La sécrétion régulée d'hormones est un processus décomposable en plusieurs étapes. Les granules de sécrétion (GS) contenant ces hormones sont formés au niveau du réseau trans-golgien puis migrent jusqu'à la périphérie de la cellule. Ces hormones sont libérées dans le milieu extérieur par exocytose en cas de stimulation de la cellule. Grâce à l'observation des GS situés dans la région juxta-membranaire par microscopie de fluorescence à excitation par onde évanescente, les mouvements de ces organites ont été étudiés à l'échelle du granule unique. Une méthode d'analyse permettant la mise en évidence de comportements transitoires au sein des trajectoires tridimensionnelles des GS a été mise au point. Grâce à son application à l'étude des effets de drogues du cytosquelette et à des observations en double marquage, nous avons pu associer chaque type de mouvements décrit par les GS à un environnement particulier (GS lié à la membrane plasmique, au cytosquelette d'actine ou de microtubules). Nous avons de plus étudié le rôle du complexe protéique Rab27A/MyRIP/Myosine Va lors de la capture des GS en périphérie de la cellule et leur accrochage aux filaments d'actine.

Le but de notre travail est de développer une imagerie des déclins de fluorescence et d'en démontrer les potentialités pour l'étude de la dynamique macromoléculaire et des interactions entre macromolécules en cellules vivantes. Notre approche repose sur la mesure de la corrélation temporelle de photons uniques de fluorescence (TCSPC) simultanément à la détermination de la localisation spatiale (le long d'une ligne) de la région d'émission. Des images monodirectionnelles de déclins de fluorescence ont ainsi été obtenues représentant la cinétique de fluorescence en différentes régions subcellulaires. Nous avons également mis au point la mesure de déclins d'anisotropie de fluorescence provenant d'un petit volume subcellulaire (1 µm3) sous microscope en mode confocal. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent l'intérêt de cette approche technologique pour des problématiques de biologie cellulaire. Le marquage fluorescent endogène de protéines a été réalisé en les fusionant à la GFP ou un de ses variants spectraux. Les interactions protéine-protéine ont été étudiées soit par hétéroFRET en mesurant la diminution de la durée de vie de fluorescence du chromophore donneur, soit par homoFRET en mesurant la cinétique de dépolarisation de la fluorescence. Nous avons mis en évidence (i) la formation d'hétérodimères de p45 du facteur de transcription NF-E2 avec deux partenaires dans différents compartiments subcellulaires par hétéroFRET, et (ii) l'homodimérisation de la thymidine kinase du virus de l'herpès simplex type 1 de façon plus concluante par homoFRET que par hétéroFRET. Par ailleurs, la mesure des déclins d'anisotropie de fluorescence de l'éthidium comme sonde de la dynamique torsionnelle de l'ADN a révélé l'existence d'une très forte restriction de cette dynamique dans la chromatine non perturbée. Les développements supplémentaires de notre système pour une imagerie bi-dimensionnelle puis tri-dimensionnelle sont prometteurs.

