Les G-quadruplexes sont des structures non-canoniques fascinantes de l’ADN et/ou de l’ARN qui surviennent dans les régions riches en Guanines. La surreprésentation de ces structures dans des régions spécifiques comme les promoteurs des oncogènes et les télomères, suggère leur intervention dans les processus cellulaires clés comme la transcription, la réplication ou bien la maturation de l’ARN. De nouveaux outils in silico, in vitro et in cellulo pour la prédiction des G-quadruplexes ont été proposés, reflétant la pertinence croissante de ces structures. Des cibles potentielles de G-quadruplexes ont été décrites dans le génome humain, chez la levure, des bactéries, virus et bien d’autres. Cependant, un des problèmes dans l’étude des G4s dans le génome humain est le grand nombre de séquences susceptibles de former des structures G4s (370,000 PQS selon Quadparser et plus d’un million en utilisant un seuil de 1.5 selon G4Hunter). Il est alors presque impossible de déconvoluer les effets biologiques reliés aux G-quadruplexes dans les cellules humaines. Pour cela, nous avons choisi Dictyostelium discoideum – dont le génome est pauvre en G4s - comme modèle eucaryote pour compléter les études sur le génome humain. Avec une analyse in silico du génome de dicty en utilisant G4Hunter, un algorithme développé dans notre laboratoire, nous avons pu détecter entre 249 (seuil=2) et 1055 (seuil=1.5) séquences pouvant adopter une structure G4. D’une façon intéressante, bien que les promoteurs soient plus pauvres encore en GC que le reste du génome de dicty, la densité des G4s dans ces régions est significativement plus haute. En utilisant une combinaison de différentes méthodes biophysiques et biochimiques, nous avons démontré que parmi les séquences prédites, 14 séquences qui sont présentes dans des gènes susceptibles de jouer des rôles importants dans dicty forment des structures G4 stables. En plus, cinq gènes de dicty contenant des séquences G4s dans leurs promoteurs ont été étudiés pour l’effet d’un nouveau ligand G4 dérivé de Porphyrine sur leur expression. Nous avons démontré que ce nouveau ligand inhibe l’expression de ces gènes significativement. Globalement, nos résultats constituent le premier pas dans le but d’adopter Dictyostelium discoideum comme un nouveau modèle pour l’étude des G-quadruplexes. / G-quadruplexes (G4) are fascinating non-canonical DNA/RNA secondary structures that occur in genomic Guanine-rich regions. The over-representation of such structures in specific regions such as promoters of oncogenes and telomeres, suggests their involvement in key processes such as transcription, replication or RNA maturation. The development of in silico, in vitro and in cellulo tools for G4 prediction is emerging, reflecting the increasing relevance of these structures. Putative G4 forming sequences (PQS) have been reported in Homo sapiens, yeast, bacteria, viruses and many others. However, one of the problems in studying G4 structures in the human genome is indeed the high number of putative G4 forming sequences (370,000 PQS according to Quadparser and over 1 million when using a threshold of 1.5 with G4Hunter). It is therefore difficult to deconvolute G4-related biological effects in human cells. For this, we chose Dictyostelium discoideum - a G4 poor genome - as a eukaryotic model to complement the human studies. By an in silico analysis of dicty genome with G4Hunter a home-made algorithm, we detected 249 (threshold=2) to 1055 (threshold=1.5) G4-prone motifs. Interestingly, despite an even lower GC content in comparison to the whole dicty genome, the density of G4 motifs in dicty promoters is significantly higher than in the rest of the genome. By using a combination of different biophysical and biochemical methods, we demonstrated that 14 dicty sequences located in key genes fold into stable G4 structures. In addition, five dicty genes containing G4-prone motifs in their promoters were studied for the effect of a new Porphyrin derivative on their expression. Our results demonstrated that the new ligand decreased the expression of the several dicty genes significantly. Overall, our results constitute the first step to adopt Dictyostelium discoideum as a model for G4 studies.

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Formés à partir de brins d’ADN ou d’ARN riches en guanines, les quadruplexes résultent de l’empilement de tétrades de guanines constituées chacune par l’auto-assemblage dans un même plan de quatre guanines, stabilisées entre elles par un réseau de liaisons hydrogènes. En s’inspirant de cet édifice naturel, il est présenté au long de ce manuscrit de thèse la synthèse et l’étude de molécules de type TASQ (pour template-assembled synthetic G-quartet) hydrosolubles capables de former de manière intramoléculaire une tétrade de guanines synthétique : les DOTASQ, le PorphySQ et le PNADOTASQ. La première application développée pour ces composés est le ciblage des quadruplexes d’ADN et d’ARN, présents dans des régions clefs du génome (télomères, promoteurs d’oncogènes) et du transcriptome (5’-UTR et TERRA), et dont la stabilisation par un ligand pourrait ouvrir de nouvelles perspectives en terme de thérapie antitumorale ciblée. Les résultats in vitro sont présentés et permettent de démontrer que les TASQ hydrosolubles développés sont des composés offrant une bonne sélectivité pour les quadruplexes mais surtout une excellente sélectivité grâce à un mode d’action bioinspiré basé sur une reconnaissance biomimétique. La seconde application mise au point est l’utilisation des TASQ comme catalyseurs pour des réactions de peroxydation : leur architecture même leur permet de mimer l’activité catalytique de l’ADN (ou DNAzyme) ainsi que celle de protéines (enzyme) comme la horseradish peroxidase. Ce processus est dépendant de la formation intramoléculaire de la tétrade de guanines synthétique et ouvre de nombreuses perspectives en terme d’utilisation en biologie ainsi qu’en nanotechnologie. / Natural G-quartets, a cyclic and coplanar array of four guanine residues held together via Hoogsteen H-bond network, have recently received much attention due to their involvement in G-quadruplex-DNA, an alternative higher-order DNA structure strongly suspected to play important roles in key cellular events (chromosomal stability, regulation of gene expression). Besides this, synthetic G-quartets, which artificially mimic native G-quartets, have also been widely studied for their involvement in nanotechnological applications (i.e. nanowires, artificial ion channels, etc.). In contrast, intramolecular synthetic G-quartets, also named template-assembled synthetic G-quartet (TASQ), have been more sparingly investigated, despite a technological potential just as interesting.In this way, we designed and synthesized three series of innovative hydrosoluble TASQ: DOTASQ (for DOTA-Templated Synthetic G-Quartet), PorphySQ (containing a porphyrin template) and the most effective PNADOTASQ where PNA-guanine arms replace native DOTASQ alkyl-guanine arms. We report herein the results of both DNA and RNA interactions (notably their selective recognition of quadruplex-DNA according to a bioinspired process) and peroxidase-like hemin-mediated catalytic activities (either in an autonomous fashion as precatalysts for TASQzyme reactions, or in conjunction with quadruplex-DNA as enhancing agents for DNAzyme processes). These results provide a solid scientific basis for TASQ to be used as multitasking tools for bionanotechnological applications.