Ce travail de thèse vise à étudier l'endommagement de l'ADN, de la formation de lésions à leur réparation par des méthodes de modélisation moléculaire. Plusieurs projets ont pris forme dans ce contexte, lesquels peuvent être classés en trois grandes catégories. D'un côté, nous nous sommes intéressés la formation de lésions induites par des agents mutagènes. Nous avons étudié les mécanismes de formation de la 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8oxoG), mais aussi le caractère de photosensibilisateur endogène de la pyrimidine 6-4 pyrimidone (6-4PP), et la photosensibilisation de l'ADN par deux anti-inflammatoires : le kétoprofène et l'ibuprofène. D'un autre côté, les propriétés mécaniques de l'ADN endommagé ont été simulées. La structure de lésions complexes est d'une importance capitale pour comprendre la manière dont elles sont réparées. Malheureusement, seulement peu de structures RMN et cristallographiques sont disponibles à ce jour. Pour pallier à ce manque et obtenir des informations sur leur dynamique, nous avons étudié un panel de lésions complexes : les clusters de sites abasiques, les pontages inter-brins, et la photolésion 6-4PP. De même, nous nous sommes penchés sur les modes d'interaction de certaines polyamines avec l'ADN, ces molécules étant connues pour interagir avec la double hélice. Enfin, latroisième partie de cette thèse concerne les interactions ADN-enzyme de réparation. En perspective avec l'étude de clusters d'abasiques, nous avons étudié le comportement dynamique du même système, cette fois-ci en interaction avec l'endonucléase APE1. Nous nous sommes également penchés sur les interactions entre la glycosylase Fpg avec un oligonucléotide contenant un tandem de lésions 8-oxoG d'un côté, etun cluster de lésions 8-oxoG - site abasique de l'autre. Ces multiples projets ont permis l'accumulation de nouvelles connaissances à propos des lésions complexes de l'ADN, et ont également apporté un appuicomputationnel aux expérimentations, qui peuvent se révéler très délicates dans ce domaine. Nos résultats ouvrent de larges perspectives dans le domaine de la pharmacologie, la cosmétique et plus généralementla compréhension du vivant / This thesis work is focused on the theoretical modelling of DNA damages, from formation to repair. Several projects have been led in this framework, which can be sorted into three different parts. One on hand, we studied complex DNA reactivity. It included a study about 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8oxoG) mechanisms of formation, a project concerning the UV-induced pyrimidine 6-4 pyrimidone (6-4PP) endogenous photosensitizer features, and an other one about DNA photosensitizationby nonsteroidal anti-inflammatory drugs (ie ketoprofen and ibuprofen). On the other hand, we investigated mechanical properties of damaged DNA. The structural signature of a DNA lesion is of major importance for their repair, unfortunately only few NMR and X-ray structures of such systems are available. In order to gain insights into their dynamical structure, we investigated a series of complex damages : clustered abasic sites, interstrand cross-links, and the 6-4PP photolesion. Likewise, we studied the interaction modes DNA with several polyamines, which are well known to interact with the double helix, but also with the perspective to model DNA-protein cross-linking. The third part concerned the study of DNA interactions with repair enzymes. In line with the structural study about clustered abasic sites, we investigated the dynamics of the same system, but this time interacting with the APE1 endonuclease. We also studied interactions between the Fpg glycosylase with an oligonucleotides containing tandem 8-oxoG on one hand and 8-oxoG - abasic site as multiply damaged sites. Thus, we shed new lights on damaged DNA reactivity, structure and repair, which provides perspectives for biomedicine and life's mechanisms understanding as we begin to describe nucleosomal DNA