Cette thèse traite de l'analyse et de la simulation du trafic vésiculaire sur des séquences d'images de microscopie de fluorescence. À contre-courant des approches habituelles exploitant un suivi individuel des vésicules, nous avons développé une approche globale (tomographie de réseaux) inspirée de travaux antérieurs sur l'analyse du trafic routier et l'analyse du trafic sur des réseaux de télécommunications. Cette approche repose sur l'utilisation de comptages locaux de vésicules couplés à une procédure de routage qui permettent d'estimer les trajectoires globales des vésicules sur l'ensemble d'une séquence d'images. Contrairement aux précédentes applications de la tomographie de réseaux, les comptages et le routage sont également des inconnues du problème. Afin de mesurer les comptages locaux de vésicules, nous avons développé une méthode de séparation des composantes “objet” et “fond” dans des séquences de microscopie de fluorescence. Cette méthode exploite un terme de détection non local reposant sur la similarité entre motifs de l'image et utilise la composante “fond” estimée comme “référence” pour améliorer la détection des vésicules. Par ailleurs, la procédure de routage dépend des données observées. Dans le cas de l'estimation du trafic, le routage est établi à partir du comptage des vésicules ; dans le cas de simulations, le routage est contrôlé par l'utilisateur. La génération de séquences synthétiques a permis d'évaluer quantitativement la méthode d'estimation du trafic vésiculaire. Cette méthode a égale- ment été évaluée sur des séquences d'images réelles de microscopie dans le cadre d'une étude précise sur le transport membranaire et le trafic vésiculaire régulé par des isoformes de la protéine Rab6.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'optimisation du couplage lumière-matière requiert la connaissance de l'orientation du dipôle émetteur associé à une source de photons, ainsi que de la distribution de champ électrique du mode excité. Afin de maximiser le couplage entre des émetteurs fluorescents et des nanostructures, nous avons établi une méthode qui permet de déterminer l'orientation d'un dipôle d'émission. Les calculs en champ électrique, associés à une analyse en polarisation, constituent une modélisation complète, pouvant être généralisée à diverses situations expérimentales. Nous appliquons ensuite la méthode proposée à des nanocristaux colloïdaux de CdSe/CdS et CdSe/ZnS sphériques, ainsi qu'à des nanobâtonnets de CdSe/CdS. Nous avons déterminé, par une analyse en polarisation, l'orientation complète d'un dipôle émetteur individuel. Nous avons ensuite étudié le couplage de la lumière à des plasmons grâce à des réseaux périodiques métalliques. Des mesures de réflectivité spéculaire ont mis en évidence un couplage efficace de la lumière incidente à des plasmons de surface sur une large gamme de longueurs d'onde. Des mesures de microscopie électronique par photoémission (PEEM), basées sur la collection d'électrons photoémis à la surface du métal, ont permis d'étudier le couplage de la lumière aux modes plasmons de surface, avec une haute résolution spatiale (25 nm). L'excitation de l'échantillon par un laser, dont on varie la longueur d'onde et la polarisation, fournit une cartographie de la distribution du champ à la surface. Les échantillons étudiés ont mis en évidence différentes signatures de couplage du faisceau incident aux modes plasmoniques (franges d'interférences, points chauds).

La synthèse des protéines est un mécanisme central de la vie cellulaire dont la compréhension est un enjeu du domaine biomédical. Les études en molécule unique permettent d'observer chaque système réactionnel individuellement et donnent accès à des évènements asynchrones difficilement observables en mesure d'ensemble, tels la traduction de protéines.Cette thèse présente les premiers résultats en molécule unique sur la traduction par un ribosome eucaryote (mammifère). Nous observons les systèmes traductionnels grâce à des marqueurs fluorescents liés à des oligonucléotides pouvant s'hybrider sur les séquences d'ARN traduites. L'observation de ces marqueurs est faite par microscopie de fluorescence en onde évanescente (TIRF), les ARN étant fixés sur une lamelle de microscope. En lisant l'ARN, le ribosome détache les marqueurs, et leurs instants de départs donnent des informations sur le passage du ribosome à différentes positions sur l'ARN. Cette méthode permet d'obtenir des données cinétiques sur un grand nombre de systèmes traductionnels en parallèle pouvant alors être interpolées par des lois de probabilité. Nous obtenons par cette méthode des mesures de la cinétique in vitro de l'élongation eucaryote et nous observons un délai dû à une initiation non-canonique. En effet, nous complexons le ribosome sur l'ARN grâce à une structure de type IRES. Dans nos conditions d'expérience, l'incorporation d'un acide aminé prend environ une seconde tandis que cette structure induit un retard à la traduction de plusieurs dizaines de secondes. Ces résultats ouvrent des perspectives d'étude cinétique dans des cas plus complexes tels le franchissement de structures secondaires de l'ARN.

