Les DD-peptidases sont des enzymes impliquées dans la synthèse de la paroi bactérienne. Elles sont aussi appelées "Penicillin Binding Proteins" (PBPs) car elles forment des acyl-enzymes stables avec des antibiotiques de type beta-lactames comme la pénicilline, la stabilité de ces complexes étant à l'origine de l'effet antibiotique. Certaines bactéries sont résistantes aux b-lactames grâce à la production de beta-lactamases, capables d'hydrolyser ces antibiotiques jusqu'à 10E8 fois plus rapidement que les PBPs selon un mécanisme impliquant deux étapes, d'acylation puis de désacylation. Il est généralement accepté que les beta-lactamases ont évolué à partir d'une PBP ancestrale en intégrant au site actif un mécanisme catalytique efficace pour la réaction de déacylation. L'objectif de cette thèse s'inscrit dans la compréhension des mécanismes d'évolution de la catalyse enzymatique au niveau moléculaire. Nous tenterons de reproduire un mécanisme évolutif en créant in vitro une activité b-lactamase à partir d'une DD-peptidase. La protéine de départ pour ce travail est la PBP-A de Thermosynechococcus elongatus, appartenant à une nouvelle famille de PBPs homologue aux beta-lactamases de classe A. L'analyse biochimique de cette protéine suggère que c'est une DD-peptidase, et une approche rationnelle par substitution d'un résidu dans le site actif de PBP-A a permis d'augmenter la vitesse de désacylation de l'acyl-enzyme formé avec la pénicilline d'un facteur 90. L'analyse des structures 3-D de PBP-A sauvage et mutante laisse ouverte la question de savoir comment évoluer cette PBP en beta-lactamase. Ainsi, pour l'évolution dirigée de cette protéine, deux banques ont été construites par approches aléatoire et semi-rationnelle. Il a été possible de sélectionner par "phage display" des enzymes améliorées pour la réaction d'acylation. L'obtention de mutants améliorés pour l'acylation ou la désacylation constitue des premiers pas vers l'évolution de PBP-A en beta-lactamase.

Une approche prometteuse contre le cancer est le ciblage d’antigènes associés aux tumeurs par des ligands spécifiques couplés à des nanoparticules transportant des agents thérapeutiques ou d’imagerie. Les anticorps sont les molécules de ciblage les plus utilisées, mais présentent des limitations en termes de coûts de production élevés, de complexité structurale et de stabilité limitée. Les Affitins sont des protéines d'affinité hautement stables, dérivées à l'origine de Sac7d, un polypeptide d’archée de la famille de liaison à l'ADN de 7 kDa (Sul7d). Les Affitins montrent une affinité et une spécificité comparables à celles des anticorps, tout en étant thermiquement et chimiquement plus stable, moins coûteuses à produire, plus faciles à remodeler avec une taille 20 fois plus petite. Les nanocapsules lipidiques (LNC) possèdent une grande stabilité et une efficacité élevée pour l'encapsulation des médicaments lipophiles et les protègent de la dégradation rapide. Le ciblage de cellules cancéreuses par des LNC peut réduire de plus la concentration de médicament dans les tissus normaux et réduire la toxicité. Le but du projet est de combiner les avantages des Affitins et des LNC pour amener les médicaments anticancéreux vers les cellules cancéreuses. Le premier objectif a été d'identifier et de caractériser un membre plus court, mais toujours très stable, de la famille Sul7d pour encore améliorer la base moléculaire des Affitins, puis de générer des Affitins qui reconnaissant le biomarqueur EpCAM associé aux cellules tumorales. Le deuxième objectif a été d'attacher les nouvelles Affitins comme ligands d'affinité aux LNC et d'évaluer le ciblage de la tumeur par ces complexes. / A progressive strategy against cancer is the targeting of tumour-associated antigens by specific ligands coupled to nanoparticles, carrying therapeutic or imaging agents. Antibodies are the most widely used targeting molecules, but they possess limitations as high production costs, complex structure and limited stability. Affitins are highly stable engineered affinity proteins, derived originally from Sac7d, an archaeal polypeptide from the 7 kDa DNA-binding family (also known as Sul7d family). These binders show comparable affinity and specificity to those of antibodies, while being thermally and chemically more stable, cheaper to produce, easier to engineer and present a simpler structure and 20-fold smaller size. Lipid nanocapsules (LNCs), prepared by solvent free process, possess great stability and high efficiency for lipophilic drugs encapsulation and protect the drug from rapid degradation. Targeting drug-LNC to cancer cells can further decrease drug concentration in normal tissues and lower the toxicity. The aim of the project is to combine the advantages of Affitins as targeting agents and LNCs as carriers in order to create vehicles for delivering payloads to cancer cells. The first goal of this work was to identify and characterize a shorter member, but still very stable, of the Sul7d family in order to further improve the affinity scaffold, and then to use it for the generation of Affitins, recognizing the tumour-associated Epithelial Cell Adhesion Molecule. The last goal was to attach the new binders as affinity moieties to LNCs and to assess the tumour targeting of these complexes.

