Les quadruplexes de guanines (G4) sont des structures polymorphiques adoptées in vitro par les séquences d’ADN et d’ARN riches en guanines. L’utilisation d’anticorps et de ligands spécifiques des structures G4 a permis leur détection au niveau cellulaire. Des études computationnelles ont prédit des séquences possédant une signature G4 au niveau de régions génomiques capitales comme les télomères ou les promoteurs de certains oncogènes. De plus, de nombreuses protéines impliquées dans des processus cellulaires comme la réplication, la transcription ou encore la réparation, peuvent interagir directement avec des G4, en facilitant leur formation ou au contraire leur dénaturation. C’est notamment le cas d’hélicases impliquées dans des pathologies humaines, comme BLM, WRN, FANC J ou PIF1. Ce sont des enzymes capables de dénaturer des G4 et dont l'inactivation induit une instabilité génomique, en particulier au niveau de régions susceptibles de former un G4. Dans ce travail, nous présentons la mise au point d’un test de criblage à moyen débit pour le suivi des interactions G4/hélicases en temps réel. Ce test nous a permis de définir les conditions favorisant ou inhibant l’interaction d’une hélicase vis-à-vis de son substrat G4. Nous avons démontré que ces conditions pouvaient différer d’une hélicase à une autre, notamment les conditions salines optimales nécessaires aux activités hélicases de ScPif1 et de RHAU. Nous avons également prouvé, à travers ce test, que l’utilisation de ligands capables de stabiliser les G4 n’induisait pas forcément d’inhibition de l’activité hélicase de ScPif1. Enfin, nous avons également pu définir la directionnalité de la protéine RPA, ce qui fait de notre test une technique prometteuse pour la caractérisation de nouvelles protéines pouvant dérouler des structures G4. / G-quadruplexes are highly polymorphic non-canonical nucleic acid structures adopted by both DNA and RNA guanine-rich sequences in vitro. They have been detected at the cellular level using structure specific antibodies and small molecule ligands. Computational studies demonstrated that G4-prone sequences are located in key genomic regions such as telomeres and oncogene promoters. Numerous studies showed that G4 sequences can interact with proteins involved in cellular processes, including replication, transcription or reparation. Those interactions include binding, G4 folding promotion or in contrary unwinding. Indeed, WRN, BLM, FANC J or Pif1 are helicases associated with human-diseases. They can unwind G4 forming sequences; mutation of these helicases lead to genomic instability of G4-prone motifs when mutated. Here, we present a medium-throughput technique to monitor G4-helicase interactions in real time. We were able to determine both favourable and deleterious conditions for G4 unwinding by a given helicase. We show that these conditions differ from one helicase to another as exemplified with the optimal salt conditions required for both ScPif1 and RHAU activities. We also reveal that the G4 ligands that stabilize G4 structures do not necessarily induce an inhibition of their unwinding by ScPif1 helicase. Finally, we also prove that our assay is adapted to clear up RPA directionality, making it an attractive technique to screen for new proteins able to unwind G4 structures.

Interactions between DNA and ligands are important in the rational design of drugs and in research into DNA function. In particular, the interaction of DMZ with DNA structures named “G-quadruplexes” was considered. G-quadruplexes are structures present in telomeres and several oncogenes. The main purpose of this project was to provide a computational tool to study DNA ligand interactions using a variety of molecular modeling techniques that include molecular docking, molecular dynamics simulations (MD) and MM/PBSA (Molecular Mechanics/Poisson Boltzmann Surface Area). We investigated the binding modes and binding affinities of DMZ with c-MYC G-quadruplexes (G4s). We found that the conformation and structural design of the quadruplex can dramatically influence the binding profiles of the ligand. The binding free energies for each site were estimated by the MM/PBSA method. The binding of small molecules to DNA can result in the disruption of oncogene transcription, making it an effective anticancer strategy.

