Phage display technology has emerged as the dominant approach in antibody engineering. Here I describe my work in developing a high-throughput method of reliably generating intracellular antibodies. In my first data chapter, I present the first known high-throughput pipeline for antibody-phage display libraries of synthetic diversity and I demonstrate how increasing the scale of both target production and library selection still results in the capture of antibodies to over 50% of targets. In my second data chapter, I present the construction and validation of a novel scFv-phage library that will serve as the first step in my proposed intrabody pipeline. Antibodies obtained from this library will be screened for functionality using a novel yeast-two-hybrid approach and have numerous downstream applications. This high-throughput pipeline is amenable to automation and can be scaled up to thousands of domains, resulting in the potential generation of many novel therapeutic reagents.

Phage display technology has emerged as the dominant approach in antibody engineering. Here I describe my work in developing a high-throughput method of reliably generating intracellular antibodies. In my first data chapter, I present the first known high-throughput pipeline for antibody-phage display libraries of synthetic diversity and I demonstrate how increasing the scale of both target production and library selection still results in the capture of antibodies to over 50% of targets. In my second data chapter, I present the construction and validation of a novel scFv-phage library that will serve as the first step in my proposed intrabody pipeline. Antibodies obtained from this library will be screened for functionality using a novel yeast-two-hybrid approach and have numerous downstream applications. This high-throughput pipeline is amenable to automation and can be scaled up to thousands of domains, resulting in the potential generation of many novel therapeutic reagents.

Les GTPases de la sous famille RHOA participent à la régulation de nombreuses voies de signalisation qui contrôlent la dynamique du cytosquelette cellulaire et une grande diversité de fonctions telles que la prolifération, la division, la migration et la polarité cellulaires. Ce sont de véritables interrupteurs moléculaires qui, en réponse à un stimulus, changent de conformation tridimensionnelle pour activer leurs protéines effectrices cibles. Elles existent donc sous deux formes, une forme inactive liant le GDP et une forme active, liant le GTP. La proportion de forme active est extrêmement régulée au niveau spatial et temporel dans une cellule et représente moins de 10% de sa totalité. Depuis près de 20 ans, le seul outil disponible pour étudier leur activation est constitué par le domaine de liaison d'un effecteur, le RBD. Peu stable, faiblement soluble et peu adaptable, de nouveaux outils sont nécessaires afin de mieux comprendre la fine régulation de ces protéines. Les anticorps à simple domaine, VHH ou nanobodies, sont caractérisés par leur stabilité, solubilité, haut rendement de production et versatilité de fonctionnalisation. A partir d'une nouvelle banque d'anticorps à simple domaine optimisée pour la production d'intracorps, nous avons isolés différents clones capables de reconnaître in vitro et de bloquer in cellulo la forme active de ces protéines. L'un de ces clones permettra le développement d'un nouvel outil de mesure de l'activité de ces protéines in vitro tandis qu'un autre, in cellulo, permettra de mieux comprendre la régulation spatiale et temporelle des protéines endogènes. / RHOA small GTPase belongs to a subfamily acting as a molecular switch activating major signaling pathways that regulate cytoskeletal dynamics and a variety of cellular responses such as cell cycle progression, cytokinesis, migration and polarity. RHOA activity resides in a few percent of GTP loaded protein, which is finely tuned by a crosstalk between regulators of the GTPase cycle. Manipulating a single RHO at the expression level often induces imbalance in the activity of other RHO GTPases, suggesting that more specific tools targeting these active pools are needed to decipher RHOA functions in time and space. We decided to use single domain antibodies, also known as VHH or nanobodies, as a new tool for studying RHOA activation. We produced and screened a novel fully synthetic phage display library of humanized nanobodies (NaLi-H1) to develop conformational sensors of the GTP loaded active conformation of RHO subfamily. We obtained several high affinity nanobodies against RHOA's active form which we characterized as RHO active antibodies in vitro and RHO signaling blocking intrabodies in cellulo. These new tools will facilitate and improve our current knowledge of this peculiar protein subfamily and will be a paradigm for the study of other RHO related small GTPases.