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

La promiscuité des enzymes joue un rôle primordial pour l’évolution des protéines et la divergence des fonctions catalytiques. Comprendre les déterminants moléculaires qui régissent cette promiscuité enzymatique représente un enjeu scientifique majeur pour identifier les trajectoires évolutives pouvant entrainer l’émergence de nouvelles fonctions. L’objectif de cette thèse a consisté d’une part à sonder la promiscuité catalytique de l’amylosaccharase de Neisseria polysaccharea, une transglucosidase d’intérêt biotechnologique majeur, dans le but d’identifier des substrats alternatifs et d’autre part à étendre ses capacités naturelles par des techniques d’évolution moléculaire. Une trentaine de molécules ont été testées et ont permis de mettre en évidence la forte spécificité de l’enzyme pour son substrat donneur ainsi que sa large promiscuité vers les substrats accepteurs. Le rôle des résidus impliqués dans la reconnaissance des substrats a par la suite été considéré au travers d’une stratégie rationnelle basée sur des prévisions de stabilité thermodynamique. Deux histidines (H187 et H392), ont ainsi été ciblées par mutagénèse à saturation. La stabilité de ces mutants a été étudiée ainsi que ainsi que leur activité envers différents substrats. Des enzymes à la stabilité améliorée ou montrant des changements de spécificité de produits ont ainsi été identifiées. Afin d’étudier plus amplement la promiscuité de cette amylosaccharase, une deuxième stratégie d’ingénierie a été menée pour mimer in vitro les mécanismes moléculaires de la dérive génétique neutre. Ce phénomène dit de “Neutral-Drift” a préalablement été décrit comme un facteur impliqué dans les changements de promiscuité catalytique. Quatre cycles de mutagénèse ont ainsi été réalisés et 440 clones ont été sélectionnés pour avoir conservé leur fonction originelle (i.e. leur activité sur saccharose). Des variants aux propriétés catalytiques améliorées envers des substrats alternatifs ont été caractérisés et des groupes de positions corrélées ont été identifiés. L’effet des mutations neutres sur la thermostabilité a également été étudié. Enfin, de façon remarquable, une nouvelle activité envers un substrat non reconnu par l’enzyme native, le méthyl-α-L-rhamnopyranoside, a été détectée. Ce variant possédant quatre substitutions a été caractérisé et la résolution de sa structure tridimensionnelle par cristallographie aux rayons-X permettra d’approfondir les relations unissant séquence, structure et activité de l’enzyme / Investigation of substrate promiscuity is of prime interest to understand the way enzymes evolve. Understanding the molecular determinants involved in substrate promiscuity is challenging to determine the evolutionary trajectories that lead to the emergence of catalytic functions and to take further advantage of their evolvability to develop original biocatalysts. The objective of this thesis aimed to investigate the substrate promiscuity of the amylosucrase from Neisseria polysaccharea, a transglucosidase of prime biotechnological interest, to identify alternative donor and acceptor molecules and further extend its catalytic properties through enzyme engineering. About thirty molecules were assayed and the strong specificity for the natural donor sucrose was emphasized, as well as the broad acceptor promiscuity. The rational engineering of active site residues responsible for substrate recognition was undertaken through thermodynamic stability predictions. Two residues, namely H187 and H392, were rationally targeted for site-directed mutagenesis. The stability of these variants was investigated as well as their activity toward both natural and promiscuous substrates. Variants with enhanced stability or altered product distribution were identified. These results highlighted that mutations responsible for stability changes may also lead to substrate promiscuity or product specificity changes. To further investigate the promiscuity of amylosucrase, we considered another engineering strategy to mimic in vitro the neutral enzyme evolution. Neutral genetic drift was previously shown to be related to promiscuity changes. On this basis, four repeated round of mutagenesis were performed and 440 clones were selected because they