèles (Bicouches supportés et GUVs) contenant du PI(4,5) P2 et de la phosphatidyl sérine (PS). En utilisant une microbalance à cristal de quartz (QCM-D) et des techniques de microscopie de fluorescence, j’ai suivi l'auto-assemblage de Gag dans le temps et ai montré que la protéine Gag était suffisante pour générer une courbure de la membrane et libérer des vésicules lipidiques. Grâce à différents produits de maturation de cette protéine, j’ai montré que la présence des domaines MA et CA est suffisante pour produire ces vésicules.L’ensemble de ces résultats suggèrent que la liaison et la multimérisation de la protéine Gag ne se produit pas dans des domaines lipidiques préexistants de type « raft », mais, au contraire, que la liaison et multimérisation de la protéine Gag génère l’existence de domaines lipidiques enrichis en PI (4,5) P2 et en cholestérol. La générescence de ces domaines lipidiques pourrait participer à la courbure de la membrane plasmique nécessaire au bourgeonnement du virus. / Gag polyprotein of HIV-1 is made of four main domains Matrix (MA), Capsid (CA), Nucleocapsid (NC), and P6 and is the prime orchestrator of virus assembly that occurs during the late phase of replication. It is well known that Gag interacts with host cell lipids and self-assemble along the inner-leaflet of the plasma membrane in order to generate virus like particles (VLPs). Budding of these VLPs out of the living cell is described to be ESCRT dependent. Structural, functional and simulation based studies has shown that Gag membrane binding is mediated by a bipartite interaction. One specific electrostatic interaction, between the highly basic region (HBR) of its MA domain and the host cell acidic lipid phosphatidyl inositol bisphophate (PI(4,5)P2), plus a hydrophobic interaction through Gag’s myristate insertion in the plasma membrane. It is still an opened question whether Gag would specifically recognize pre-existing lipid domains such as rafts to optimize its multimerization or, on the contrary, would reorganize lipids during its multimerization. During my Ph.D. I explored the second hypothesis using purified myr(-) Gag protein and model membranes containing fluorescently labelled PI(4,5)P2.Bonding experiments have shown strong affinities of these purified proteins towards PI(4,5)P2 containing lipid bilayers. Using PI(4,5)P2 fluorescence self-quenching properties, I found that multimerization Gag generates PI(4,5)P2/Cholesterol enriched nanoclusters. On the opposite, sphingomyelin was excluded from these nanoclusters. In addition to this, using a fluorescently labelled myr(-) Gag, I have observed its preferable partitioning into lipid disordered (Ld) phases of giant unilamellar vesicles (GUVs). Further, possibility of whether HIV-1 Gag alone, as a minimal system, can induce the formation of vesicles on PI(4,5)P2/PS containing supported lipid bilayers (SLBs) & GUVs was tested. Using quartz crystal microbalance (QCM-D) and fluorescence microscopy techniques, I monitored the self-assembly of HIV-1 Gag with time and found that Gag was sufficient to generate membrane curvature and vesicle release. Moreover, using mutants of this protein, I found that having MA and CA domain is enough for Gag to produce vesicle like structures. Taken together, these results suggest that binding and multimerization of Gag protein does not occur in pre-existing lipid domains (such as “rafts”) but this multimerization is more likely to induce PI(4,5)P2/Cholesterol nanoclusters. This nanophase separation could locally play a role in the membrane curvature needed for the budding of the virus.