Die Expression von Haupthistokompatibilitätsantigenen auf der Zelloberfläche kernhaltiger Zellen ist die Hauptursache für die Detektion durch das Immunsystem und die Rejektion allogener Transplantate. Eine vielversprechende Strategie, die MHC-I-Expression auf der Zelloberfläche zu senken, ist der Einsatz intrazellulär lokalisierter Antikörpern, sogenannter Intrabodies. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals versucht, eine die Expression an MHC-I-Molekülen auf der Zelloberfläche durch den Einsatz von anti-MHC-I-Intrabodies zu verhindern. Ein Hauptproblem in der Transplantation ist der Mangel an geeignetem Spendermaterial. Um diesem Zustand entgegenzuwirken, wird versucht, adäquaten Organersatz durch Tissue Engineering bereitzustellen. Die in vitro-Züchtung autologer epithelialer Zellen zur Generierung transplantierbarer Hautstücke spielt heute bereits eine große Rolle bei der Transplantation artifizieller Gewebe. Ferner werden diverse vollsynthetische Materialien für diesen Zweck hergestellt. Eine Verbesserung in diesen Bereich würde die Generierung von nicht-immunogenen allogenen Keratinozyten darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden primäre Rattenkeratinozyten mit anti-MHC-I-Intrabodies transfiziert. Diese Zellen zeigten einen MHC-I-"knock-out"-Phänotyp - eine starke Expression der Intrabodies war jedoch essentiell für die vollständige Zurückhaltung aller MHC-I-Moleküle in der Zelle. Neben der Applikation von Intrabodies in Rattenkeratinozyten konnte die MHC-I-Expression auf der Zelloberfläche von 293-Zellen und primären humanen Keratinozyten ebenfalls durch die Expression von anti-MHC-I-Intrabodies vermindert werden. Im Vergleich mit dem ebenfalls MHC-I-bindenden adenoviralen Protein p19 bewirkten die eingesetzten anti-MHC-I-Intrabodies bei gleich starker Expression eine wesentlich stärkere "Downregulation" der MHC-I-Oberflächenexpression von 293-Zellen. Intrabody-exprimierende Zellen zeigten keine signifikanten morphologischen oder physiologischen Veränderungen gegenüber untransfizierten Zellen: Wachstum, die Expression anderer Oberflächenmoleküle und morphologische Erscheinung waren unverändert. Es konnte lediglich eine verstärkte intrazelluläre Akkumulation von MHC-I-Molekülen detektiert werden. Die funktionelle Bedeutung der MHC-I-"Downregulation" durch Intrabodies konnte durch die stark verminderte zytolytische Aktivität zytotoxischer T-Zellen gegenüber Intrabody-exprimierender Rattenkeratinozyten im Vergleich zu unmodifizierten Zellen gezeigt werden. In der vorliegenden Arbeit ist es erstmals gelungen, Zellen mit einem vollständigen MHC-I-"knock-out"-Phänotyp zu erzeugen - bisherige Modifikationen der MHC-I-Oberflächenexpression durch die Generierung _2-Mikroglobulin- oder TAP-defizienter Mäuse führte zu keinem restlosen Verlust der Klasse-I-Moleküle auf der Zelloberfläche. MHC-I-"downregulierte" Keratinozyten könnten in der Hauttransplantation anstelle der limitiert zur Verfügung stehenden autologen Zellen eingesetzt werden oder in Kombination mit synthetischen Materialien verwendet werden, wo sie durch die Sekretion von heilungsfördernden Faktoren eine Verbesserung des Wundheilungsprozesses bewirken würden. / The expression of major histocompatibility antigens on the surface of eucaryotic cells is the predominant reason for immunologic detection and the rejection of allogeneic transplants. A promising strategy to lower the MHC I expression on the cell surface is the use of intracellular localized antibodies, termed intrabodies. In this work it has been tried for the first time to prevent the expression of MHC class I molecules on the cell surface by intrabody expression. A major problem in transplantation is the shortage of suitable donor material. To overcome this situation tissue engineering has and will continue to enlarge the scope of organ grafting. Today, the in vitro culture of autologous epithelial cells to generate transplantable skin sheets plays an important role in the transplantation of artificial tissues. Furthermore various fully synthetic materials are produced for transplantation. An improvement in this field could be the generation of non-immunogeneic allogeneic keratinocytes. Within this work primary rat keratinocytes have been transfected with anti-MHC-I-Intrabodies. These cells show a MHC I "knockout" phenotype - yet a strong intrabody expression was essential for the complete retention