maintained the protein original function (i.e. the activity on sucrose). Variants with enhanced properties towards promiscuous donors and acceptors were characterized and clusters of correlated amino acid substitutions were identified. The impact of neutral mutations on thermodynamic stability was also discussed. Remarkably, a totally new activity towards methyl-α-L-rhamnopyranoside, an acceptor not recognized by the parental wild-type enzyme, was detected. The variant harboring four amino acid substitutions was characterized and the determination of its three-dimensional structure by X-ray crystallography will be useful to further investigate the structure-sequence-activity relationships of this enzyme

Les lipases/acyltransférases homologues à CpLIP2 de Candida parapsilosis forment un groupe phylogénétique marqué (au moins 56% d’identité entre les séquences protéiques) . Elles partagent le phénotype d’une activité significative d’acyltransfert, et ce, même dans un milieu aqueux avec une forte activité thermodynamique de l’eau (aW > 0.95), mais diffèrent dans leurs spécificités de substrats. L’identification et la caractérisation de nouvelles lipases/acyltransférases, CalLAc8 et CalLAc5 de Candida albicans et CduLAc de Candida dublininensis, ont apporté de nouveaux éclaircissements sur les relations structure/fonction au sein de cette famille particulière. Dans un premier temps, une définition claire et une méthodologie simple pour évaluer la capacité des enzymes lipolytiques à catalyser l’acyltransfert ont été élaborées. Puis, une stratégie d’ingénierie des protéines, basée sur une analyse comparative des structures 3D et de la mutagénèse dirigée, a été appliquée dans le but d’identifier les déterminants structuraux impliqués dans l’activité d’acyltransfert et la spécificité de substrat des lipases/acyltransférases. Il a été démontré que le caractère hydrophobe d’une cavité située sous le site actif était déterminant pour l’activité de transfert en favorisant les nucléophiles moins polaires que l’eau dans l’étape de désacylation du mécanisme catalytique. Ainsi, des mutants améliorés de plusieurs enzymes sauvages ont pu être élaborés. En parallèle, des enzymes chimériques ont été construites sur la base d’échanges rationnels de sous-domaines (corps principal, chapeau et volet C-terminal). Leur caractérisation a confirmé le rôle du chapeau dans la spécificité de substrat et le rôle principal de « l’acyltransfer pocket » dans la capacité d’acyltransfert. Une potentielle protéine ancestrale de la famille PaleoLAc a également été conçue pour trouver de nouveaux résidus clés et donner un aperçu de l’histoire évolutive de la spécificité de substrats. / Lipases/acyltransferases homologous to CpLIP2 from Candida parapsilosis constitute a consistent phylogenetic subgroup with at least 56% identity. They share the phenotype of a significant acyltransfer activity, even in aqueous media with a high thermodynamic activity of water (aW > 0.95), but are divergent in their substrate specificities. The identification and the characterization of new lipases/acyltransferases, CalLAc8 and CalLAc5 from Candida albicans and CduLAc from Candida dublininensis, brought new enlightenments to the structure/function relationships in this peculiar family. After the elaboration of a clear definition and a simple methodology to assess the acyltransferase character of lipolytic enzymes, a rational design strategy, based on comparative 3D structure analysis and site-directed mutagenesis, was applied to find structural determinants of the acyltransfer ability and the substrate specificities of lipases/acyltransferases. It was evidenced that the hydrophobicity of a cavity located under the active site was determinant for the acyltransfer activity. This allowed the improvement of the acyltransfer activity of several natural enzymes. In parallel, chimeric enzymes with rational exchanges of protein subdomains (main core, cap and C-term flap) were designed, and their characterization confirmed the role of the cap in the substrates specificity and the main role of the acyltransfer pocket in the acyltransfer ability. A putative ancestral protein of the family PaleoLAc was also designed to find new key residues and to give insights on the evolutionary history of the substrate specificities.

Par l'accumulation de mutations bénéfiques lors de cycles successifs de mutagénèse, l'évolution dirigée offre un cadre rationnel pour l'amélioration des protéines à vocation industrielle. Elle permet une exploration large de l'espace possible des séquences ainsi que leurs capacités fonctionnelles. Elle est cependant lourde à mettre en oeuvre et nécessite des moyens importants. Des approches in silico font usage d'un jeu minimal de données expérimentales et utilisent la modélisation statistique combinée à des algorithmes d'apprentissage machine. Elles ont été développées pour explorer de façon heuristique l'espace possible des séquences et de la fitness et d'identifier les mutations et interactions entre résidus les plus intéressantes. C'est l'objet de cette thèse qui explore la construction et l'application de modèles statistiques s'appuyant sur des jeux minimaux de données expérimentales pour relier fitness, ou activité, à la séquence biologique des variants. L'étude s'articule autour d'un choix crucial d'une méthode de numérisation, de descripteurs de la séquence et de méthodes de régression. La méthode ProSAR de R. Fox (2005) et les limites de son applicabilité sur des jeux de données expérimentales ont été étudiées. De nouvelles méthodes ont aussi été développées, prenant en compte les propriétés physico-chimiques des acides aminés et leurs périodicités. Elle a permis de découvrir de nouveaux descripteurs reliant la séquence à l'activité et propose des approches innovantes qui ont la capacité de traiter des cadres biologiques très divers, même lorsque peu de données biologiques sont disponibles. / Via the accumulation of beneficial mutations through successive rounds of mutations, directed evolution offers a rational framework for the amelioration of protein of industrial interest. It enables the large exploration of the sequence space and fitness. However, they are wet-lab intensive and may reveal to be time consuming and costly. In silico approaches using minimal sets of experimental data and statistical models combined with machine learning algorithms have been developed to explore heuristically the sequence space and to identify the effect of the potential epistatic interactions between residues on protein fitness. This work focused on the construction and application of statistical models relying on minimal experimental datasets to study protein sequence to activity relationships (ProSAR). In particular, the choices of appropriate numerical encoding methods, of descriptors extracted from protein sequences and of regression methods were investigated. The original ProSAR method from R. Fox (2005) and the limits of its applicability on experimental datasets have been studied. New methods that consider physico-chemical features of amino acids and their periodicities have been explored. This study unveils novel descriptors of the sequence-activity relationship and provides innovative approaches that can deal with very diverse biological datasets, even when few biological data are available.

Les immunoglobulines ne sont pas les seules protéines capables de reconnaissance spécifique. D’autres systèmes d’immunité adaptative existent et beaucoup d’autres protéines peuvent aussi générer des interactions spécifiques de hautes affinités. Ce sont des ossatures/squelettes protéiques intéressants pour concevoir de nouveaux interacteurs.Une nouvelle famille de protéines synthétiques, appelées AlphaReps, basée sur la famille des protéines à HEAT repeat contenant un motif structural répété en double hélice alpha, a été construite au laboratoire. Le motif répété, d’abord identifié chez une archée thermostable, a été idéalisé en concevant une séquence consensus, grâce à l’alignement de séquences de motifs naturels. Une banque de protéines a alors été construite à partir de ce motif. Toutes les protéines de la banque ont une structure générale similaire mais elles diffèrent par le nombre de motifs insérés et par les cinq résidus hautement diversifiés situés sur la face externe de la seconde hélice de chacun des motifs. Ces nouvelles protéines sont exprimées très efficacement chez E. Coli, solubles, sans pont disulfure et très stables (50-100 mg. L-1 de culture, Tm > 70°C).Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit s’intéresse à l’utilisation de ces nouvelles protéines synthétiques comme outils de reconnaissance moléculaire. Pour cela, plusieurs applications ont été développées. Dans la première partie, à l’aide de la technique du phage display, des interacteurs de hautes affinités pour la Green Fluorescent Protein ont pu être isolés au sein de la banque. Les interactions des protéines partenaires ont été caractérisées par la détermination des constantes d’affinité, ainsi que la résolution des structures cristallographiques de deux complexes contenant une AlphaRep spécifique et la GFP. Avec cette cible modèle, la possibilité d’utiliser les AlphaReps sélectionnées à l’intérieur des cellules eucaryotes vivantes pour reconnaître spécifiquement une cible protéique dans un milieu complexe a aussi été démontrée. L’utilisation des AlphaReps comme outils de diagnostique a été développée pour la détection de la cible membranaire FSHr (récepteur de l’hormone folliculo-stimulante), protéine surexprimée dans de nombreuses tumeurs. Ce projet a permis d’expérimenter des approches de sélections sur cellules entières, soulignant les progrès restant encore à accomplir pour la sélection contre des cibles plus complexes.La seconde partie de ce travail s’est intéressée à l’ingénierie et à l’évolution des AlphaReps. Ainsi, l’insertion de résidus variables sur le dernier motif (C-cap) de protéines de la banque a pu être validé. Une approche innovante de shuffling modulaire, adaptée à l’ossature AlphaRep a permis de cerner les limites de cette méthode et les améliorations à apporter pour être en mesure d’augmenter l’affinité d’interacteurs présélectionnés. La banque d’AlphaReps de phage display a également été transférée dans un vecteur de PCA (Protein Fragment Complementation Assay) utilisant la protéine scindée DHFR (Dihydrofolate Reductase) comme protéine rapportrice. Cela a permis de sélectionner des AlphaReps spécifiques pour des cibles non exploitables en phage display. L’utilisation de la cis-fusion entre une AlphaRep et sa cible, combinée à la technique de PCA, s’est révélée très efficace pour la sélection et la cristallisation de protéines réfractaires telles que la protéine ComD, ici présentée comme preuve de la réussite de cette approche.Les AlphaReps sont donc des protéines artificielles, parmi lesquelles des interacteurs spécifiques peuvent être isolés pour des cibles variées. Un large panel d’applications peut être envisagé comme le développement d’outils d’aide à la cristallogenèse ou celui d’outils de reconnaissance moléculaire in vivo. / Immunoglobulin fold is not the only basis for specific recognition proteins. Other adaptive immunity systems exist and many other proteins are also able to mediate specific high-affinity interactions. These are interesting scaffolds to generate alternative binding molecules.A new family of artificial proteins, named AlphaRep, based on HEAT repeat proteins containing an alpha-helical repeated motif, was designed in the laboratory. The repeated motif, first identified in a thermostable archae protein of unknown function was refined and idealized using a consensus design strategy. A library of artificial proteins based on this design was then constructed. All proteins from this library share the same general fold but differ both in the number of repeats and in a set of five highly randomized positions per repeat. The randomized side chains are located on the outside surface of the second helix. Sequences from this library are efficiently expressed as soluble, folded and very stable proteins (50-100 mg. L-1 of culture, Tm > 70°C).The work presented in this manuscript is focused on the use of those new synthetic proteins as molecular recognition tools. Then, different applications have been developed.In a first part, binders with high affinity for the green fluorescent protein were selected by phage display. Complexes were characterized. Affinity between partners was measured and structures of two of those complexes containing a specific AlphaRep and the protein target were solved by X-ray crystallography. Thanks to this model target, it was demonstrated that AlphaReps could be used in living cells for the specific recognition of the protein they have been selected for. AlphaReps have also been developed as a diagnostic tool to detect the membrane protein FSHr (Follicle stimulating Hormone receptor), shown to be overexpressed in various tumors. In this project, selections on entire cells have been performed, showing the limit of the selections approaches with complex targets.The second part of this work focused on engineering and evolutions of AlphaRep proteins. The insertion of randomized residues at specific positions in the last motif (C-cap) was validated. An innovative approach of modular shuffling, adjusted to the AlphaRep scaffold, was assessed. Limitations of this approach to perform affinity maturation of AlphaReps could then be understood. Finally, the AlphaRep Library was transferred to a PCA (Protein Fragment Complementation Assay) vector using the split DHFR (Dihydrofolate Reductase) as reporter protein. With this new selection system, specific Alphareps could be selected for protein targets not suitable for phage display selection. A cis-fusion strategy was employed to express the AlphaRep fused to its partner in order to increase the stability and solubility of the target as well as helping for its crystallogenesis. This approach, combined with the PCA selection, was successful to obtain crystals of the ComD protein (unstable protein), shown here as an example of success for this new method.AlphaReps are thus artificial proteins, among which specific binders can be isolated for various targets, showing a strong potential for a large range of applications from crystallogenesis helpers to in vivo molecular recognition tools.

Le but du projet est de mettre au point de nouveaux outils enzymatiques permettant la production de chitinoligosaccharides de taille et de degré d'acétylation parfaitement contrôlés pour l'étude d'enzymes impliquées dans la biosynthèse, la biodégradation et la modification de la chitine, et pour l'étude de récepteurs protéiques d'origine animale ou végétale. Des études récentes ont montré que les oligomères de la chitine et leurs dérivés sont des molécules qui interviennent dans les phénomènes symbiotiques et de reconnaissance hôte-pathogène dans le règne végétal. Ces molécules sont utilisées en agrochimie comme biofertilisants, et potentiellement en phytosanitaire. Ils sont connus également pour posséder de nombreuses activités biologiques dans le domaine de la santé (effets antimicrobiens, anticancéreux, anti-inflammatoires, immunostimulants...). Si les activités de cette classe d'oligosaccharides sont parfaitement reconnues, leurs modes d'actions restent encore à éclaircir, ce qui nécessite de disposer de molécules pures aux structures chimiques parfaitement contrôlées. La production d'oligomères de la chitine nécessite traditionnellement la mise en œuvre d'une chimie fastidieuse, qui peut être facilitée par une approche chimio-enzymatique.Dans le cadre de cette thèse, nous souhaitons donc développer des outils enzymatiques permettant la synthèse d'une bibliothèque de molécules de taille et de degré d'acétylation contrôlés en vue d'études structure-activité biologique. Pour cela, nous chercherons à produire des N-désacétylases et des chitinases dans différents systèmes d'expression et à caractériser leur activité afin de générer une panoplie de molécules de structure moléculaire parfaitement définie à partir de fragments saccharidiques issus de la biomasse. Les molécules ainsi préparées pourront ensuite être modifiées de façon chimio-sélective afin d'obtenir des sondes photoactivables et/ou biotinylées pour la caractérisation de récepteurs, des substrats fluoro- ou chromogéniques pour le dosage spécifique d'activités enzymatiques ou encore des lipochitinoligosaccharides capables de favoriser la croissance des plantes. Les approches utilisées pour mener à bien ce projet pluridisciplinaire seront : l'ingénierie et la production de protéines recombinantes, la caractérisation biochimique d'activités enzymatiques ainsi que la synthèse chimio-enzymatique et la modification chimique d'oligosaccharides qui devront être caractérisés d'un point de vue physicochimique. Il s'agit d'un projet intégré dans une collaboration nationale financée par l'ANR réunissant des équipes de l'Université de Grenoble, de Lyon, d'Orsay, et l'entreprise Bayer CropScience. / The aim of the project is to develop new tools for enzymatic production of chitooligosaccharides size and degree of acetylation perfectly controlled for the study of enzymes involved in biosynthesis, biodegradation and modification of chitin and for the study of protein receptors of animal or vegetable origin. Recent studies have shown that oligomers of chitin and its derivatives are molecules involved in the phenomena of symbiotic and host-pathogen recognition in plants. These molecules are used as agrochemicals biofertilizers. They are also known to possess numerous biological activities in the field of health (anti-microbial, anti-cancer, anti-inflammatory, immunostimulant ...). If the activities of this class of oligosaccharides are well recognized, their modes of action remain to be clarified, which requires having pure molecules with chemical structures perfectly controlled. The production of chitin oligomers traditionally requires the implementation of a tedious chemistry, which can be facilitated by a chemoenzymatic approach.As part of this thesis, we want to develop enzymatic tools for the synthesis of a library of molecules of size and degree of acetylation controlled studies for structure-biological activity. For this, we will seek to produce N-deacetylase and chitinases in different expression systems and characterize their activity to generate a variety of molecules well-defined molecular structure from saccharide fragments derived from biomass. The molecules thus prepared can then be modified so as to achieve chemoselective photoactivatable probes and / or biotinylated for the characterization of receptors, substrates or fluoro-chromogenic assay for specific enzyme activities or lipo-chitooligosaccharides can promote plant growth. The approaches used to complete this multidisciplinary project are: engineering and production of recombinant proteins, the biochemical characterization of enzymatic activities and chemoenzymatic synthesis and chemical modification of oligosaccharides to be characterized from the point of physicochemical view. This is an integrated project in a national collaboration funded by the ANR with teams from the University of Grenoble, Lyon, Orsay, and Bayer CropScience.

La formation de nouveaux vaisseaux sanguins ou angiogenèse soutient la croissance tumorale en fournissant l'oxygène et les nutriments qui lui sont nécessaires. Le rôle clé du facteur de croissance de l'endothélium vasculaire VEGF dans ce processus a suscité le développement de stratégies anti-angiogéniques pour le traitement du cancer. Cependant, des travaux précliniques et des données cliniques suggèrent l'émergence de résistances aux anti-angiogéniques, en raison notamment de la redondance des facteurs de croissance pro-angiogéniques. Il est donc nécessaire de développer des stratégies alternatives plus efficaces. En 2010, notre laboratoire a apporté la preuve de concept d'une thérapie anti-tumorale et anti-angiogénique innovante basée la dégradation des ARNm à demi-vie courte par la protéine à doigts de zinc TIS11b. Néanmoins, l'instabilité de la protéine thérapeutique a entravé la caractérisation plus détaillée de cette stratégie. Dans ce contexte, l'objectif majeur de ma thèse était l'optimisation de la stabilité et de l'activité de TIS11b et l'évaluation de son efficacité thérapeutique. Pour cela, nous avons généré une nouvelle protéine TIS11b génétiquement modifiée sur la base d'études biochimiques et moléculaires. Notamment, nous avons observé que la phosphorylation de la sérine 334 située dans le domaine C-terminal de TIS11b augmente de façon très significative la stabilité de la protéine et potentialise son activité déstabilisatrice de l'ARNm du VEGF. De plus, la délétion du domaine N-terminal augmente également la stabilité de TIS11b sans altérer son activité. Nous avons alors généré deux nouvelles protéines thérapeutiques, la protéine ZnC et la protéine ZnC334D pour laquelle la