Les domaines thymosineβ/WH2 sont une famille de protéines intrinsèquement désordonnées impliqués dans le remodelage du cytosquelette d’actine. Ces domaines de 20 à 50 acides aminés existent seuls ou au sein de protéines modulaires, isolés ou répétés. Ils exercent de nombreuses fonctions : ils séquestrent des monomères d’actine, promeuvent l’assemblage du filament, nucléent, fragmentent et coiffent les filaments. Tous les domaines WH2 interagissent de manière similaire avec l’actine via une hélice amphipathique N-terminale suivie d’un brin central et d’une région C-terminal plus ou moins longue et dynamique. Une étude antérieure a montré que la fonction des domaines βT/WH2 isolés était liée à la dynamique du complexe avec l’actine déterminée par une combinaison d’interactions intermoleculaires le long de l’ensemble de la séquence. Les mécanismes expliquant la multifonctionnalité des domaines WH2 répétés restent vagues. Ce travail de thèse présente tout d’abord la production d’actine recombinante, sauvage et mutée dans le système baculovirus/Sf9 pour la biologie structurale ainsi que le développement de stratégies de marquage isotopique en cellules d’insectes. La deuxième partie s’intéresse à la caractérisation structurale et dynamique de domaines WH2 seules en solution : deux domaines isolés et deux protéines contenant deux domaines WH2. Les hélices amphipathiques N-terminales sont partiellement repliées avec des populations variant selon les protéines. La préstructuration des régions C-terminales est plus variable, complètement désordonnée ou partiellement hélicoïdale selon les protéines. La dernière partie présente l’étude de l’interaction de ces protéines avec l’actine. / WH2 domains are a family of intrinsically disordered proteins involved in actin cytoskeleton remodeling. These short domains, isolated or repeated in various actin binding proteins display a low sequence identity and a large panel of functions such as sequestration of actin monomers, promotion of unidirectional assembly, nucleation, fragmentation, filament capping. All WH2 domains fold similarly upon actin binding. They form an extended interface along actin, with an amphipathic N-terminal helix followed by an extended central strand and a more dynamic C-terminal region. Previous work on single βT/WH2 domains showed that function was linked to the dynamics of the complex with actin which is determined by a combination of intermolecular interactions throughout the sequence. The multifunctionality of WH2 tandem repeats is still elusive. The present work first describes production of recombinant wild-type and mutant actin in insect cells and isotopic 15N-labeling for NMR spectroscopy. As a first step to gain insight into the folding upon binding mechanism of functionally different WH2 repeats, we investigated the conformational behavior of two single domains and two tandem repeats free in solution by NMR. The N-terminal amphipatic helix is partially formed but with various propensities depending on the proteins while the C-terminal region that may form an helix in the complex may be either completely disordered or partially formed in absence of actin. Investigation of WH2:actin interaction for the same four proteins is described in the last chapter.

L'étude et analyse dans l'espace réel de la densité électronique en mettant l'accent sur la liaison chimique, se déroule grâce à deux nouveaux techniques: les domaines de probabilité maximale (MPDs) et les orbitales naturelles adaptatives (NAdOs). D'un côté, la méthode MPD permet l'optimisation d'une région de l'espace qui maximise la probabilité de trouver un nombre entier et exact d'électrons. Donc, un domaine de probabilité maximale est la région qui maximise cette probabilité. De cette manière on engendre une division de l'espace en régions avec un sens physique claire. Avec la méthode MPD, une connexion entre la mécanique quantique et la structure de Lewis classique est établie. Ainsi, les domaines obtenus peuvent être associés aux liaisons, paires libres et coeurs. De l'autre côté, les NAdOs récupèrent et généralisent le concept des "domain averaged Fermi holes" (DAFHs), introduit par R. Ponec. Le développement de les orbitales naturelles adaptatives est basé sur des objets largement connues comme matrices densité réduites. L'utilisation conjointe de ces matrices, en particulier leurs parties qui ne peuvent pas être exprimées en termes d'ordre inférieur (densités cumulantes) avec les divisions de l'espace réel, permet de définir une hiérarchie d'indices de liaison chimique entre plusieurs fragments de l'espace. En plus, l'étude de la corrélation électronique à travers de les NAdOs est facilement accessible. / The study and analysis of the electronic density in real space, in particular the chemical bond, is carried out through two new techniques: maximum probability domains (MPDs) and natural adaptive orbitals (NAdOs).On one hand, the MPD method allows for an optimization of a spatial region in order to maximize the probability of finding a given and exact number of electrons. Thus, a maximum probability domain is a region of space maximizing such probability. In this way, it is possible to generate a space partitioning in several regions with a clear physical interpretation.With the MPD method, a connection between Quantum Mechanics and the classical Lewis’ picture may be established. MPD regions may be associated to bonds, lone pairs and cores.On the other hand, NAdOs recover and generalize the domain averaged Fermi hole (DAFH) concept,introduced by R. Ponec. The development of natural adaptive orbitals is based on widely known objects, called reduced density matrices. The combination of theses matrices, especially withthose parts that can not be expressed in terms of lower order (cumulant densities) with divisions of the real space, allows to define a hierarchy of chemical bond indices between several fragments of space. In addition, the study of electronic correlation through NAdOs is easily accesible.