Le potentiel des nanoparticules d'or (AuNPs) pour améliorer l’efficacité de la radiothérapie est démontré par de nombreuses études expérimentales in vivo et in vitro. Ces particules métalliques augmentent significativement l’effet de la radiosensibilisation. La réaction en jeu est la radiolyse de l’eau: une fois excitées par un rayon X, elles génèrent des espèces réactives oxygénées qui amplifient les dégâts d’ADN et mènent à une plus grande destruction des cellules cancéreuses. Cependant, pour une efficacité thérapeutique plus optimale, plusieurs propriétés des AuNPs doivent être prises en compte lors de la synthèse comme leur taille, leur forme et leur surface qui sont suspectibles d’influencer ses effets catalytiques dans l’environnement biologique (majoritairement de liquide d’eau). Ces aspects structuraux ne sont pas encore examinés dans l’état de l’art, ni expérimentalement ni théoriquement. Ce travail de thèse a pour but de rationaliser la stabilité de AuNPs dans un environnement chimique ou biologique avant l’irradiation par des outils de modélisation théorique. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la stabilité des AuNPs dans la gamme de 1- 3.4 nm. Nous étudions ensuite le comportement de ces nanoparticules dans un environnement biologique (hydratation) et chimique modèle (PEGylation), et la combinaison des deux environnements. Quand les nanoclusters de 0.9-1.8 nm sont en interaction avec une couche de molécules d’eau à saturation, nous avons montré qu’il y a une transformation de NPs métastables (dans le vide) telles que l'ino-décaèdre en NPs métastables plus favorables telles que l'icosaèdre. Alors qu’en présence d’une couche de ligands PEG, la liaison forte Au-S et les liaisons hydrogène entre les ligands entraînent une déformation significative de la morphologie de la nanoparticule, à savoir une stellation du décaèdre Au54. Par ailleurs, nous avons montré que les ligands PEG promeuvent le confinement de quelques molécules d’eau à proximité des AuNPs. Nos conclusions ouvrent des perspectives intéressantes pour la modélisation théorique de la radiolyse de l’eau. Parallèlement à ces études, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de différents types de lésions d’ADN. Deux projets ont été menés: premièrement, nous démontrons l’interaction d’un peptide trilysine avec un oligonucléotide qui pourrait conduire à la formation de pontage d’ADN-polyamine. Ensuite, le deuxième projet porte sur la rationalisation de différents taux de réparation de dimères de cyclobutanemathide iochella pyrimidine en présence de l’enzyme de reconnaissance DDB2 à l’échelle atomique. / The potential of gold nanoparticles (AuNPs) to improve the performance of radiotherapy is demonstrated by numerous in vivo and in vitro experimental studies. These metallic particles increase significantly the radiosensitization effect. Upon water radiolysis, AuNPs generate reactive oxygen species that amplify DNA damage and lead to a greater destruction of cancerous cells. Nevertheless, for a more optimal therapeutic efficacy, several properties of AuNPs must be taken into account during the synthesis, such as their size, shape and surface which can tune their catalytic effects in the biological environment (mainly liquid water). These structural aspects are not yet examined in the state-of-the-art, either experimentally or theoretically. This thesis aims to rationalize the stability of AuNPs in the presence of chemical or biological environment before irradiation by using theoretical approaches. Firstly, we have modeled the stability of AuNPs in the range 1- 3.4 nm. We have then studied the behavior of these nanoparticles in a biological (hydration) and chemical (PEGylation) model environment, and the combination of the two environments. When 0.9-1.8 nm nanoclusters interact with a complete shell of water molecules, we have shown that metastable ino-decahedrons (in vacuum) are transformed into more favourable metastable icosahedrons. While in the presence of monoshell of PEG ligands, the strong Au-S bond and the hydrogen bonds between the ligands induce a significant deformation on the nanoparticle morphology, i.e. stellation of the Au54 decahedron. In addition, we have shown that PEG ligands promote the confinement of a few water molecules in the vicinity of AuNPs. Our conclusions open interesting perspectives for the theoretical modeling of water radiolysis. In parallel with these studies, we have focused on the characterization of different types of DNA lesions. Two projects have been performed: firstly, we have studied the interaction of a trilysine peptide with an oligonucleotide which could lead to the formation of DNA-polyamine cross link. Then, the second project focuses on rationalizing different repair rates of cyclobutane pyrimidine dimers in the presence of the DDB2 recognition enzyme at the atomic scale.