of all MHC I molecules inside the cell. Besides the application of intrabodies in keratinocytes the MHC I expression on the surface of 293 cells and human primary keratinocytes could be reduced by anti-MHC I intrabodies as well. In comparison with the also employed adenoviral protein p19 the applied intrabodies generated at the same expression level a much stronger down-regulation of the MHC I surface expression of 293 cells. Intrabody expressing cells did not show any significant morphologic or physiologic alterations compared to untransfected cells: growth, the expression of other surface molecules and the morphological appearance were unaltered. Merely an enhanced intracellular accumulation of MHC I molecules could be detected. The functional relevance of the MHC I down-regulation by intrabodies could be shown by the strong diminished cytolytic activity of cytotoxic T cells to intrabody expressing rat keratinocytes in comparison to unmodified cells. In this work cells with a completely MHC I knock-out phenotype has been successfully generated for the first time - modifications of the MHC I surface expression by generation of _2-microglobulin or TAP deficient mice did not lead to a complete loss of all MHC I molecules on the cell surface so far. MHC I down-regulated keratinocytes could be employed in skin transplantation instead of the limited available autologous cells or utilized in combination with synthetic materials where they would induce an improvement of the healing process by the secretion of cytokines.

Lorsqu’il est surexprimé ou activé constitutivement par mutation, le récepteur tyrosine kinase KIT est impliqué dans le développement de pathologies prolifératives comme les mastocytoses, les tumeurs stromales gastro-intestinales (GIST) et certaines leucémies. La voie de signalisation KIT représente donc une cible thérapeutique majeure en oncologie. Le développement d’une nouvelle classe de molécules pharmacologiques appelées inhibiteurs de tyrosine kinase (ITK) est en plein essor. Un exemple majeur d’ITK est l’imatinib qui cible, entre autre, KIT et est efficace dans la plupart des GIST. Cependant, le traitement aux ITK est souvent confronté au phénomène de résistance primaire ou acquise par mutation secondaire. C’est pourquoi nous cherchons à développer de nouveaux composés ciblant KIT ou les voies de transductions activées par ses formes oncogéniques, et ce par 3 approches.Nous avons récemment montré que les mutants oncogéniques de KIT ont une localisation intracellulaire alors que KIT sauvage est exprimé à la membrane. L’inhibition de l’activité kinase des mutants restaure une localisation normale. A partir de cette observation, nous avons créé et validé un test de criblage par cytométrie mesurant la relocalisation de KIT muté à la surface cellulaire. Le criblage d’une chimiothèque nous a permis de sélectionner de nouveaux inhibiteurs de la signalisation KIT actifs sur des lignées cellulaires mutées pour KIT.Nous avons utilisé la technique du phage display pour sélectionner des anticorps au format scFv et VHH spécifiques de la partie intracellulaire de KIT mutant. Lors de leur expression dans le cytosol (on parle alors d’intrabodies), leur fixation au niveau de KIT inhibe soit directement l’activité kinase, soit le recrutement de partenaires de signalisation. Nous avons obtenu des intrabodies de différentes spécificités vis-à-vis des formes de KIT dont la caractérisation fonctionnelle est en cours Les intrabodies inhibiteurs seront utilisés pour cribler des chimiothèques par ELISA. Les molécules chimiques recherchées empêcheront la fixation des intrabodies sur la région intracellulaire de KIT. On sélectionnera donc des molécules inhibant potentiellement l’oncogénicité de KIT.Nous avons développé des anticorps au format scFv-Fc par phage display qui reconnaissent le domaine extracellulaire de KIT. Deux des anticorps sélectionnés inhibent donc la signalisation induite par le SCF. Dans des lignées de leucémie exprimant KIT WT, nous avons montré que l’utilisation de ces anticorps entraîne une diminution de la viabilité cellulaire. De plus, ils diminuent également la prolifération de lignées de leucémie à mastocytes sensibles et résistantes à l’imatinib (HMC11 et HMC12, respectivement). Ils représentent donc des outils thérapeutiques potentiels pour le traitement des pathologies impliquant KIT ainsi que pour contourner la résistance aux ITK de