Les récentes avancées en microscopie de fluorescence (augmentation de résolution spatiale, correction des aberrations induites par l'échantillon...) ouvrent de nombreuses perspectives en imagerie biologique. Mais pour que ces techniques se répandent, il est nécessaire de réduire les contraintes qu'elles imposent sur la préparation des échantillons, sur les sondes fluorescentes, sur la complexité de mise en oeuvre ou la cadence d'acquisition. Pendant ma thèse, j'ai travaillé sur le développement et l'amélioration de quelques-unes de ces techniques. Dans un premier temps, deux systèmes d'illumination structurée ont été réalisés dans le but d'accélérer la cadence de réalisation de coupes optiques pour l'observation d'échantillons épais vivants. Une deuxième partie de mon travail a concerné la mise en place d'une nouvelle approche de reconstruction en illumination structurée afin de dépasser la limite de résolution imposée par le microscope. Cet outil permet de réduire le nombre d'images requises pour la reconstruction d'une image super-résolue, ce qui ouvre la voie à une augmentation de la cadence de réalisation de ces images. Un montage d'optique adaptative a également été développé afin de corriger les aberrations introduites par les échantillons épais, permettant une amélioration des capacités d'imagerie en profondeur. L'accent a été mis sur la protection de l'échantillon, grâce à l'utilisation de billes fluorescentes pour déterminer la correction à appliquer sans illuminer l'échantillon. Enfin, un instrument de mesure du rendement quantique de fluorescence dédié à la caractérisation de fluorophores infrarouges a été mis en oeuvre afin de pallier les limitations des méthodes de mesure classiques dans le proche infrarouge.

Chaque cellule humaine est constamment soumise à des agressions extérieures comme l'exposition aux rayons Ultra-Violets, agents chimiques, etc. ou endogènes provenant de la production de métabolites par la cellule elle-même. Ces agressions induisent des dommages dans l'ADN. Ces dommages, s'ils ne sont pas réparés correctement, peuvent induire un dérèglement des fonctions de base de la cellule qui peut alors devenir cancéreuse. Pour réparer leur ADN, les cellules activent divers mécanismes de réparation et établissent une signalisation au niveau des sites endommagés. Dans le noyau, l'ADN est associé à des protéines appelées histones pour former la chromatine. La chromatine se caractérise par différents niveaux d'organisation, aboutissant à la formation d'une structure très compacte. Cette compaction élevée de la chromatine peut représenter une barrière pour la machinerie de réparation. En effet, pour être réparé, l'ADN endommagé doit être accessible à la machinerie de réparation. Pour cela, les cellules ont développé des mécanismes permettant d'accéder à l'ADN endommagé. Ces mécanismes de réponse aux dommages à l'ADN impliquent l'activation de voies de signalisation. L'un des signaux précurseurs activés après dommage à l'ADN est la Poly-ADP-Ribosylation (PARylation). La PARylation est une modification post-traductionnelle composée d'une répétition de petites molécules appelées Poly-ADP-Riboses, qui s'accrochent notamment sur les histones pour signaler la présence de cassures dans l'ADN et permettent ainsi de recruter les protéines impliquées dans la réparation des dommages. Lorsque l'ADN est endommagé, l'activation de processus de réparation induit de manière précoce le recrutement de facteurs de remodelage de la chromatine. Le rôle exact de la signalisation via la PARylation durant les étapes précoces de la réponse aux dommages à l'ADN et plus particulièrement lors du remodelage de la chromatine reste encore mal caractérisé. Durant ma thèse, j'ai utilisé des techniques avancées en microscopie pour étudier la dynamique de la chromatine après induction de dommages à l'ADN. J'ai ainsi tenté d'élucider le rôle de la PARylation dans le mécanisme de remodelage de la chromatine au niveau des dommages dans l'ADN, en recherchant des facteurs permettant d'altérer de manière spécifique la dynamique de la chromatine. Cette méthodologie nous a permis d'identifier différents facteurs impliqués dans le remodelage de la chromatine après dommage à l'ADN. / In each human cell, many thousands of DNA lesions arise every day, challenging continuously the genome integrity. The majority of these lesions results