G-quadruplexes, a type of nucleic acid secondary structure consisting largely of folded quartets of guanines, appear to play a regulatory role in the human genome. Heme has been shown to interact with G-quadruplexes. The ChIP-Seq-like Heme-Seq assay was developed to identify heme binding G-quadruplex loci. Using Heme-Seq, 3 primary heme binding loci and 4 secondary minor heme binding loci were identified on six chromosomes. Two of the primary heme binding loci were found at the centromeric boundaries of the long arms of metacentric chromosomes with the majority of reads from the primary heme binding loci consisting primarly of Human Satellite II (HSATII) nucleotide repeat sequences. Numerous putative G-quadruplex forming sequences were found in the heme-binding locus on Chromosome 2. Comparison of Heme-Seq results with available data from a G-quadruplex ChIP-Seq study in live cells, revealed that the regions which exhibited binding at the three peaks from the Heme-Seq data also showed binding coverage in the CHIP-Seq data. In addition to the known association with G-quadruplexes, heme also appears to bind to HSATII repeats,. The biological role and importance of this binding is not known. / Biomedical Sciences

Les télomères sont des structures spécifiques nucléoprotéiques localisées aux extrémités des chromosomes. Ils protègent les chromosomes contre la dégradation, les recombinaisons et les fusions et permettent qu’ils ne soient pas reconnus comme des cassures à l’ADN. Ils sont composés d'ADN télomérique, constitué de répétitions de la séquence TTAGGG, qui se prolonge par une extrémité 3’ simple brin, et de six protéines télomériques dont la protéine TRF2 qui sont indispensables au maintien de l’intégrité des télomères. Le brin riche en guanines est capable, en présence de cations monovalents, de se replier sur lui- même en une structure à quatre brins, la structure G-quadruplexe. Sa stabilisation par des ligands est une stratégie anti-tumorale car elle provoque des perturbations télomériques conduisant à la mort des cellules cancéreuses. Comme les télomères sont des séquences riches en guanines, ils peuvent aussi constituer une cible potentielle des complexes de platine. Notre objectif consiste à augmenter le ciblage des télomères en associant au sein de la même molécule, un ligand de structure G-quadruplexes qui reconnaitrait ces structures avec un atome de platine qui les bloquerait ensuite irréversiblement. La tolyl-terpyridine-Pt(II), (Pt-ttpy) a été conçue dans ce but. Elle stabilise et se fixe irréversiblement sur les structures G-quadruplexe in vitro. Nous avons analysé les perturbations télomériques induites par ce ligand de G-quadruplexes (Pt-ttpy) en comparaison avec des complexes qui ne stabilisent pas ces structures (terpyridine-Pt(II) ou Pt-tpy, et le cis-platine drogue anti-tumorale utilisée en chimiothérapie) et quantifié le nombre de complexes fixés au niveau des télomères. Nous avons travaillé sur deux lignées cancéreuses d’ovaire sensibles et résistantes au cis-platine (A2780 A2780-cis) et une lignée non-cancéreuse BJ-hTERT. Les complexes Pt-ttpy et Pt-tpy inhibent la prolifération cellulaire des cellules cancéreuses à des doses de l’ordre du µM et ne montrent aucune résistance croisée avec le cis-platine. Nos résultats obtenus par ChIP et immunofluorescence montrent sans ambiguïté que Pt-ttpy délocalise 50% de protéine TRF2 des télomères uniquement des cellules cancéreuses et augmente les dommages au niveau de l’ADN télomérique par rapport aux complexes qui ne sont pas des ligands de G-quadruplexes, sans pour autant induire un raccourcissement des télomères. Donc l’association d’un ligand de G-quadruplexes avec un atome de platine au sein d’une même molécule permet de cibler préférentiellement les télomères des cellules cancéreuses par rapport au complexe de platine seul. Cependant, les perturbations télomériques induites par Pt-ttpy n’ont pas été augmentées par rapport aux meilleurs ligands de G-quadruplexes connus. De façon intéressante, et pour la première fois dans la littérature, nous avons montré que nos deux complexes Pt-ttpy, Pt-tpy ciblent directement les télomères des cellules cancéreuses puisqu’ils s’y fixent. Ils augmentent la préférence de fixation à l’ADN télomérique/l’ADN génomique d’un facteur 15 par rapport au cis-platine. Cette préférence de fixation semble indépendante de la reconnaissance de structures G-quadruplexes mais semble plutôt dépendre de la nature des complexes de platine. D’autre part, à cause de la faible quantité de complexes retrouvée au niveau des télomères, leur fixation aux télomères ne peut être responsable, à elle seule, la délocalisation de TRF2, suggérant que le déplacement de TRF2 des télomères n’est pas dû un empêchement physique mais plutôt à une réponse biologique. Ainsi, nos travaux montrent que les molécules hybrides ligands de structure G-quadruplexes-Pt(II) sont une stratégie intéressante pour ciblage des télomères des cellules cancéreuses. Ceci ouvre la voie au développement de nouveaux complexes dont le facteur de préférence pour l’ADN télomérique et également la quantité de complexe fixée au niveau de l’ADN télomérique seraient augmentés par rapport à Pt-ttpy / Telomeres are specialized nucleoprotein complexes located at the end of chromosomes. They protect chromosomes from degradation, recombination and telomeric fusions and avoid them to be recognized as DNA breaks. They are composed of telomeric DNA consisting of repetitions of the sequence TTAGGG, which is extended by a 3 'single-stranded DNA, and of six telomeric proteins which TRF2 protein, that are essential to the maintenance of the integrity of telomeres. The guanine-rich strand is able to fold, in the presence of monovalent cations, in a four stranded structure, the G-quadruplexes. The stabilization of these structures is a promising anticancer strategy because it induces telomeric perturbations leading