certains mutants. / When overexpressed or constitutively active by mutation, the tyrosine kinase receptor KIT is involved in some proliferative diseases such as gastro-intestinal stromal tumors (GIST), mastocytosis and some leukemia. Therefore, KIT signaling represents a major target in oncology. Development of a new therapeutic class called tyrosine kinase inhibitors is in full expansion. A major example of TKI is imatinib which targets KIT and is efficient in the majority of GIST cases. However, TKI treatment is often unpaired by primary or acquired resistance due to secondary mutations. That is why we aim to develop new compounds to target KIT or associated signaling pathways by three strategies.We have recently shown that oncogenic KIT mutants are intracellularely localized whereas WT KIT is expressed at the cell surface. Kinase activity inhibition leads to membrane mutants’ relocalization. Based on this finding, we developed and validated a screening assay measuring mutants’ relocalization by cytometry. Chemicals library screening allows us to select new KIT signaling inhibitors active on KIT mutant cell lines.We used phage display to generate scFv and VHH antibodies which are specific to KIT intracellular domain. When expressed in cytoplasm (they are called intrabodies), their binding on KIT inhibits kinase activity directly or signaling partners’ recruitment. Selected intrabodies are specific to various KIT isoforms and their functional characterization is ongoing. KIT inhibitory intrabodies will be used to screen chemical libraries by ELISA for drugs that block intrabodies binding on KIT intracellular domain. We will then select molecules that potentially inhibit KIT oncogenicity.We developed scFv-Fc antibodies by phage display that recognize KIT extracellular domain. Two selected antibodies inhibit SCF induced signaling. In WT KIT expressing leukemic cell lines, we showed that antibody treatment reduces cell viability. Moreover, they also diminish cell proliferation of 2 imatinib sensitive and resistant mast cell leukemia cell lines (HMC1.1 and HMC1.2, respectively). They represent potential therapeutic tools for treatment of KIT involved diseases and for bypass TKI resistance of some mutants.

Les traitements actuels dirigés contre le VIH ne sont que partiellement efficaces en raison de l'apparition de mutations qui confèrent au virus une grande capacité de résistance aux antirétroviraux existants. Un moyen d'améliorer la lutte contre le virus consiste par conséquent à trouver de nouvelles stratégies d'inhibition. Le complexe de reverse transcription est une des principales cibles pour le développement de traitement anti-SIDA, il catalyse une étape obligatoire du cycle de réplication du virus. Cependant, l'ensemble des inhibiteurs de la transcriptase inverse sont limités par l'apparition rapide de souches résistances. Dans ce contexte, mes travaux de thèse ont permis de développer des inhibiteurs ciblant spécifiquement la reverse transcriptase (RT) du VIH-1, basée sur des fragments d'anticorps dérivés des anticorps chaînes lourdes de dromadaire appelés VHHs ou encore Nanobodies. Associé à une stratégie de vectorisation non invasive basée sur l'utilisation de peptides vecteurs pénétrants, les Nanobodies ont été délivré efficacement dans les cellules et par conséquent ils présentent tous une forte activité antivirale de l'ordre du nanomolaire. L'étude du mécanisme d'action du Nanobody leader NbRT20 montre qu'il agit en tant qu'inhibiteur conformationnel. Il interagit avec la forme intermédiaire inactive de la RT et empêche la mobilité du sous-domaine thumb requis pour le positionnement correct de la matrice/amorce sur la RT et inhibant l'incorporation des nucléotides dans la chaîne d'ADN naissante déstabilisant l'enzyme dans une conformation inactive, non processive. Pris ensemble, ces résultats montrent que la plate-forme Nanobody peut être très efficace pour générer des intracorps extrêmement puissants et sélectifs pour neutraliser la RT et la réplication virale.Mots clés : HIV-1, RT, Nanobodies, peptide vecteur pénétrant / The rapid emergence of drug-resistant viruses against all approved HIV clinical drugs together with inaccessible latent virus reservoirs and side effects of currently used compounds have limited the potency of existing anti-HIV-1 therapeutics. Therefore, there is a critical need for new safer drugs, active against resistant viral strains. Reverse transcriptase (RT) plays an essential role in the replication of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) and remains a primary target of anti-HIV-1 drugs. To develop specific HIV inhibitors, we have elaborated a new strategy based on short antibody fragments derived from the unique Heavy-chain antibodies present in Camelidae called Nanobodies that targets RT-activation. The immunization of dromedaries with RT has lead to the isolation of a panel of Nanobodies that tightly bind the two subunits of RT and inhibit its DNA-dependent DNA polymerase activity at nanomolar range. From that screen we have elaborated an intrabody (cell penetrating anti-RT Nanobody) NbRT20 that constitutes a potential interesting anti-HIV compound.We demonstrated that NbRT20 inhibits RT polymerase activity and exhibiting a potent antiviral activity with a subnanomolar IC50. NbRT20 binds the thumb subdomain and restricts its flexibility and mobility resulting in an inactive/non processive dimeric conformation of the enzyme. From a mechanistic point of view, we have showed that NbRT20 is a conformational inhibitor. it prevents proper binding of primer/template and of dNTP and destabilizes the enzyme in an inactive/non processive dimeric conformation.Taken together, these results demonstrated that, the Nanobody platform may be highly effective at generating extremely potent and selective intrabody to neutralize RT and HIV proliferation.Key words: HIV-1, RT, Nanobodies, cell penetrating peptide

Lorsqu'il est surexprimé ou activé constitutivement par mutation, le récepteur tyrosine kinase KIT est impliqué dans le développement de pathologies prolifératives comme les mastocytoses, les tumeurs stromales gastro-intestinales (GIST) et certaines leucémies. La voie de signalisation KIT représente donc une cible thérapeutique majeure en oncologie. Le développement d'une nouvelle classe de molécules pharmacologiques appelées inhibiteurs de tyrosine kinase (ITK) est en plein essor. Un exemple majeur d'ITK est l'imatinib qui cible, entre autre, KIT et est efficace dans la plupart des GIST. Cependant, le traitement aux ITK est souvent confronté au phénomène de résistance primaire ou acquise par mutation secondaire. C'est pourquoi nous cherchons à développer de nouveaux composés ciblant KIT ou les voies de transductions activées par ses formes oncogéniques, et ce par 3 approches.Nous avons récemment montré que les mutants oncogéniques de KIT ont une localisation intracellulaire alors que KIT sauvage est exprimé à la membrane. L'inhibition de l'activité kinase des mutants restaure une localisation normale. A partir de cette observation, nous avons créé et validé un test de criblage par cytométrie mesurant la relocalisation de KIT muté à la surface cellulaire. Le criblage d'une chimiothèque nous a permis de sélectionner de nouveaux inhibiteurs de la signalisation KIT actifs sur des lignées cellulaires mutées pour KIT.Nous avons utilisé la technique du phage display pour sélectionner des anticorps au format scFv et VHH spécifiques de la partie intracellulaire de KIT mutant. Lors de leur expression dans le cytosol (on parle alors d'intrabodies), leur fixation au niveau de KIT inhibe soit directement l'activité kinase, soit le recrutement de partenaires de signalisation. Nous avons obtenu des intrabodies de différentes spécificités vis-à-vis des formes de KIT dont la caractérisation fonctionnelle est en cours Les intrabodies inhibiteurs seront utilisés pour cribler des chimiothèques par ELISA. Les molécules chimiques recherchées empêcheront la fixation des intrabodies sur la région intracellulaire de KIT. On sélectionnera donc des molécules inhibant potentiellement l'oncogénicité de KIT.Nous avons développé des anticorps au format scFv-Fc par phage display qui reconnaissent le domaine extracellulaire de KIT. Deux des anticorps sélectionnés inhibent donc la signalisation induite par le SCF. Dans des lignées de leucémie exprimant KIT WT, nous avons montré que l'utilisation de ces anticorps entraîne une diminution de la viabilité cellulaire. De plus, ils diminuent également la prolifération de lignées de leucémie à mastocytes sensibles et résistantes à l'imatinib (HMC11 et HMC12, respectivement). Ils représentent donc des outils thérapeutiques potentiels pour le traitement des pathologies impliquant KIT ainsi que pour contourner la résistance aux ITK de certains mutants.

Lorsqu'il est surexprimé ou activé constitutivement par mutation, le récepteur tyrosine kinase KIT est impliqué dans le développement de pathologies prolifératives comme les mastocytoses, les tumeurs stromales gastro-intestinales (GIST) et certaines leucémies. La voie de signalisation KIT représente donc une cible thérapeutique majeure en oncologie. Le développement d'une nouvelle classe de molécules pharmacologiques appelées inhibiteurs de tyrosine kinase (ITK) est en plein essor. Un exemple majeur d'ITK est l'imatinib qui cible, entre autre, KIT et est efficace dans la plupart des GIST. Cependant, le traitement aux ITK est souvent confronté au phénomène de résistance primaire ou acquise par mutation secondaire. C'est pourquoi nous cherchons à développer de nouveaux composés ciblant KIT ou les voies de transductions activées par ses formes oncogéniques, et ce par 3 approches.Nous avons récemment montré que les mutants oncogéniques de KIT ont une localisation intracellulaire alors que KIT sauvage est exprimé à la membrane. L'inhibition de l'activité kinase des mutants restaure une localisation normale. A partir de cette observation, nous avons créé et validé un test de criblage par cytométrie mesurant la relocalisation de KIT muté à la surface cellulaire. Le criblage d'une chimiothèque nous a permis de sélectionner de nouveaux inhibiteurs de la signalisation KIT actifs sur des lignées cellulaires mutées pour KIT.Nous avons utilisé la technique du phage display pour sélectionner des anticorps au format scFv et VHH spécifiques de la partie intracellulaire de KIT mutant. Lors de leur expression dans le cytosol (on parle alors d'intrabodies), leur fixation au niveau de KIT inhibe soit directement l'activité kinase, soit le recrutement de partenaires de signalisation. Nous avons obtenu des intrabodies de différentes spécificités vis-à-vis des formes de KIT dont la caractérisation fonctionnelle est en cours Les intrabodies inhibiteurs seront utilisés pour cribler des chimiothèques par ELISA. Les molécules chimiques recherchées empêcheront la fixation des intrabodies sur la région intracellulaire de KIT. On sélectionnera donc des molécules inhibant potentiellement l'oncogénicité de KIT.Nous avons développé des anticorps au format scFv-Fc par phage display qui reconnaissent le domaine extracellulaire de KIT. Deux des anticorps sélectionnés inhibent donc la signalisation induite par le SCF. Dans des lignées de leucémie exprimant KIT WT, nous avons montré que l'utilisation de ces anticorps entraîne une diminution de la viabilité cellulaire. De plus, ils diminuent également la prolifération de lignées de leucémie à mastocytes sensibles et résistantes à l'imatinib (HMC11 et HMC12, respectivement). Ils représentent donc des outils thérapeutiques potentiels pour le traitement des pathologies impliquant KIT ainsi que pour contourner la résistance aux ITK de certains mutants.