Dans ce travail, nous allons établir des estimations de dispersion et des applications aux inégalités de Strichartz pour les solutions de l’équation des ondes dans un domaine cylindrique convexe Ω ⊂ R³ à bord C∞, ∂Ω ≠ ∅. Les estimations de dispersion sont classiquement utilisées pour prouver les estimations de Strichartz. Dans un domaine Ω général, des estimations de Strichartz ont été démontrées par Blair, Smith, Sogge [6,7]. Des estimations optimales ont été prouvées dans [29] lorsque Ω est strictement convexe. Le cas des domaines cylindriques que nous considérons ici généralise les resultats de [29] dans le cas où la courbure positive dépend de l'angle d'incidence et s'annule dans certaines directions. / In this work, we establish local in time dispersive estimates and its application to Strichartz estimates for solutions of the model case Dirichlet wave equation inside cylindrical convex domains Ω ⊂ R³ with smooth boundary ∂Ω ≠ ∅. Let us recall that dispersive estimates are key ingredients to prove Strichartz estimates. Strichartz estimates for waves inside an arbitrary domain Ω have been proved by Blair, Smith, Sogge [6,7]. Optimal estimates in strictly convex domains have been obtained in [29]. Our case of cylindrical domains is an extension of the result of [29] in the case where the nonnegative curvature radius depends on the incident angle and vanishes in some directions.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mes activités de recherche se situent à l'interface entre le développement des technologies et le traitement du signal, elles concernent la conception et l'intégration des systèmes analogiques et mixtes pour l'acquisition des signaux physiques et les premières étapes du traitement. Le domaine d'application des systèmes conçus est essentiellement les télécommunications. L'objectif général est de poursuivre l'augmentation des capacités des systèmes : une plus grande bande traitée avec une bonne résolution pour augmenter le débit des communications, en tirant profit de l'évolution des technologies CMOS avancées ou des technologies émergentes qui proposent un élément de traitement élémentaire toujours plus rapide. Les axes de recherche développés pour cet objectif portent sur l'innovation architecturale, au niveau système ou au niveau circuit, et la modélisation comportementale multi niveaux multi domaines pour gérer la conception et la simulation de systèmes électroniques de plus en plus complexes.

Cette thèse se place dans le cadre de l'étude in silico, c'est-à-dire assistée par ordinateur, des liens qui unissent la séquence d'une protéine à la (ou aux) structure(s) tri-dimensionnelle(s) qu'elle adopte. Le décryptage de ces liens présente de nombreuses applications dans divers domaines et constitue sans doute l'une des problématiques les plus fascinantes de la recherche en biologie moléculaire. Le premier aspect de notre travail concerne le développement de potentiels statistiques dérivés de bases de données de protéines dont les structures sont connues. Ces potentiels présentent plusieurs avantages: ils peuvent être aisément adaptés à des représentations structurales simplifiées, et permettent de définir un nombre limité de fonctions énergétiques qui incarnent l'ensemble complexe d'interactions gouvernant la structure et la stabilité des protéines, et qui incluent également certaines contributions entropiques. Cependant, leur signification physique reste assez nébuleuse, car l'impact des diverses hypothèses nécessaires à leur dérivation est loin d'être clairement établi. Nous nous sommes attachés à l'étude de certaines limitations des ces potentiels: leur dépendance en la taille des protéines incluses dans la base de données, la non-additivité des termes de potentiels, et l'importance souvent négligée de l'environnement protéique spécifique ressenti par chaque résidu. Nous avons ainsi mis en évidence que l'influence de la taille des protéines de la base de données sur les potentiels de distance entre résidus est spécifique à chaque paire d'acides aminés, peut être relativement importante, et résulte essentiellement de la répartition inhomogène des résidus hydrophobes et hydrophiles entre le coeur et la surface des protéines. Ces résultats ont guidé la mise au point de fonctions correctives qui permettent de tenir compte de cette influence lors de la dérivation des potentiels. Par ailleurs, la définition d'une procédure générale de dérivation de potentiels et de termes de couplage a rendu possible la création d'une fonction énergétique qui tient compte simultanément de plusieurs descripteurs de séquence et de structure (la nature des résidus, leurs conformations, leurs accessibilités au solvant, ainsi que les distances qui les séparent dans l'espace et le long de la séquence). Cette fonction énergétique présente des performances nettement améliorées par rapport aux potentiels originaux, et par rapport à d'autres potentiels décrits dans la littérature. Le deuxième aspect de notre travail concerne l'application de programmes basés sur des potentiels statistiques à l'étude de protéines qui adoptent des structures alternatives. La permutation de domaines est un phénomène qui affecte diverses protéines et qui implique la génération d'un oligomère suite à l'échange de fragments structuraux entre monomères identiques. Nos résultats suggèrent que la présence de "faiblesses structurales", c'est-à-dire