from byproducts of normal cell metabolism or DNA replication, but they are also induced by exposure to radiations and genotoxic chemicals. The integrity of the genome is preserved by a plethora of different DNA damage signalling and repair machinery arranged by the cells. In the cell nucleus, DNA associates with scaffolding proteins to form the chromatin. The chromatin is tightly packed in the nucleus through several levels of organization. Such high-packing state poses a significant challenge for the repair machinery. Indeed, the damaged DNA needs to be accessible to repair proteins, and for that, cells have developed several mechanisms to allow the access to the damaged chromatin. The early steps of the DNA damage response involve the activation of proteins that are part of signalling pathways. One of the proteins activated upon DNA damage is PARP1, which synthetizes long and branched chains of ADP-ribose (poly-ADP-ribose or PAR) on itself and other chromatin factors, including histones. The activation of PARP1 leads to the recruitment of several effectors involved in DNA repair and chromatin remodeling. However the exact function of the PAR-signalling during early DNA damage response and in particular during chromatin remodeling at DNA breaks remains unclear. During my PhD, I used advanced fluorescent imaging tools to study in living cells the dynamics of chromatin in the nucleus at a local scale upon DNA damage. I used these tools to study PAR-dependent chromatin relaxation after DNA damage and to screen factors that selectively alter the dynamic behaviour of the damaged chromatin. This methodology allowed us to identify PAR-dependent factors involved in the local chromatin remodeling upon DNA damage.

Pendant longtemps, la chromatine a été uniquement décrite comme un moyen de compacter près de deux mètres d’ADN dans un noyau de quelques micromètres de diamètre. On sait aujourd’hui que la chromatine représente en fait un élément majeur de régulation de toutes les fonctions nucléaires impliquant l’ADN. Dans le contexte de dommages de l’ADN induits par irradiations UV, la chromatine endommagée subit une décondensation rapide et transitoire qui l’amène à occuper un volume 1,5 fois plus grand que son volume initial. Cette relaxation chromatinienne est associée à une plus grande accessibilité de l’ADN. Néanmoins, le lien entre ces deux effets découlant de la présence de dommages, n’a pas été établi, ni caractérisé. En couplant l’imagerie de cellules vivantes à l’induction de dommages ciblés au sein de noyaux cellulaires par micro-irradiation laser, ces travaux ont permis de mettre en évidence le rôle majeur de PARP1 dans la réponse chromatinienne aux dommages de l’ADN. En effet, certaines conclusions contradictoires présentes dans la littérature scientifique concernant l’action de PARP1 sur la chromatine ont été réconciliées en démontrant que PARP1 seul peut se lier à la chromatine et entraîner une plus forte compaction de celle-ci, tandis que son activité catalytique de PARylation va, quant à elle, conduire à une décompaction de la structure chromatinienne. Cette étude s’est aussi intéressée à la dynamique particulière de l’histone H1 suite aux dommages de l’ADN. En effet, celui-ci est rapidement exclu des zones de dommages par un mécanisme encore inconnu, et les éléments apportés ici suggèrent que H1 pourrait jouer un rôle dans la décondensation de la chromatine suite aux dommages de l’ADN. Pour finir, des techniques de photo-perturbation et de spectroscopie de corrélation de fluorescence ont été employées pour comprendre et caractériser l’environnement moléculaire que constitue la chromatine endommagée et décondensée. Bien qu’une augmentation significative des interactions entre la chromatine et certains de ses partenaires d’interactions soit observée au sein des zones endommagées, aucun changement en termes d’encombrement moléculaire n’a pu être mis en évidence à ce niveau qui pourrait expliquer une plus grande accessibilité de l’ADN. / For a long time, chromatin was only described as a mean to fit the two-meters long DNA molecule into a nucleus of only a few microns. It is admitted today that chromatin actually represents a key element in the regulation of all nuclear functions dependent on DNA. In the context of UV-induced DNA damage, chromatin undergoes a rapid and transient relaxation which leads