to cancer cell death. As telomeres are rich in guanines, they are potential targets for platinum complexes. Our aim is to increase the targeting of telomeres by associating within the same molecule, a ligand of G-quadruplex which stabilizes these structures with a platinum atom which then, will irreversibly block these structures. The tolyl-terpyridin-Pt(II) (Pt-ttpy) has been designed in this aim. It stabilizes and binds irreversibly to the G-quadruplex structures in vitro. We anlysed the telomeric perturbations induced by this G-quadruplex ligand (Pt-ttpy) in comparison with complexes which do not stabilize these structures (terpyridin-Pt(II) or Pt-tpy and cisplatin, an anti-tumor widely drug used in chemotherapy) and quantified the number of complexes bound to telomeres. We used two ovarian cancer cells lines, sensitive and resistant to cisplatin (A2780 and A2780-cis), and a non-cancer cell line (BJ-hTERT). Pt-ttpy and Pt-tpy inhibit cancer cell proliferation in doses at the µM range and show no cross-resistance with cisplatin. Our results, obtained by ChIP and immunofluorescence experiments, show that Pt-ttpy delocalize 50% of protein TRF2 from telomeres of cancer cells and increases the damage to telomeric DNA compared to the complexes that are not ligands of G quadruplexes, without inducing telomere shortening. Therefore, the association of a G-quadruplex ligand to a platinum atom within the same molecule allows to preferentially targeting telomeres of cancer cells compared to the platinum complex alone. However, telomeric perturbations induced by Pt-ttpy were not increased compared to the best known G-quadruplex ligands. Interestingly, and for the first time in the literature, we have shown that Pt-ttpy, Pt-tpy complexes directly target cancer cells since they bind irreversibly to them. They increase the preference of binding to telomeric DNA versus genomic DNA by a factor of 15 compared to cisplatin. This preference seems independent of the recognition of G-quadruplex structures but seems to depend on the nature of platinum complexes. On the other hand, because of the small amount of complexes bound to telomeres, their binding to telomeres cannot be at the origin, alone, of the delocalization of TRF2 from telomeres, suggesting that delocalization of telomeric TRF2 is not due to a physical impediment but rather to a biological response. Our work shows that the hybrid molecules G-quadruplex ligands-Pt (II) are an interesting strategy for targeting telomere of cancer cells. Therefore, it will be interesting to develop new complexes which would increase the preference for telomeric DNA and also the amount of platinum bound to telomeric DNA compared to Pt-ttpy

Les quadruplexes de guanines (G4) sont des structures d’ADN non-canoniques qui résultent de l’empilement hydrophobe de tétrades de guanines, stabilisé par des cations métalliques (tels que Na+ et K+). Il existe aujourd’hui un nombre croissant de preuves expérimentales qui attestent de l’implication des G4 dans d’importantes fonctions cellulaires corrélées à leur mécanisme de repliement/dépliement. Toutefois, très peu d’études ont abordé les aspects dynamiques de leur formation. Aussi, nous avons entrepris l’étude de plusieurs G4 mono-moléculaires à l’aide d’une nouvelle extension d’expériences de saut de température, capable de mesurer la dynamique de dénaturation thermique et de renaturation consécutive de l’ADN, sur une fenêtre temporelle allant de quelques millisecondes aux secondes. Les changements conformationnels ont été sondés par dichroïsme circulaire (CD) résolu en temps, connu pour être très sensible à l’arrangement des guanines dans les G4. Au préalable des études résolues en temps, en collaboration avec DISCO/SOLEIL, nous avons mesuré les spectres CD statiques de différentes séquences G4 présentant des topologies distinctes, comme celles des télomères humains, de l’aptamère de la thrombine ou des promoteurs de c-MYC. Nous avons observé des cinétiques de dénaturation et renaturation biphasiques avec des constantes de temps de quelques centaines de millisecondes et quelques secondes. Ces cinétiques dépendent fortement de l’amplitude du saut de température et de la concentration de cations métalliques. L’ensemble de ces observations suggère l’existence de plusieurs voies de repliement/dépliement des G4 sur des surfaces de potentiel très rugueuses. / Guanine-quadruplexes (G4) are non-canonical DNA structures that result from the hydrophobic stacking of guanine quartets stabilized by metal cations (typically Na+ and K+). There is now an increasing body of experimental evidence of their occurrence in important cell functions correlated to their folding/unfolding mechanisms. However, only few studies have addressed the dynamical aspect of their formation. In this context, we have undertaken the study of several intramolecular G4 with a novel extension of temperature-jump experiments capable to measure the thermal denaturation and the consecutive renaturation of DNA over a time window spanning a few ten milliseconds to seconds. Conformational changes have been monitored by time-resolved circular dichroism (CD), which is known to be sensitive to the chiral arrangement of guanines in the G4 scaffolds.Prior to time-resolved measurements, within the frame of a collaboration with DISCO/SOLEIL, we have performed static synchrotron radiation CD measurements on several short G4-forming sequences, such as human telomere, thrombin-binding aptamer and c-MYC promoter sequences, displaying distinct topologies. Denaturation and renaturation kinetics are found to exhibit biphasic decays with time constants of a few hundred milliseconds and a few seconds, respectively. Those kinetics depend strongly on the amplitude of the temperature jump and the concentration of cations. Taken together these observations suggest the existence of multiple folding pathways on extremely rugged landscapes.

G-quadruplexes (G4s) are four-stranded, non-canonical secondary DNA structures which have been shown to readily form in G-rich sequences in vitro. G4 formation can affect chromatin architecture and has been implicated in promoting genomic instability, and linked to biological processes such as transcription, replication and telomere maintenance. In this project, ChIP-seq data derived with G4-specific antibodies from mouse embryonic stem cells (mESC) are analysed and integrated with different histone 3 (H3) modification data sets.The analysis method follows a standard ChIP-seq data analysis workflow, which includes steps such as calculation of quality metrics, peak calling and downstream analyses. The results show enrichment of G-rich motifs and prevalence of G4s in functional regions such as promoter-TSSs and 5'UTRs. In addition, there is some evidence of a potential association with oncogene promoter regions and location of G4s, which would support previous findings. Furthermore, the results indicate a possible correlation between loss of histone modifications H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) and H3 lysine 27 acetylation (H3K27ac), and G4 occurence. G4s have become increasingly popular to study in recent times and may harbour potential to be targeted for cancer therapy.

Les brins d’ADN riches en guanine, comme ceux présents à l'extrémité des chromosomes humains, sont capables de s’associer entre eux pour former des structures G-quadruplexes, résultant de l’association de quatre guanines (G-tétrade). Ces structures sont actuellement l’objet d’un intérêt particulier pour le développement de nouvelles thérapies anti-cancéreuses et des applications potentielles pour l’électronique moléculaire. Il n’existe cependant que très peu d’études des propriétés photophysiques des G-quadruplexes. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l’influence de la structrure des G-quadruplexes sur leurs propriétés photophysiques au moyen de la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur une gamme temporelle allant de la centaine de femtosecondes à la centaine de nanosecondes. Nous avons examiné l’effet de la taille de structures G-quadruplexes tétramoléculaires sur leurs propriétés photophysiques. Nous avons pu montrer que le caractère collectif des états ππ* des guanines est renforcé lorsque le nombre de tétrades augmente et qu’un transfert d'énergie ultra-rapide, en moins de 100 fs a lieu entre ces états. Nous avons ensuite mis en évidence le rôle des cations métalliques situés dans la cavité centrale des quadruplexes dans le processus de désactivation des états excités. En présence de K+, l'émission provient principalement des états délocalisée ππ* des guanines, alors qu’en présence de Na+, l’émission dominée par la contribution d’états excités à caractère de transfert de charge. Enfin, nous avons abordé l'effet de la topologie, en comparant les propriétés photophysiques des G-quadruplexes tétramoléculaires avec celles de structures formées par le repliement d’un simple brin d’ADN. Les différences observées peuvent s’expliquer par la rigidité accrue des structures simple-brins et l'orientation relative différente des tétrades qui détermine la force du couplage électronique entre les bases. / Guanine rich DNA strands have the ability to form four-stranded structures (G-quadruplexes). Their repetitive unit is the G-quartet (tetrad) where each base is connected with two others via four hydrogen bonds. These structures have a crucial role in biological aspect, as targets for anti-cancer therapies, and have great potential for applications in nanotechnology. We studied the electronic excited states of G-quadruplexes using two different techniques, fluorescence up-conversion (FU) and time-correlated single photon counting (TCSPC) , which allow probing the emissive states over six decades of time (from hundred femtoseconds to hundreds of nanoseconds). At first, we examined the effect of the size of tetramolecular G-quadruplexes on their photophysical properties. We have found that the collective behavior of Franck-Condon excited states is enhanced when the number of tetrads increases. For all systems studied, the anisotropy of the G-quadruplex, on the time scale of hundreds of femtoseconds, is lower than that of non-interacting mono-nucleotides in solution. This decrease in anisotropy is associated with an ultrafast energy transfer process between the bases. Then we demonstrated that the metal cations located in the central cavity of quadruplexes also affect their photophysical properties. In the presence of K+, emission arises mainly from delocalized ππ* states (excitons), whereas in the presence of Na+, it is dominated by the contribution of charge transfer excited states. Finally, we studied the effect of conformation, comparing the properties of tetramolecular G-quadruplexes with those formed by folding a single strand (intramolecular G-quadruplexes). We have shown that the conformation of the nano-structures influences the properties of the excited Franck-Condon states as emissive states as well. These effects are attributed to different geometric arrangement of G-tetrads in tetramolecular and intramolecular quadruplexes.

Current chemotherapeutics exhibit debilitating side effects as a result of their toxicity to healthy tissues. Reducing these side effects by developing chemotherapeutics with selectivity for cancer cells is an active area of research. Phototherapy is one promising modality for selective treatment, where drug molecules are “turned on” when irradiated with light, reducing damage to healthy tissues by spatially restricting the areas exposed to irradiation. A second approach to improve selectivity is to exploit the differences in cancerous versus healthy cells, such as increased metabolism and/or upregulation of cell surface receptors. Ruthenium(II) polypyridyl complexes are candidates for phototherapy due to their highly tunable photophysical and photochemical properties. The addition of strain to the metal center is a general approach used to render complexes susceptible to light-induced ligand loss. Upon ejection of a ligand, the Ru(II) center is capable of covalently binding biomolecules within cells to produce a cytotoxic effect. The ligands surrounding the metal center are amenable to chemical modification through the incorporation of pendent functional groups as chemical “handles”, allowing for different directing molecules to be attached. Nucleic acids are important targets for drug discovery, and the development of selective probes to either visualize or selectively damage nucleic acids within the cell is an ongoing area of research. Specifically, G-rich regions are abundant in the human genome, and the presence of G-quadruplexes in telomeres and promoter regions of oncogenes make them potential therapeutic targets. Ru(II) complexes are known to bind nucleic acids, and some have been shown to induce and/or stabilize G-quadruplex Structures. Multiple series of Ru(II) compounds have been synthesized and tested to improve the functional range for Ru(II) complexes for in vivo applications, where they act as “light switches” for DNA. These molecules are “off” when in an aqueous environment but turned “on” in the presence of DNA. Several hit compounds were identified that showed selectivity for specific G-quadruplex structures.

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Les brins d'ADN riches en guanine, comme ceux présents à l'extrémité des chromosomes humains, sont capables de s'associer entre eux pour former des structures G-quadruplexes, résultant de l'association de quatre guanines (G-tétrade). Ces structures sont actuellement l'objet d'un intérêt particulier pour le développement de nouvelles thérapies anti-cancéreuses et des applications potentielles pour l'électronique moléculaire. Il n'existe cependant que très peu d'études des propriétés photophysiques des G-quadruplexes. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'influence de la structrure des G-quadruplexes sur leurs propriétés photophysiques au moyen de la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur une gamme temporelle allant de la centaine de femtosecondes à la centaine de nanosecondes. Nous avons examiné l'effet de la taille de structures G-quadruplexes tétramoléculaires sur leurs propriétés photophysiques. Nous avons pu montrer que le caractère collectif des états ππ* des guanines est renforcé lorsque le nombre de tétrades augmente et qu'un transfert d'énergie ultra-rapide, en moins de 100 fs a lieu entre ces états. Nous avons ensuite mis en évidence le rôle des cations métalliques situés dans la cavité centrale des quadruplexes dans le processus de désactivation des états excités. En présence de K+, l'émission provient principalement des états délocalisée ππ* des guanines, alors qu'en présence de Na+, l'émission dominée par la contribution d'états excités à caractère de transfert de charge. Enfin, nous avons abordé l'effet de la topologie, en comparant les propriétés photophysiques des G-quadruplexes tétramoléculaires avec celles de structures formées par le repliement d'un simple brin d'ADN. Les différences observées peuvent s'expliquer par la rigidité accrue des structures simple-brins et l'orientation relative différente des tétrades qui détermine la force du couplage électronique entre les bases.