de régions qui ne sont pas optimales vis-à-vis de la stabilité de la structure native ou qui présentent une préférence marquée pour une conformation non-native en absence d'interactions tertiaires, est intimement liée aux mécanismes de permutation. Nous avons également mis en évidence l'importance des interactions de type cation-{pi}, qui sont fréquemment observées dans certaines zones clés de la permutation. Finalement, nous avons sélectionné un ensemble de mutations susceptibles de modifier sensiblement la propension de diverses protéines à permuter. L'étude expérimentale de ces mutations devrait permettre de valider, ou de raffiner, les hypothèses que nous avons proposées quant au rôle joué par les faiblesses structurales et les interactions de type cation-{pi}. Nous avons également analysé une autre protéine soumise à d'importants réarrangements conformationnels: l'{alpha}1-antitrypsine. Dans le cas de cette protéine, les modifications structurales sont indispensables à l'exécution de l'activité biologique normale, mais peuvent sous certaines conditions mener à la formation de polymères insolubles et au développement de maladies. Afin de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la polymérisation, nous avons cherché à concevoir rationnellement des protéines mutantes qui présentent une propension à polymériser contrôlée. Des tests expérimentaux ont été réalisés par le groupe australien du Professeur S.P. Bottomley, et ont permis de valider nos prédictions de manière assez remarquable. ---------------------------------------------------------------------------------------------------- The work presented in this thesis concerns the computational study of the relationships between the sequence of a protein and its three-dimensional structure(s). The unravelling of these relationships has many applications in different domains and is probably one of the most fascinating issues in molecular biology. The first part of our work is devoted to the development of statistical potentials derived from databases of known protein structures. These potentials allow to define a limited number of energetic functions embodying the complex ensemble of interactions that rule protein folding and stability (including some entropic contributions), and can be easily adapted to simplified representations of protein structures. However, their physical meaning remains unclear since several hypotheses and approximations are necessary, whose impact is far from clearly understood. We studied some of the limitations of these potentials: their dependence on the size of the proteins included in the database, the non-additivity of the different potential terms, and the importance of the specific environment of each residue. Our results show that residue-based distance potentials are affected by the size of the database proteins, and that this effect can be quite strong, is residue-specific, and seems to result mostly from the inhomogeneous partition of hydrophobic and hydrophilic residues between the surface and the core of proteins. On the basis of these observations, we defined a set of corrective functions in order to take protein size into account while deriving the potentials. On the other hand, we developed a general procedure of derivation of potentials and coupling terms and consequently created an energetic function describing the correlations between several sequence and structure descriptors (the nature of each residue, the conformation of its main chain, its solvent accessibility, and the distances that separate it from other residues, in space and along the sequence). This energetic function presents a strongly improved predictive power, in comparison with the original potentials and with other potentials described in the literature. The second part describes the application of different programs, based on statistical potentials, to the study of proteins that adopt alternative structures. Domain swapping involves the exchange of a structural element between identical proteins, and leads to the generation of an oligomeric unit. We showed that the presence of “structural weaknesses”, regions that are not optimal with respect to the folding mechanisms or to the stability of the native structure, seems to be intimately linked with the swapping mechanisms. In addition, cation-{pi} interactions were frequently detected in some key locations and might also play an important role. Finally, we designed a set of mutations that are likely to affect the swapping propensities of different proteins. The experimental study of these mutations should allow to validate, or refine, our hypotheses concerning the importance of structural weaknesses and cation-{pi} interactions. We also analysed another protein that undergoes large conformational changes: {alpha}1-antitrypsin. In this case, the structural modifications are necessary to the proper execution of the biological activity. However, under certain circumstances, they lead to the formation of insoluble polymers and the development of diseases. With the aim of reaching a better understanding of the mechanisms that are responsible for this polymerisation, we tried to design mutant proteins that display a controlled polymerisation propensity. An experimental study of these mutants was conducted by the group of Prof. S.P. Bottomley, and remarkably confirmed our predictions.