to an expansion of the damaged area to 1.5 times its original size. While this chromatin response to damage is associated with a higher DNA accessibility, the link between those two phenomena, as well as the mechanisms driving them, are still poorly understood. Using live-cell imaging and laser micro-irradiation to induce DNA damage on specific nuclear areas, this work allowed to gain hindsight on the predominant role played by PARP1 in the DNA damage-induced chromatin relaxation. Indeed, showing that PARP1 at DNA damage sites can both induce chromatin compaction through its recruitment at DNA breaks or chromatin decondensation through its PARylation activity helped reconcile its apparent opposite effects described in the literature. A focus was also made on the linker histone H1, as it displays a peculiar behavior upon DNA damage, being rapidly released from the site of DNA lesions. Even if the driving force behind H1 release from damaged chromatin areas has not been identified yet, its behavior suggests that H1 might play a part in chromatin relaxation or in increasing DNA accessibility upon DNA damage. Lastly, combining photo-activation techniques and fluorescence correlation spectroscopy, experiments were performed in order to understand the physical environment that damaged, relaxed chromatin constitutes. We report here that, while enhanced binding of random DNA binding factors is observed in the damaged chromatin area, no significant change is observed in the macromolecular crowding levels that could potentially explain this enhanced binding, as well as a higher DNA accessibility.

Ce travail porte sur l’étude électrochimique et par microscopie de fluorescence in situ de l’auto-assemblage, sur électrode d’or, de monocouches d’aptamères peptidiques de la protéine p53 en vue de la détection de la protéine MDM2. L’utilisation de nouvelles sondes de reconnaissance moléculaire telles que les aptamères peptidiques a été considérée en tant qu’alternative à l’utilisation d’anticorps. Les aptamères peptidiques sont des séquences synthétiques de peptide se liant à la protéine cible avec une affinité et une spécificité élevées. La première partie de ce travail porte sur l’étude électrochimique de l’interface modifiée résultant de diverses procédures d’immobilisation. Des mesures en présence du marqueur rédox [Ru(NH3)6]3+ ont démontré l’immobilisation de la sonde peptidique à la surface d’or et ont permis l’évaluation relative de la densité de sondes adsorbées à la surface respectivement à la méthode d’immobilisation considérée. Par ailleurs, des mesures en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- ont mis en évidence une inhibition drastique du transfert d’électron dans le cas de monocouches composées exclusivement du peptide. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la détection de la protéine MDM2. Trois interfaces modifiées ont été envisagées soit deux monocouches mixtes de peptide et de 4-mercaptobutan-1-ol, ce dernier jouant le rôle de diluant, adsorbés en une ou en deux étape(s), et une monocouche uniquement composée de peptide. L’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- comme méthode de détection a mis en exergue la pertinence de cette dernière interface pour la détection. En effet, l’inhibition du transfert d’électron préalablement identifiée est fortement amoindrie suite à l’interaction avec la protéine cible. Une gamme de détection s’étendant de ~1 à 60 ng mL-1 et une limite de détection de 0,69 ng mL-1 ont été obtenues. Cette performance est comparable à celle des kits ELISA commerciaux. La fiabilité et la spécificité de la réponse ont été vérifiées par le biais de contrôles négatifs sur trois protéines, en l’occurrence le fibrinogène, le cytochrome c et l’albumine de sérum bovin, et validées par des mesures complémentaires de microbalance à cristal de quartz.La troisième partie de ce travail est consacrée à l’étude, par microscopie de fluorescence in situ, de l’organisation de la monocouche résultant des trois procédures d’auto-assemblage précitées. Ces mesures ont permis la mise en évidence d’une distribution hétérogène de la densité en sondes, et plus particulièrement la présence d’agrégats. Ceux-ci ne peuvent être désorbés de la surface par l’application de potentiels même très négatifs (-1,450 V vs Ag / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished