La modélisation des performances énergétiques (enthalpie de formation et impulsion spécifique) de nouveaux composés fortement azotés basés sur le squelette du tétrazène (N-N=N-N) a permis de sélectionner de nouvelles cibles pour la propulsion spatiale dans le but de remplacer les hydrazines (MMH ou UDMH) dans les systèmes à biergols stockables. L'étude expérimentale de la faisabilité de synthèse et d'isolement de ces nouveaux composés a mis en évidence le caractère très sensible des dérivés azobistétrazolés vis-à-vis des stimuli mécaniques (BAM choc et BAM friction) et électrostatiques (ES) d'une part, et l'impossibilité d'accéder à des dérivés tétrazolines ou tétrazolidines par hydrogénation catalytique ou par réduction du cycle tétrazole, d'autre part. Cette étude a également permis l'obtention de dérivés mono- et di-azoturés d'alkyltétrazènes par une ix-azoturation directe du 1,1',4,4'-tétraméthyl-2-tétrazène (TMTZ) : il s'agit du 1-azidométhyl-1',4,4'-triméthyl-2-tétrazène (MATMTZ) et du 1,4-di(azidométhyl)-1',4'- diméthyl-2-tétrazène (1,4-DADMTZ), respectivement. L'optimisation de la synthèse a permis de définir les conditions optimales pour une conversion totale et exclusive du TMTZ, en dérivé mono- ou di-azoturé, dont la stabilité thermique a été étudiée à différentes températures. La structure du dérivé di-azoturé a été confirmée par des analyses NOESY en association avec des calculs de distances interatomiques. Les propriétés énergétiques de ces deux nouveaux composés en font de bons candidats pour la propulsion du futur / The modelisation of energetic performance (Heat of formation and specific impulse) of new highly nitrogen compounds based on tetrazene bones led to the selection of new focuses for space propulsion application in order to replace hydrazines (MMH and UDMH). In one hand, study on experimental faisability and isolation of new compounds showed the sensibility of azobistetrazole derivatives to impact and friction test (BAM choc et BAM friction) and in another hand, tetrazoline and tetrazolidine derivatives were not syntheses by catalytic hydrogenation or classical reduction of tetrazole derivatives. In this study, we achieved to synthesis new alkyltetrazenes by direct azidonation of 1,1',4,4'-tetramethyl-2-tetrazene (TMTZ): it was the 1,4-di(azidomethyl)-1',4'-dimethyl-2-tetrazene (DADMTZ) and the 1-azidomethyl-1',4,4' trimethyl-2-tetrazene (MATMTZ). Synthesis optimization led to the optimal conditions for total and exclusive conversion of TMTZ in mono- or di-azido derivatives. Thermal stability was studied at different temperature and the structure of the di-azido derivatives was confirmed by NOESY experiment in association with modelisation

Nous avons développé la base HBVdb (http://hbvdb.ibcp.fr) pour permettre aux chercheurs d'étudier les caractéristiques génétiques et la variabilité des séquences du virus de l'hépatite B (VHB), ainsi que la résistance virale aux traitements. HBVdb contient une collection de séquences annotées automatiquement sur la base de génomes de référence annotés manuellement, ce qui assure une nomenclature normalisée pour toutes les entrées de la base. HBVdb est accessible via un site Web dédié avec des outils d'analyses génériques et spécialisés (annotation, génotypage, détection de profils de résistance), et des jeux de données pré-calculés. La polymérase du VHB est la principale cible des traitements anti-VHB. Les analogues de nucléos(t)ides (NA) inhibent l'activité de la transcriptase inverse (RT), mais il existe des mutations de résistance aux NA. Cependant, un autre domaine enzymatique pourrait être une cible potentielle : la RNase H, liée au domaine RT, permettant la dégradation de l'ARN durant la transcription inverse. Pour pallier l'absence d'une structure expérimentale résolue, et grâce à l'analyse de séquences à partir de HBVdb, nous avons construit le modèle par homologie de la RNase H, qui a permis de définir les caractéristiques de cette RNase H de type 1. Enfin pour vérifier des hypothèses émises à partir de ce modèle, et pour le placer dans son contexte, nous avons construit un modèle plus étendu de la polymérase du VHB, qui comprend la les domaines RT et RNase H, et contribue à répondre à la question sur l'existence d'un