troncation du domaine N-terminal et la substitution de la sérine S334 par un aspartate mimant une phosphorylation ont été combinées. Les nouvelles protéines ont été fusionnées à une étiquette polyarginine R9 leur permettant de traverser les membranes cellulaires (R9-ZnC et R9-ZnCS334D). Nous avons montré que R9-ZnC et R9-ZnCS334D inhibent l'expression de VEGF in vitro dans la lignée de cancer du sein murin 4T1. De plus, R9-ZnCS334D exerce une activité anti-proliférative, anti-migratoire et anti-invasive dans ces cellules. In vivo, l'injection intra-tumorale de R9-ZnCS334D dans des tumeurs 4T1 préétablies inhibe significativement l'expression du VEGF, la croissance et la vascularisation tumorales. De façon remarquable, l'analyse des extraits tumoraux indique que le traitement diminue l'expression de chimiokines clés dans les processus d'angiogenèse, d'inflammation et d'invasion (Fractalkine, MCP-1, NOV, SDF-1, Pentraxin…). Enfin, R9-ZnC et R9-ZnCS334D inhibent l'expression de marqueurs de la transition épithélio-mésenchymateuse, un processus impliqué dans la dissémination métastatique. L'ensemble de ces travaux indique que R9-ZnC et R9-ZnCS334D sont des molécules anti-tumorales multi-cibles, qui inhibent plusieurs étapes clés de la progression tumorale. Cette étude confirme que le ciblage de la stabilité des ARNm est une stratégie prometteuse et novatrice pour le développement de nouvelles thérapies anti-cancéreuses. / One of the innovative aspects of anti-cancer therapies is the possibility of preventing tumor growth by blocking blood supply. Cancer cells induce the formation of their own blood vessels from pre-existing vasculature, a process called angiogenesis. One of the most important proangiogenic factors is vascular endothelial growth factor (VEGF). The success of bevacizumab (a humanized anti-VEGF monoclonal antibody) combined to chemotherapy for the treatment of human metastatic cancers has validated VEGF as an efficient target. However, despite the initial enthusiasm, resistance to these anti-angiogenic treatments resulting from compensatory mechanisms occurs upon time. For this reason, there is a real need for new anti-angiogenic drugs that will target the angiogenic process through distinct mechanisms. In 2010, our laboratory has successfully developed an anti-angiogenic and anti-tumoral therapy based on destabilization of short-lived mRNAs by the zinc finger protein TIS11b. However, the therapeutic protein was highly unstable, thus making it difficult to further characterize the experimental therapy. In this context, the main task of my thesis was the optimization of TIS11b stability and activity followed by the evaluation of the multi-target action of our novel protein on tumor development. In a first part of this work, biochemical and molecular approaches allowed us to demonstrate that phosphorylation of the C-terminal serine S334 in TIS11b protein markedly increases its stability. In addition, deletion of the N-terminal domain of TIS11b highly increases its protein stability without affecting its activity. Therefore, we integrated N-terminal truncation (ZnC) and C-terminal substitution of S334 by an aspartate to mimic a permanent phosphorylation at S334 (ZnCS334D) as a novel TIS11b engineering strategy. Both proteins were fused subsequently to a cell-penetrating peptide polyarginine (R9). In vitro studies revealed that R9-ZnC and R9-ZnCS334D inhibit VEGF expression in the murine breast cancer cells 4T1. In addition, R9-ZnCS334D impaired proliferation, migration, invasion and anchorage-independent growth of 4T1 cells. In vivo, intra-tumoral injection of either protein significantly reduced VEGF expression and tumor vascularization. Strikingly, antibody array analyses of tumor extracts demonstrated a reduced expression of several chemokines such as Fractalkine, MCP-1, NOV, SDF-1 and Pentraxin upon R9-ZnC or R9-ZnCS334D treatment. These factors, which are produced by several cell types within tumor tissue, are key drivers of tumor angiogenesis, tumor-promoting inflammation and invasion. Furthermore, the expression of markers of the epithelial-to-mesenchymal transition was also significantly reduced, suggesting an anti-metastatic effect of R9-ZnC and R9-ZnCS334D. Thus, we provide R9-ZnC and R9-ZnCS334D as potential novel multi-target agents which inhibit key hallmarks of cancer progression. This work supports the emerging link between mRNA stability and cancer and proposes novel concepts for the development of innovative anti-cancer therapies.

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