La polyprotéine de structure Gag du VIH-1 est responsable de l’assemblage des particules virales dans les cellules infectées. Au niveau moléculaire, cette protéine s’oligomérise en formant des complexes Gag-Gag autour de deux plates-formes moléculaires, d'une part l'ARN génomique via son domaine NCp7 (NucleoCapsid protein 7) et d'autre part, la membrane plasmique via son domaine MA (Matrice). De plus, lors du trafic de Gag dans la cellule, Gag détourne les protéines ESCRT comme TSG101 et ALIX de la machinerie cellulaire afin de bourgeonner et d’être libérées dans le milieu extracellulaire. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle du domaine NCp7 seul ou au sein de Gag (GagNC) dans les interactions Gag-Gag et Gag-TSG101 en utilisant des approches biochimiques et de la microscopie de fluorescence quantitative. Les résultats ont montré que l'absence du domaine NCp7 affecte l’oligomerisation de Gag qui s’accumule alors dans le cytoplasme sous forme d’agrégats de taille importante. Par ailleurs, le trafic intracellulaire de Gag est affecté par les mutations dans le domaine GagNC avec une augmentation importante de temps nécessaire à Gag pour arriver à la membrane plasmique. Enfin, nous avons montré que GagNC i) renforce l’interaction entre le domaine p6 de Gag et TSG101 et ii) par sa fonction dans le trafic de Gag, est responsable de la localisation de TSG101 à la PM. Sur la base de ces résultats, des études sont maintenant en cours pour développer des tests afin d’identifier des molécules possédant un potentiel anti virale. / The Gag structural polyprotein of HIV-1 orchestrates viral particle assembly in producer cells, in a process that requires two platforms, the genomic RNA on the one hand and a membrane with a lipid bilayer, on the other. During its transportation from translating ribosomes to plasma membrane, Gag hijacks cellular proteins of the cytoskeleton and the ESCRT proteins like TSG101, Alix, etc., to egress viral particles. However, a number of questions remain to be answered before they are clearly apprehended. In this thesis, , we studied the role of the NC domain alone or as part of Gag (GagNC) in Gag-Gag and Gag-TSG101 interactions, which are essential for the assembly and budding of HIV-1 particles using quantitative fluorescent microscopy and biochemical approach. Results, showed that the absence of NC domain lead to (1) an accumulation of Gag as large aggregates that are dispersed in the cytoplasm, (2) a decrease of Gag-Gag condensation and (3) a delay for Gag-Gag complexes in reaching the PM, (4) improved interaction between Gag and TSG101, and (5) by its virtue in Gag trafficking docks TSG101 to the PM. This regulatory effect of NCp7 domain in either TSG101 or Gag or both protein- regulated pathways during virus budding can be exploited to develop inhibitors targeting HIV-1.

En fournissant l’énergie nécessaire au métabolisme, la phosphorylation oxydative (OXPHOS) est un processus essentiel pour la plupart des organismes vivants. Pour faire face à diverses conditions métaboliques, l’efficacité des chaines respiratoires de la membrane composant l’OXPHOS doit être optimisée. Il est donc important de déterminer les mécanismes qui permettent de réguler l’efficacité de l’OXPHOS en fonction des besoins métaboliques.La question posée est la suivante : existe-t-il une organisation particulière des acteurs de l’OXPHOS dans la membrane des procaryotes qui puisse réguler l’activité de l’OXPHOS ?J’ai étudié l’organisation spatio-temporelle d‘un complexe respiratoire majeur de l’anaérobiose, la nitrate réductase NarGHI chez E. coli. Après avoir créé les outils pour la visualisation de ce complexe dans la cellule, j’ai montré l’existence d’une microcompartimentation de NarGHI aux pôles de la cellule lors d’une respiration en anaérobiose par microscopie optique à fluorescence. Dans un deuxième temps, j’ai montré le caractère dynamique de cette localisation en fonction des conditions métaboliques. L’anaérobiose et la présence d’un ∆pH suffisant sont des éléments requis pour permettre ce niveau d’organisation. Enfin, j’ai démontré que la microcompartimentation de NarGHI aux pôles des cellules augmente le flux d’électrons et l’efficacité des chaines respiratoires associées à la respiration du nitrate.L’ensemble des travaux réalisés au cours de ma thèse permet une meilleure compréhension du processus de l’OXPHOS chez les procaryotes et donne une nouvelle vision des moyens employés pour optimiser l’OXPHOS en fonction des différentes conditions métaboliques. / By providing the energy for the cellular metabolism, oxidative phosphorylation (OXPHOS) is an essential process for most living organisms. In order to thrive, the efficiency of membrane respiratory chains which constitute the OXPHOS must be optimized. Thus it is important to address mechanisms by which the efficiency of the OXPHOS is regulated in response to varying metabolic needs.The question addressed during this PhD is the following: does it exist a specific organization of the OXPHOS components in prokaryotic membranes and does it contribute to the regulation of the OXPHOS process?I have investigated the spatio-temporal organization of a respiratory complex, the nitrate reductase NarGHI of the E. coli bacterium. After creating the tools needed to visualize submicrometrically this complex in the unique cell, I have shown the existence of a polar microcompartimentation during anaerobic respiration using fluorescence microscopy. I have demonstrated the dynamic subcellular organization of NarGHI in response to metabolic conditions. Anaerobiosis and a sufficient ∆pH are cues required to promote such cellular organization. Finally, I have demonstrated that polar microcompartimentation of the complex increases the electron flux and the efficiency of the associated respiratory chains.Overall, these results provide a novel view on OXPHOS in bacterial cells by demonstrating that spatio-temporal organization of a respiratory complex tunes the overall efficiency of the process in response to environmental cues.

L’objectif de cette thèse est l’élaboration de sondes à base de lanthanide pour la microscopie optique biphotonique. Cette technique d’imagerie complémentaire à l’IRM et au scanner permet une analyse rapide et facile de tissus épais. Afin de permettre l’observation en profondeur, l’absorption et l’émission de la sonde doit se situer dans la zone de transparence biologique [700 – 1200 nm]. L’absorption à deux photons (ADP) est un phénomène d’optique linéaire de troisième ordre par lequel l’état excité est atteint par absorption simultanée de deux photons. De fait, l’excitation à énergie moitié se situe dans la zone de transparence biologique. Les sondes envisagées combineraient les propriétés optiques uniques des lanthanides, telles que des bandes d’émission très étroites allant du visible à l’infrarouge et des durées de vie de luminescence longues, et les avantages de l’ADP, permettant une excitation dans l’IR et une résolution tridimensionnelle. Dans ce contexte, cette thèse décrit l’élaboration de complexes d’europium et d’ytterbium à ligands macrocycliques stables en milieu aqueux et dont la luminescence peut être sensibilisée à deux photons. Ces complexes ont permis l’imagerie de la vascularisation de cerveaux de souris par microscopie biphotonique dans le proche infrarouge. La seconde approche consiste à encapsuler un complexe luminescent dans des nanoparticules desilice formées par la technique sol-gel (collaboration A. Ibanez, institut Néel, Grenoble) afin de protéger le complexe du milieu biologique. Enfin la dernière approche consiste à greffer des complexes de lanthanides à la surface d’une particule de silice par chimie organométallique de surface. Ces travaux ont conduit à la formation de nano-objet très brillants dans le rouge et le proche infrarouge, détectables à l’échelle de l’objet unique par microscopie à deux photons. / Two Photon Scanning Laser Microscopy (TPSLM) has evolved as an emerging bio-imaging technique widely used in academic research and in medical diagnosis. This technique requires the design of bioprobes specially optimized for such purpose. A particular attention is actually devoted bio-probes featuring both two-photon absorption (TPA) and emission in the near infra-red (NIR) spectral range [700 – 1200 nm], also called biological window that is particularly promising for thick tissues imaging. In this context, europium complexes emitting in the red (615 nm) has been recently sensitized by two photon antenna effect and used for TPSLM in cells combining the advantages of lanthanide emission (sharp line and long lived) and those of TPA. Based on this preliminary results, this thesis describe the design of europium and ytterbium complexes which have an improved stability in water and good emission properties sensitized by TPA. Theses complexes allow the imaging of mice’s brain vascularisation in the NIR. An another approach to stabilize lanthanide complexes was also used by encapsulating theses fluorophores in silica nanoparticle (collaboration with A. Ibanez, Institut Néel, Grenoble). Then the last approach consists on the grafting of the chromophores on silica sphere using surface organometallic chemistry methods. The nanoparticles obtained by both way are really luminescent in the red or infrared and can be imaged as single nanoparticle by TPSLM.

Les piles à combustible microbiennes, en tant que biotechnologie potentiellement durable, peuvent assurer la conversion directe de la matière organique en électricité en utilisant des biofilms bactériens comme biocatalyseurs. Dans un context politique où les législations françaises et européennes favorisent et imposent la revalorisation des déchets organiques provenant des industries ou des collectivités territoriales, les biopiles microbiennes semblent un moyen peu couteux et prometteur pour répondre à ce besoin. Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances sur la formation des biofilms électroactifs à la surface de l'anode, et de comprendre les mécanismes impliqués dans la compétition entre les bactéries électroactives et les autres communautés bactériennes dans le but d'améliorer la sélection des bactéries électroactives dans le biofilm anodique. Une attention particulière sera portée sur les forces de cisaillement comme un outil de control de la formation des biofilms anodiques. Ces recherches ont pour but à long terme d'améliorer la production d’électricité produite par les biopiles microbiennes, et plus particulièrement d’améliorer les performances du compartiment anodique, en vue d’appliquer cette technologie dans les stations d’épurations pour la réduction du coût énergétique du traitement des eaux usées. A travers cette thèse, différents points sur la dynamique des communautés bactériennes lors de la formation du biofilm ont été mis en évidence. La formation du biofilm est divisée en deux étapes. Dans un premier temps, les bactéries électroactives (EAB) non spécifiques se développent dans toutes les biopiles, produisant ou non de l'électricité et dans le milieu liquide comme sur l’anode. Les EAB spécifiques deviennent ensuite plus compétitives et prédominantes mais seulement dans les biopiles produisant de l'électricité et seulement dans le biofilm anodique. Cette deuxième étape correspond à une augmentation exponentielle de la production d'électricité. A partir de ces résultats, nous émettons l'hypothèse qu'une inhibition de la première étape devrait diminuer la compétition entre les EAB non spécifiques et spécifiques au cours de la colonisation anodique, et favoriser la croissance des EAB spécifiques dans le biofilm. Nous proposons d'utiliser la contrainte de cisaillement pour sélectionner les EAB spécifiques pendant l'étape d'adhésion en détachant les EAB non spécifiques. Dans un premier temps, pour cette étude, des biopiles avec une configuration de chambre à écoulement de cisaillement ont été conçues, construites et mises en place. Les résultats démontrent que sous une contrainte de cisaillement élevée, l'abondance des EAB spécifiques telle que Geobacter était très élevée, jusqu'à 30,14% en opposition à une contrainte de cisaillement faible où l'abondance relative était inférieure à 1%. En outre, la contrainte de cisaillement diminue le pourcentage de couverture de la surface anodique, ce qui montre que la sélection des EAB spécifiques se produit en détachant d'autres bactéries. Ainsi, la contrainte de cisaillement pourrait être utilisée pour sélectionner les EAB spécifiques durant les premières étapes d’adhésion. Enfin, l'effet de la contrainte de cisaillement sur la sélection microbienne au cours de la croissance du biofilm a été étudié. Ces résultats confirment les conclusions précédentes: les EAB spécifiques sont sélectionnées lorsque les contraintes de cisaillement sont plus élevées. Ce travail démontre le rôle majeur des contraintes de cisaillement dans la formation du biofilm L'utilisation de contraintes de cisaillement pourrait être un moyen de contrôler la sélection des EAB et la quantité de matières mortes dans les biofilms anodiques. C’est un facteur qui devrait être pris en compte dans l’architecture et la mise en place des réacteurs / Microbial fuel cells (MFCs), as a potentially sustainable biotechnology, can directly convert organic matter into electricity by using bacterial biofilms as biocatalysts. In a political context where European legislation favors and imposes the revalorization of organic waste from industries, MFC seems an inexpensive and promising technology to meet this need. The aim of this thesis is to improve knowledge of the formation of electroactive biofilms on the anodic surface, and to understand the mechanisms involved in the competition between electroactive bacteria (EAB) and other bacteria. Special attention will be paid to shear force as a tool to control the formation of anodic biofilms. First, bacterial successions have been studied under stationary conditions and in standard laboratory configurations. The results show that the formation of the biofilm is divided in two stages. At first, non-specific EAB grow in all MFCs, producing or not electricity. Then, specific EAB become predominant only in MFCs producing electricity and is associated to an exponential increase of electricity. From these results, we hypothesize that inhibition of the first step should decrease the competition between nonspecific and specific EAB. We propose to use the shear stress to select specific EAB during the adhesion. First, MFCs with a shear stress flow chamber configuration were designed, constructed and set up. The results show that the proportion of specific EAB such as Geobacter was higher, up to 30.14% as opposed to a lower shear stress (less than 1%). Then, the effect of shear stress on microbial selection during biofilm growth was studied. These results confirm the previous conclusions: specific EAB are selected when shear stress is higher. This work demonstrates the major role of shear stress in biofilm formation and could be a way to control the selection of EAB. This factor should be taken into account in the architecture and implementation of the reactors

L'analyse cinétique d'interactions de protéines offre une multitude d'informations sur les fonctions physiologiques de ces molécules au sein de l'activité cellulaire, et peut donc contribuer à l'amélioration des diagnostics médicaux ainsi qu'à la découverte de nouveaux traitements thérapeutiques. La résonance plasmonique de surface (SPR) est la technique de biodétection optique de référence pour les études cinétiques d'interaction de molécules biologiques. Si la SPR offre une détection en temps réel et sans marquage, elle nécessite en revanche des équipements coûteux et sophistiqués ainsi que du personnel qualifié, limitant ainsi son utilisation au sein de laboratoires de recherche académiques. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé une plateforme de biodétection basée sur l'utilisation de nanofentes biofonctionnalisées combinées avec une détection par microscopie à fluorescence. Ce système permet l'observation en temps réel d'interactions protéines-protéines et la détermination des constantes cinétiques associées, avec des temps de réponse optimisés et une excellente efficacité de capture. La fonctionnalité du système a été démontrée par l'étude des cinétiques d'interaction de deux couples modèles de différentes affinités : le couple streptavidine/biotine et le couple IgG de souris/anti-IgG de souris. Une très bonne cohérence entre les constantes cinétiques extraites, celles obtenues par des expériences similaires réalisées en SPR et les valeurs rapportées dans la littérature montre que notre approche pourrait être facilement applicable pour l'étude cinétique d'interactions de protéines avec une sensibilité allant jusqu'au pM, sur une large gamme de constantes de dissociation. De plus, nous avons intégré un générateur de gradient de concentrations microfluidique en amont de nos nanofentes, permettant ainsi des mesures simultanées de cinétiques d'interactions à différentes concentrations d'analyte en une seule expérience. Ce système intégré offre de nombreux avantages, tels qu'une réduction de la consommation des réactifs et des temps d'analyse par rapport aux approches séquentielles classiques. Cette technologie innovante pourrait ainsi être un outil précieux non seulement pour les domaines du biomédical et de la médecine personnalisée mais aussi pour la recherche fondamentale en chimie et biologie. / Kinetic monitoring of protein-protein interactions offers fundamental insights of their cellular functions and is a vital key for the improvement of diagnostic tests as well as the discovery of novel therapeutic drugs. Surface plasmon resonance (SPR) is an established biosensor technology routinely used for kinetic studies of biomolecular interactions. While SPR offers the benefits of real-time and label-free detection, it requires expensive and sophisticated optical apparatus and highly trained personnel, thus limiting the accessibility of standard laboratories. In this PhD project, we have developed an alternative and cost-effective biosensor platform exploiting biofunctionalized nanofluidic slits, or nanoslits, combined with a bench-top fluorescence microscope. Our approach enables the visualization of protein interactions in real-time with the possibility to determine associated kinetic parameters along with optimized response times and enhanced binding efficiency. We have demonstrated the effectiveness of our devices through kinetic studies of two representative protein-receptor pairs with different binding affinities: streptavidin-biotin and mouse IgG/anti-mouse IgG interactions. Good agreement of extracted kinetic parameters between our device, SPR measurements and literature values indicated that this approach could be readily applicable to study kinetics of protein interactions with sensitivity down to 1 pM on a large scale of dissociation constants. In addition, we have incorporated a microfluidic gradient generator to our validated nanoslit device, which has allowed one-shot parallel kinetic measurements to be realized in a single-experiment. This integrated system provides advantages of diminished material consumption and analysis time over the conventional kinetic assays. We believe that this innovative technology will drive future advancements not only in the discipline of biomedical and personalized medicine, but also in basic chemical/biological research.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la réplication chez les archées, qui constituent le troisième domaine du vivant avec les bactéries et les eucaryotes. L’organisme modèle que nous avons utilisé est l'archée halophile Haloferax volcanii car les outils génétiques disponibles permettent d’exprimer des protéines fusionnées à la Protéine Fluorescente Verte (GFP) dans cet organisme mésophile et aérobe et ainsi de localiser les protéines d’intérêt dans des cellules vivantes. Nous nous sommes ainsi intéressés à la localisation cellulaire de quatre protéines de la réplication qui ont été fusionnées à la GFP et exprimées sous contrôle de leur propre promoteur : (i) la protéine ‘Flap Endonuclease 1’ (FEN1), qui intervient dans la maturation des fragments d’Okazaki, (ii) la protéine ‘Origin Recognition Complex’ (ORC1) impliquée dans la reconnaissance des origines de réplication, (iii) la protéine ‘Proliferating Cellular Nuclear Antigen’ (PCNA), anneau de processivité des ADN polymérases réplicatives, et (iv) la protéine de fixation à l’ADN simple-brin ‘Replication Protein A’ (RPA2) essentielle à la réplication chez H. volcanii. Seule la protéine PCNA n’a pu être exprimée en fusion avec la GFP, suggérant que la protéine fusion n’est pas fonctionnelle. GFP::Orc1 et GFP::Fen1 ont été exprimées dans la cellule mais ne présentent pas de localisation spécifique reflétant un rôle de ces protéines dans la réplication de l’ADN. En revanche des foyers de fluorescence de la protéine fusion GFP::Rpa2 ont été observés, dont le nombre augmente significativement dans des cellules exposées à l’aphidicoline, drogue inhibant la synthèse de l’ADN et induisant ainsi un stress réplicatif. Cependant une localisation différente de la protéine GFP::Rpa2 a été observée lorsque les cellules sont exposés à la phléomycine, qui induit notamment des cassures double-brin de l‘ADN. Dans ces cellules, GFP::Rpa2 forme un foyer de fluorescence massif qui colocalise avec l’ADN compacté dans la grande majorité des cellules observées. Nos résultats suggèrent donc que la localisation spécifique observée pour GFP::Rpa2 reflète son rôle dans la réparation de l’ADN et/ou le redémarrage des fourche de réplication arrêtées. / The aim of this thesis project was to improve our understanding of DNA replication in archaea, the third domain of life with bacteria and eukarya. The model organism chosen for these studies is the halophilic archaea Haloferax volcanii, a mesophilic aerobe for which genetics tools allow studying in living cells the localization of proteins fused to the Green Fluorescent protein (GFP). Four proteins involved in DNA replication were fused to the GFP and expressed under the control of their own promoter: (i) the ‘Flap Endonuclease 1’ (FEN1), involved in Okazaki fragments maturation, (ii) the ‘Origin Recognition Complex’ (ORC1), involved in DNA replication origin recognition, (iii) the ‘Proliferating Cellular Nuclear Antigen’ (PCNA), processivity factor of replicative DNA polymerases, and (iv) the ‘Replication Protein A’ (RPA2), single-stranded DNA binding protein essential for DNA replication in H. volcanii. Only the PCNA fusion to the GFP was not successful, suggesting that the GFP hinders essential roles of PCNA in DNA replication. Fen1 and Orc1 were successfully fused to the GFP and expressed in living cells, but specific localization in cells related to growth phase, reflecting different replication dynamics, were not observed. In contrast, we could observed fluorescent foci formed by the fully functional GFP::Rpa2 protein that actively responded to DNA damage in H. volcanii cells. The number of these fluorescent foci per cell was constant during cell growth but it significantly increased in cells exposed to aphidicoline, which inhibits DNA synthesis during replication. When cells were treated with phleomycine, a DNA damaging agent mainly causing double-strand breaks, formation of a massive fluorescent focus coinciding with DNA compaction was observed. Our results suggest that the specific cellular localization of GFP::Rpa2 observed reflects Rpa2 roles in DNA repair and/or DNA replication fork restart.

L’adhésine impliquée dans l’adhérence diffuse (AIDA-I) est une adhésine bactérienne présente chez certaines souches d’Escherichia coli qui, associée aux toxines Stx2e ou STb, contribue à l’apparition de la maladie de l’œdème ou de la diarrhée post-sevrage chez les porcelets. AIDA-I est un autotransporteur qui confère des capacités d’autoaggrégation, de formation de biofilms et d’adhésion. L’objectif principal du projet de recherche consistait en la recherche de récepteur(s) potentiel(s) d’AIDA-I. Les bactéries pathogènes adhèrent aux cellules-cibles soit en liant directement des molécules à la surface cellulaire ou en utilisant des molécules intermédiaires qui permettent de diminuer la distance séparant la bactérie de la cellule-cible. Puisque le sérum est un fluide qui contient de nombreuses molécules, celui-ci a été utilisé comme matériel de départ pour l’isolement de récepteur(s) potentiels. Nous avons isolé un récepteur potentiel à partir du sérum porcin : l’apolipoprotéine A-I. L’interaction entre l’apolipoprotéine A-I et AIDA-I a été confirmée par ELISA et microscopie à fluorescence. La capacité à envahir les cellules épithéliales offre aux pathogènes la possibilité d’établir une niche intracellulaire qui les protègent contre les attaques du milieu extérieur. La présente étude a démontré que la présence d’AIDA-I en tant que seul facteur de virulence chez une souche de laboratoire permet de conférer la capacité d’envahir les cellules sans promouvoir la survie intracellulaire. L’étude de la souche sauvage 2787, exprimant AIDA-I en association avec d’autres facteurs de virulence, a démontré une différence significative pour les phénotypes d’invasion et de survie intracellulaire face à la souche de laboratoire exprimant AIDA-I. / The adhesin involved in diffuse adherence (AIDA-I) is a bacterial adhesin associated with some Escherichia coli strains that might, when associated with toxin Stx2e or STb, contribute to the development of edema disease or post-weaning diarrhea in piglets. AIDA-I is an autotransporter that mediates various phenotypes such as adhesion, autoaggregation and biofilm formation. The main aim of our project was to find potential receptor(s) for AIDA-I. Pathogens can either bind cell directly by targeting exposed cell surface molecules or use an intermediate molecule as a bridge to lessen the space separating them from their target cell. Serum is known to contain a wide range of molecules so it has been used as raw material for the isolation of a putative receptor for AIDA-I. We isolated a putative receptor for AIDA-I: the apolipoprotein A-I. The interaction between the apolipoprotein A-I and AIDA-I was confirmed by ELISA and fluorescent microscopy. The capacity to invade epithelial cell enables pathogens to create an intracellular niche that protects them against attacks from the extracellular environment. The present report has shown that the presence of AIDA-I as the sole virulence factor in a laboratory strain, enable bacteria to invade cultured cells but does not promote intracellular survival. Studies conducted on wild-type strain 2787, which express AIDA-I in association with other virulence factors, has shown a significant difference in invasion and intracellular survival phenotypes compared to the laboratory strain expressing AIDA-I.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Au cours de ce travail de thèse expérimental, nous nous sommes intéressés à l’étude de la localisation nucléaire et nucléolaire de la protéine de la nucléocapside (NC) du VIH-1. Des études antérieures menées au laboratoire avaient mis en évidence une très forte accumulation de la NC dans les nucléoles. Ce compartiment nucléaire est connu pour être ciblé par de nombreux virus afin de promouvoir leur réplication. Des expériences de microscopie électronique avaient révélé la structure complexe du nucléole et montré qu’il est composé de trois sous-compartiments : les centres fibrillaires, le compartiment fibrillaire dense et le compartiment granulaire dans lesquels se déroule la synthèse des ribosomes. Afin de caractériser la localisation de la NC dans ces trois sous-compartiments, nous avons développé une approche de microscopie optique à haute résolution permettant d’obtenir des images à deux couleurs avec une résolution spatiale améliorée. Pour cela, nous avons mis au point un protocole qui permet d’utiliser simultanément une protéine fluorescente photocommutable et un fluorophore organique introduit par immunomarquage. Après avoir minimisé les aberrations optiques et corrigé les dérives mécaniques inhérentes au montage, nous avons visualisé simultanément la localisation de la NC surexprimée dans des cellules HeLa avec des marqueurs spécifiques des trois sous-compartiments nucléolaires (immunomarquage). La microscopie de fluorescence à haute résolution a permis de résoudre pour la première fois les différents compartiments et de montrer que la NC se localise préférentiellement dans le compartiment granulaire. Finalement, des expériences préliminaires avec des cellules vivantes ont permis de mettre en évidence que la NC est transportée de manière active dans le noyau et qu’elle pourrait interagir directement avec des protéines nucléolaires / During this experimental thesis work, we investigated the nuclear and nucleolar localization of the nucleocapsid protein (NC) of HIV-1. Previous studies performed in our laboratory evidenced a strong accumulation of NC in a subnuclear structure called nucleolus. Playing role in multiple cellular processes, nucleolus is often targeted by viruses to promote their replication. Electron microscopy revealed three nucleolar components (fibrillar centers, dense fibrillar component and granular component) associated to specific steps of the ribosome biogenesis. To characterize the distribution of the NC in these three sub-compartments and therefore shed light on the nucleolar localization of NC during the replication cycle, we developed a high-resolution optical microscopy approach. After having minimized the optical aberrations and corrected the mechanical drifts inherent to the imaging setup, the NC-mEos2 fusion protein overexpressed in HeLa cells was visualized simultaneously with immunolabeled nucleolar markers. The use of high-resolution fluorescence microscopy enabled us to resolve for the first time the three nucleolar compartments and to demonstrate the preferential localization of NC in the granular compartment of nucleolus. Finally, preliminary experiments performed with living cells showed that NC is actively transported in the nucleus and therefore may interact directly with nucleolar proteins.

Mes travaux de thèse portent sur l’application de la théorie de l’échantillonnagecompressif (Compressed Sensing ou Compressive Sampling, CS) à la microscopie defluorescence, domaine en constante évolution et outil privilégié de la recherche fondamentaleen biologie. La récente théorie du CS a démontré que pour des signauxparticuliers, dits parcimonieux, il est possible de réduire la fréquence d’échantillonnagede l’information à une valeur bien plus faible que ne le prédit la théorie classiquede l’échantillonnage. La théorie du CS stipule qu’il est possible de reconstruireun signal, sans perte d’information, à partir de mesures aléatoires fortement incomplèteset/ou corrompues de ce signal à la seule condition que celui-ci présente unestructure parcimonieuse.Nous avons développé une approche expérimentale inédite de la théorie du CSà la microscopie de fluorescence, domaine où les signaux sont naturellement parcimonieux.La méthode est basée sur l’association d’une illumination dynamiquestructurée à champs large et d’une détection rapide à point unique. Cette modalitépermet d’inclure l’étape de compression pendant l’acquisition. En outre, nous avonsmontré que l’introduction de dimensions supplémentaires (2D+couleur) augmentela redondance du signal, qui peut être pleinement exploitée par le CS afin d’atteindredes taux de compression très importants.Dans la continuité de ces travaux, nous nous sommes intéressés à une autre applicationdu CS à la microscopie de super résolution, par localisation de moléculesindividuelles (PALM/STORM). Ces nouvelles techniques de microscopie de fluorescenceont permis de s’affranchir de la limite de diffraction pour atteindre des résolutionsnanométriques. Nous avons exploré la possibilité d’exploiter le CS pour réduiredrastiquement les temps d’acquisition et de traitement.Mots clefs : échantillonnage compressif, microscopie de fluorescence, parcimonie,microscopie de super résolution, redondance, traitement du signal, localisation demolécules uniques, bio-imagerie / My PhD work deals with the application of Compressed Sensing (or CompressiveSampling, CS) in fluorescence microscopy as a powerful toolkit for fundamental biologicalresearch. The recent mathematical theory of CS has demonstrated that, for aparticular type of signal, called sparse, it is possible to reduce the sampling frequencyto rates well below that which the sampling theorem classically requires. Its centralresult states it is possible to losslessly reconstruct a signal from highly incompleteand/or inaccurate measurements if the original signal possesses a sparse representation.We developed a unique experimental approach of a CS implementation in fluorescencemicroscopy, where most signals are naturally sparse. Our CS microscopecombines dynamic structured wide-field illumination with fast and sensitive singlepointfluorescence detection. In this scheme, the compression is directly integratedin the measurement process. Additionally, we showed that introducing extra dimensions(2D+color) results in extreme redundancy that is fully exploited by CS to greatlyincrease compression ratios.The second purpose of this thesis is another appealing application of CS forsuper-resolution microscopy using single molecule localization techniques (e.g.PALM/STORM). This new powerful tool has allowed to break the diffraction barrierdown to nanometric resolutions. We explored the possibility of using CS to drasticallyreduce acquisition and processing times.