domaine de connexion les reliant. Nous avons utilisé notre modèle pour analyser les interactions entre le site catalytique de la RT et le ténofovir / We developed HBVdb (http://hbvdb.ibcp.fr) to allow researchers to investigate the geneticcharacteristics and variability of the HBV sequences and viral resistance to treatment. HBVdb contains a collection of computer-annotated sequences based on manually annotated reference genomes. The automatic annotation procedure ensures standardized nomenclature for all HBV entries across the database. HBVdb is accessible through a dedicated website integrating generic and specialized analysis tools (annotation, genotyping, resistance profile detection), and pre- computed datasets. The HBV polymerase is the main target of anti-HBV drugs, nucleos(t)ides analogues (NA), which inhibit the activity of reverse transcriptase (RT), but NA resistance mutations appeared. Nevertheless, another enzymatic domain could be a potential drug target: RNase H domain, linked to RT, and involved in degradation of the RNA during the reverse transcription. To overcome the lack of experimental solved structure, thanks to sequences analysis from HBVdb, we built an homology model of RNase H, which helped to define the features of this type 1 RNase H. Finally, to confirm assumptions from this model and to put it in a more global context, we built an extensive HBV polymerase model, which includes the RT and RNase H domains, and helps to answer the question about the existence of connection domain linking them. We performed analyses on this model, regarding the interactions between the RT catalytic site and the Tenofovir, mapping known resistance mutations and the most variables positions of the HBV polymerase

Les antibiotiques sont les médicaments les plus utilisés dans la médecine moderne. Depuis leurs découvertes, ils ont drastiquement changé la façon dont les infections sont traitées. Toutefois, à travers le processus d’adaptation, les bactéries deviennent éventuellement résistantes aux antibiotiques. Malgré leur omniprésence dans la biosphère, l’émergence de souches résistantes est favorisée par le mauvais usage des antibiotiques, ce qui crée une menace importante pour la santé publique. Les antibiotiques actuelles perdent graduellement leur efficacité, et vue le faible nombre de nouvelles molécules développées, la priorité est donnée pour la découverte de nouvelles stratégies capables de combattre les pathogènes. Les nouvelles cibles thérapeutiques idéales doivent exercer une faible pression évolutive, diminuer la virulence et être unique aux microorganismes. Une façon d’atteindre cet objectif est d’interférer dans la régulation et l’homéostasie du Fer chez les bactéries. La biodisponibilité du Fer a fortement influencé l’émergence de la vie sur terre et les stratégies évolutives qu’elle a adoptée. Ce qui a mené à l’apparition d’un mécanisme central de détection du Fer assurant la régulation de cet élément de haute importance. Ce senseur est un point faible que nous pourrons exploiter dans notre combat contre les infections bactériennes. La protéine Fur, pour « Ferric Uptake Regulator », est un régulateur de transcription métal dépendant qui est impliqué dans vaste réseau de régulation contrôlant principalement l’homéostasie du Fer et l’expression de facteurs de virulence. Le travail présenté dans ce manuscrit complète les études précédentes sur des inhibiteurs de la protéine Fur en utilisant une approche combinée théorique et expérimentale grâce a des expériences de XAS, SAXS et MALLS associé a de la modélisation moléculaire. Nous décrivons pour la première fois la structure de Fur d’E. coli ainsi que la structure d’un tétramère de Fur d’un mutant de P. aeruginosa. Par ailleurs, les profils d’énergie libre des protéines Fur de différentes espèces ont été déterminé, pour des complexes tetramériques ou dans le cas de dimères liés à l’ADN, permettant une compréhension préliminaire de leur mécanistique. Les informations structurales obtenues grâce aux travaux présentés dans ce manuscrit permettront de mieux comprendre les mécanismes d’inhibition des protéines Fur ainsi que fournir de nouvelles opportunités pour le développement de molécules a visée thérapeutique. / The most commonly prescribed drugs in human medicine are antibiotics. Since their discovery, they have drastically impacted the way we treat infections. However, a bacterium eventually becomes resistant to antimicrobial treatment through the natural process of adaptative evolution. Even if resistant bacteria are omnipresent in the biosphere, their emergence rate is accelerated by the misuse of antimicrobial agents leading to the public health threat we are facing now. As currently available antimicrobial agents lose their effectiveness and very few new drugs are being developed, a breakthrough in new strategies to fight pathogens should be a priority. Ideal new therapeutic targets should exert weak evolutionary pressure, disarm or weaken the pathogen and be unique to microorganisms. One way to do so is by interfering with the iron regulation and its homeostasis within Bacteria. The bioavailability of iron strongly influenced early life and the metabolic strategies that sustained it. A central iron sensing mechanism evolved to ensure the regulation of such an important element. Sadly for bacteria this sensor became an exploitable weakness in our battle against infection. The “Ferric Uptake Regulator” is a metal dependent transcription regulator with a large regulatory network controlling iron homeostasis and bacterial virulence. This work continues previous investigations on Fur inhibitors using a combined experimental and theoretical approach by performing XAS, SAXS and MALLS experiments together with computer simulations. We describe for the first time the structures of Fur from E. coli in addition to a tetrameric Fur structure of a mutant from P. aeruginosa. Moreover, free energy profiles of Fur proteins, as tetramers or dimers bound to DNA, from different species were generated and key residues involved in the interactions determined, providing mechanistic insights into Fur complexes. The structural information gathered from this work will be used to better understand inhibition mechanisms of Fur proteins providing new opportunities to overcome drug development challenges.

Les interactions protéine-protéine (IPPs) contrôlent de nombreux processus physiologiques importantsdans les cellules humaines. Une caractéristique des cancers est l'échappement des cellules àl'apoptose, qui est souvent associé à la surexpression de protéines anti-apoptotiques, membres de lafamille de protéines Bcl-2. Cette famille comprend des membres anti-apoptotiques (Bcl-2, Bcl-xL,Mcl-1) et pro-apoptotiques. Dans de nombreux cancers dont les cancers de l’ovaire chimiorésistants,l'équilibre entre les membres pro- et anti-apoptotiques de la famille de protéines Bcl-2 est altéré etconduit à la survie des cellules cancéreuses. Une des stratégies envisagées pour surmonter cettechimiorésistance est rétablir l’apoptose par l’inhibition concomitante des protéines Mcl-1 et Bcl-xL.L’objectif est de concevoir des inhibiteurs à dualité d’action visant les protéines Mcl-1 et Bcl-xL.Les travaux antérieurs du laboratoire ont permis la découverte d’un inhibiteur sélectif de la protéineMcl-1, appelé Pyridoclax. Par une approche combinant les méthodes de Fragment-Based Drug Designet Structure-Based Drug Design, à partir de la structure du Pyridoclax, la conception de dual inhibiteurs,leur synthèse et leur évaluation biologique, sont rapportées dans cette thèse. L’exploration de nouveauxespaces chimiques et biologiques est ainsi rendue possible par la mise en oeuvre de cette approche ausein de laquelle le développement de nouvelles méthodologies de synthèse dans le but de concevoirdes fragments tridimensionnels originaux sera présenté.Ces travaux de thèse ont permis de concevoir, synthétiser et caractériser plus de 90 molécules.Certaines ont montré une activité pro-apoptotique intéressante en inhibant les protéines Mcl-1 et Bcl-xLnotamment. / Protein-protein interactions (PPIs) control many important physiological processes within human cells.A hallmark of cancers is the escape of cells from apoptosis, which is often associated with theoverexpression of the anti-apoptotic proteins of the Bcl-2 family. This family comprises pro-survival(Bcl-2, Bcl-xL, Mcl-1) and pro-apoptotic members. In many cancers and, in particular, chemoresistantovarian cancers, the balance between the pro- and anti-apoptotic Bcl-2 family members is alteredleading to the survival of cancerous cells. One of the strategies used to overcome chemoresistance isto re-establish apoptosis by the concomitant inhibition of Mcl-1 and Bcl-xL proteins. Therefore, theobjective is to design dual Mcl-1/Bcl-xL inhibitors.Our groups previous work allowed the discovery of a selective Mcl-1 inhibitor, named Pyridoclax. UsingFragment-Based Drug Design and Structure-Based Drug Design approaches, from the structure ofPyridoclax, the design, synthesis and biological evaluation of dual inhibitors are reported in this thesis.The exploration of novel chemical and biological space is possible by the implementation of thisapproach. The development of synthetic methodologies for the design of new 3-dimensional fragmentswill be presented.In this work, around 90 molecules were synthesized using an approach which combined Fragment-Based Drug Design and Structure-Based Drug Design methods. Some showed a pro-apoptotic activityby inhibiting Mcl-1 and Bcl-xL proteins.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude structurale de peptides urotensinergiques humains par DC, RMN etmodélisation moléculaire. L’hUII (11 aa) et son analogue l’URP (8 aa) sont considérés comme les peptides vasoactifs les plus puissants connus à ce jour et sont impliqués dans divers systèmes biologiques, notamment le système cardiovasculaire et la prolifération des cellules tumorales. Ces deux peptides sont des ligands endogènes d'un RCPG, l’UT. Ils peuvent exercer des actions physiologiques communes mais aussi divergentes. Afin d’apporter des éléments permettant une meilleure compréhension de leurs activités biologiques, nous avons, dans un premier temps, déterminé la structure 3D de trois agonistes (hUII4-11, URP,P5U) et d’un antagoniste (urantide) dans un milieu micellaire mimant les membranes des cellules eucaryotes, le DPC. Dans les quatre peptides, nous avons observé la présence de deux conformations majoritaires du pont disulfure, RHStaple et LHHook, qui sont connues pour être essentielles à l’activité biologique. Nous avons mis en évidence une différence de nature de coude entre les agonistes (coude β de type I) et l’antagoniste (coude β de type II’). Nos analyses ont également permis de montrer l’existence de variations d’orientation des chaînes latérales des résidus F6, Y9 et plus spécialement celle de W7 entre les agonistes etl’antagoniste. Le groupe indole du D-W7 présente ainsi une rotation de 180°. Dans un deuxième temps, nous avons mis en évidence un impact de la concentration sur la conformation de l’hUII qui n’est pas observé pour l’URP. Ce phénomène d’auto-association pourrait avoir une influence sur l’interaction avec le récepteur et être à l’origine des divergences d’activités biologiques entre l’hUII et l’URP. / This work aims to characterize the structure of human urotensinergic peptides by CD, NMR and molecular modelling. hUII (11 aa) and its analogue URP (8 aa) are considered as the most potent vasoactive peptides known so far and are involved in various biological systems, including the cardiovascular system and tumor cell proliferation. These two peptides are endogenous ligands of a GPCR, UT, and exert common but also divergent physiological actions. In order to gain a better understanding of their biological activities, we determined the structures of three agonists (hUII4-11, URP, P5U) and one antagonist (urantide), in DPC micelles, a cellular eukaryotic mimetic membrane. For all peptides, we observed the presence of two major forms of the disulfide bridge, RHStaple and LHHook, which are known to be essential for biological activity. We showed a difference in the turn nature between agonists (type I β turn) and the antagonist (type II’ β turn). Our analyses also revealed that, in agonists and antagonist, the side chain orientations of residues F6, Y9 and more specifically W7 were different. Indeed, the indole group of D-W7 exhibited a 180° rotation. Secondly, we showed that, contrary to URP, the conformation of hUII was dependent on concentration. This selfassembly phenomenon may impact the interaction with the receptor and be responsible for the differential biological activities of hUII and URP.

Dans le cadre de cette thèse nous nous intéressons à la découverte de nouveaux ligands originaux de la tubuline ayant une activité inhibitrice de sa polymérisation. Pour ce faire, une étude rationnelle in silico est effectuée afin d’obtenir des molécules actives in vitro sur cette protéine. Lors de cette première année de thèse nous avons mis en place en collaboration avec l’équipe de modélisation de BioCIS – CNRS (Dr. G. Bernadat et Pr. T. Ha-Duong) un criblage virtuel sur une chimiothèque de plus de 3 millions de structures chimiques présentes dans la base de données ZINC en fonction de descripteurs structuraux. Ce criblage nous a permis de faire ressortir une trentaine de molécules potentiellement actives. Nous avons déjà synthétisé un quart de ces molécules qui sont actuellement en cours d’évaluation biologique en collaboration avec l’équipe de Biochimie et Chimie structurale des substances naturelles (Dr. J. Bignon et Dr. J. Dubois) de L’Institut de Chimie et des Substances Naturelles. Pour cette année, nous allons continuer la synthèse des molécules issues de ce criblage afin de pouvoir évaluer leurs activités sur la tubuline. En fonction des résultats biologiques, nous pourrons également effectuer des pharmacomodulations afin d’améliorer l’activité d’éventuelles touches. / As part of this work we are interested in discovering new ligands original tubulin inhibitory activity having its polymerization. To do this, rational in silico study is performed to obtain the active molecules in vitro that protein. During this first year of thesis we have developed in collaboration with the modeling team BioCIS - CNRS (Dr. G. Bernadat and Prof. T. Duong Ha.) A virtual screening a chemical library of more than 3 million chemical structures in the ZINC database according to structural descriptors. This screening allowed us to bring out thirty of potentially active molecules. We have already synthesized a quarter of these molecules that are currently being biological evaluation in collaboration with the team of Biochemistry and Structural chemistry of natural substances (Dr. J. Bignon and Dr. J. Dubois) of The Institute Chemistry and Natural Products. For this year, we will continue the synthesis of molecules from this screening in order to assess their activities on tubulin. Depending on the laboratory results, we can also perform pharmacomodulations to improve any potential ligands.

De nombreuses protéines associées aux maladies neurodégénératives humaines sont intrinsèquement désordonnées. Ce sont des protéines qui sont dépourvues de structure tertiaire ou secondaire stable dans des conditions physiologiques. Plus précisément, les protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) subissent diverses changements conformationnels entre la pelote aléatoire, des conformations hélicoïdales et des structures en feuillet-β, ces deux dernières étant généralement impliquées dans la reconnaissance protéine-protéine. Parmi une vingtaine de peptides amyloïdogènes connus liés aux maladies dégénératives humaines, notre étude porte sur deux protéines désordonnées: le peptide Amyloïde-β (Aβ) associé à la maladie d'Alzheimer et l'Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) impliqué dans le diabète de type II. Aβ possède deux alloformes courants de 40 et 42 résidus, tandis que IAPP est une hormone peptidique de 37 résidus. Les agrégats de Aβ sont toxiques pour les cellules du cerveau, tandis que la fibrillisation de IAPP affecte les cellules-β du pancréas. Le mécanisme d'agrégation de ces deux peptides reste encore mal connu, mais il a été proposé qu’en solution, ces peptides visitent différentes conformations, l'une d'entre elles étant riche en feuillets-β. Cela conduirait à l’oligomérisation de ces peptides, par le biais d’interactions feuillet-β / feuillet-β et, éventuellement, à la formation de fibrilles. Le but de notre étude est de mieux caractériser la dynamique conformationnelle de ces deux peptides, dans leur forme monomérique et oligomérique. Comprendre les premières étapes de leur agrégation est crucial pour le développement de nouvelles molécules thérapeutiques efficaces contre ces protéines amyloïdes. / Many proteins associated with human neurodegenerative diseases are intrinsically disordered. They are proteins which lack stable tertiary or secondary structure under physiological conditions. More specifically, intrinsically disordered proteins (IDPs) undergo various structural conversions between random coil, helical conformations and β-strand structures, these two latter being generally involved in protein-protein recognition. Among about twenty known amyloidogenic peptides related to human degenerative diseases, we focus our study on two disordered proteins: the Amyloid-β peptide (Aβ) associated to the Alzheimer’s disease and the Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) involved in type II diabetes. Aβ has two common alloforms of 40 and 42 residues in length, meanwhile IAPP is a 37-residues peptide hormone. Aggregates of Aβ are toxic to the brain cells, meanwhile IAPP fibrillization affects the pancreatic β-cells. The aggregation mechanism of these two peptides is not known in detail, but it was proposed that in solution, these peptides visit various conformations, one of them being rich in β-strands. This would lead to peptide oligomerization, through β-strand / β-strand interactions and eventually to the fibril formation. The aim of our study is to provide insights into the conformational dynamics of these two peptides in monomeric and oligomeric forms. Understanding the early steps of their aggregation is crucial for the development of new effective therapeutic molecules against these amyloid proteins.De nombreuses protéines associées aux maladies neurodégénératives humaines sont intrinsèquement désordonnées. Ce sont des protéines qui sont dépourvues de structure tertiaire ou secondaire stable dans des conditions physiologiques. Plus précisément, les protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) subissent diverses changements conformationnels entre la pelote aléatoire, des conformations hélicoïdales et des structures en feuillet-β, ces deux dernières étant généralement impliquées dans la reconnaissance protéine-protéine. Parmi une vingtaine de peptides amyloïdogènes connus liés aux maladies dégénératives humaines, notre étude porte sur deux protéines désordonnées: le peptide Amyloïde-β (Aβ) associé à la maladie d'Alzheimer et l'Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) impliqué dans le diabète de type II. Aβ possède deux alloformes courants de 40 et 42 résidus, tandis que IAPP est une hormone peptidique de 37 résidus. Les agrégats de Aβ sont toxiques pour les cellules du cerveau, tandis que la fibrillisation de IAPP affecte les cellules-β du pancréas. Le mécanisme d'agrégation de ces deux peptides reste encore mal connu, mais il a été proposé qu’en solution, ces peptides visitent différentes conformations, l'une d'entre elles étant riche en feuillets-β. Cela conduirait à l’oligomérisation de ces peptides, par le biais d’interactions feuillet-β / feuillet-β et, éventuellement, à la formation de fibrilles. Le but de notre étude est de mieux caractériser la dynamique conformationnelle de ces deux peptides, dans leur forme monomérique et oligomérique. Comprendre les premières étapes de leur agrégation est crucial pour le développement de nouvelles molécules thérapeutiques efficaces contre ces protéines amyloïdes.

La maladie d'Alzheimer représente un défi mondial pour la société. Il n'y a pas à ce jour de traitement efficace pour traiter ou ralentir les symptômes de la maladie d'Alzheimer. Cette maladie est caractérisée par une perte de synapses, une augmentation du nombre de plaques extracellulaires d'Abêta et une augmentation de Tau hyperphosphorylée agrégée intracellulaire (neurodégénérescence fibrillaire). Il est communément admis que la maladie d'Alzheimer est principalement liée à l’oligomérisation et à la fibrillation de peptides amyloïdes bêta, et que les oligomères Abêta solubles et les fibres sont des espèces neurotoxiques. Une stratégie pour réduire la présence de ces espèces toxiques de Abêta est l'utilisation de peptides ou de peptidomimétiques pour inhiber l'agrégation de Abêta, soit par interaction avec les oligomères d'Abêta pour empêcher davantage son agrégation en fibres ou en stabilisant les conformations hélicoïdales transitoires de Abêta pour empêcher sa transition vers des structures en feuillets bêta. Dans un premier temps, sur la base des résultats encourageants de glycopeptides contenant un élément polaire casseur de feuillets bêta pour moduler l'agrégation du peptide Abêta, et des propriétés uniques du groupe trifluoromethylhydroxyle, nous avons conçu et synthétisé des mimes de pentapeptides contenant la séquence (Boc) Ala-Val-X-Val-Leu-OMe (X = Ser, Thr, (2S, 3R)-CF3 Thr et (2S, 3S)-CF3 Thr), pour interagir avec le site de nucléation du peptide Abêta dans sa forme monomérique ou oligomérique de manière à perturber l'auto-assemblage en oligomères toxiques. Des études conformationnelles par RMN 2D et par modélisation moléculaire ont indiqué que ces peptides adoptent des conformations étendues dans des solvants polaires (eau et méthanol). Nous avons constaté expérimentalement et théoriquement que les pentapeptides contenant l’acide aminé non naturel (2S, 3S)-CF3-thréonine sont plus étendus que les pentapeptides contenant les acides aminés naturels L-sérine et L-thréonine. Nous avons également observé que les pentapeptides (2S, 3S)-CF3-Thr ont une propension à s’auto-associer en formant des brins bêta intermoléculaires. La capacité de ces pentapeptides à inhiber la formation de fibres amyloïdes a été évaluée sur les peptides Abêta 1-42 et IAPP (impliqué dans le diabète de type II) par des essais de fluorescence à la thioflavine T (ThT). Il a été constaté qu'aucun de ces pentapeptides ont un effet d'inhibition de l'agrégation des peptides Abêta 1-42 et IAPP. Au contraire, certains composés ont montré un effet d'accélération de l'agrégation de IAPP. Accélérer l'agrégation est moins intuitif mais cette stratégie a plus récemment suscité un intérêt. Il pourrait être intéressant d'étudier plus en détail l’intérêt de cette accélération de l'agrégation de IAPP par des techniques complémentaires.Dans une deuxième partie de cette thèse, nous avons assemblé une unité amino acide basée sur un motif CF3-1,4 disubstituted-1,2,3-triazole en homo-oligomères (trimères et tétramères) et en peptidomimétiques. Des études conformationnelles de ces oligomères fluorés ont été menées par RMN 2D et par des simulations de modélisation moléculaire. Nos études préliminaires de modélisation moléculaire prévoient des structures hélicoïdales avec des trimères et des tétramères d'acides aminés à base de ces CF3-triazoles. L'analyse par RMN 2D du tétramère affiche des corrélations NOE très intéressantes, ce qui indique une structure repliée. La capacité de ces oligomères fluorés à moduler la formation de fibres amyloïdes des peptides Abêta 1-42 et IAPP a été évaluée par test de fluorescence à la ThT. Nous avons constaté que le trimère est un faible inhibiteur de l'agrégation de Abêta 1-42, mais aussi un promoteur d'agrégation de IAPP. Le tétramère a été trouvé capable de moduler l'agrégation de Abêta 1-42 et de IAPP, mais non d'une manière classique d'inhibition ou de promotion. / It has been widely recognized that Alzheimer’s disease (AD) represents an unsettling, worldwide challenge for society. By far, there has been no effective cure for AD. Pathologically, AD is characterized by a loss of synapses, an increase in the number of extracellular Abeta plaques and an increase in intracellular aggregated hyperphosphorylated Tau (neurofibrillary tangles). It is commonly believed that AD is primarily linked to oligomerization and fibrillization of amyloid beta peptides, and the soluble Abeta oligomers and fibrils are neurotoxic species.One strategy to reduce the Abeta fibrils is the use of peptides or peptidomimetics to inhibit the Abeta aggregation either by interaction with the Abeta oligomers to prevent its further aggregation into fibrils, or by stabilizing the transient Abeta α-helical conformations to prevent its transition to beta-sheet structures.In the first direction, based on the encouraging results of the glycopeptides containing the polar sugar beta-sheet breaker element to modulate Abeta peptide aggregation and the unique properties of trifluoromethylhydroxyl group, we designed and synthesized pentapeptide mimics with the sequence (Boc) Ala-Val-X-Val-Leu-OMe (X = Ser, Thr, (2S, 3R)-CF3-Thr and (2S, 3S)-CF3-Thr) to interact with the nucleation site of Abeta peptide in its monomeric or oligomeric form so as to disrupt the self-assembly into toxic oligomeric form. Both 2D NMR and molecular modelling studies indicated that these peptides in polar solvent (water and methanol) adopt mainly extended backbone conformations. It is found both experimentally and theoretically that, the (2S, 3S)-CF3-threonine-containing pentapeptides are more extended than the L-serine- and L- threonine-containing pentapeptides. It is also observed that the (2S, 3S)-CF3-Thr pentapeptides have a propensity to self-associate of by forming intermolecular beta-strand contacts. The ability of these pentapeptides to inhibit amyloid fibril formation was evaluated on Abeta1-42 and IAPP peptides by ThT fluorescence assay. It was found that none of these pentapeptides have any inhibition effect in Abeta1-42 peptide and IAPP aggregation. On the contrary, some compounds showed an acceleration effect in IAPP aggregation. Accelerating the aggregation pathways is less intuitive but this strategy has more recently aroused interest. It could be interesting to further study the effect of accelerating IAPP aggregation by complementary techniques.In the other direction, we have assembled novel a CF3-1,4-triazole-based amino acid mimic into homo-oligomers (trimer and tetramer) and peptidomimetics. The fluorinated oligomers were investigated both by NMR conformational studies and molecular modelling simulations. Our preliminary modelling studies predict helical structures with trimer and tetramers of CF3-1,4-disubstituted- 1,2,3- triazole-based amino acid. NMR analysis of tetramer displayed very interesting NOE correlations, indicating a folded structure. The ability of these fluorinated oligomers to modulate the amyloid fibril formation of Abeta1-42 and IAPP peptides were evaluated by ThT fluorescence assay. It was found that trimer was a weak inhibitor of Abeta1-42 aggregation but also a promoter of IAPP aggregation. The tetramer was found able to modulate the aggregation of Abeta1-42 and IAPP but not in a classical inhibition or promotion manner.

L’homme possède ~400 gènes codant pour des récepteurs aux odorants (ROs) qui sont différentiellement activés par un espace virtuellement infini de molécules. Le code combinatoire qui résulte de cette activation permettrait au nez humain de discriminer plus de mille milliards de stimuli olfactifs différents. Mais comment le percept est-il encodé dans la structure d’une molécule ? Pour comprendre comment notre nez décrypte la structure des molécules odorantes, des modèles numériques ont été utilisés pour étudier les principaux protagonistes de l’olfaction : les ROs et les odorants. Ici, l’apprentissage automatique est utilisé pour explorer et exploiter les données déjà existantes sur les ROs. D’autre part, la modélisation moléculaire est employée pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent la reconnaissance moléculaire. Dans cette thèse j’ai passé en revue les relations structure-odeur du point de vue d’un chimiste. J’ai ensuite développé un protocole d’apprentissage automatique, qui a été validé pour prédire de nouveaux ligands pour quatre ROs. La modélisation moléculaire a été utilisée pour comprendre la reconnaissance moléculaire des ROs. Notamment, l’existence d’un site vestibulaire conservé dans une classe de ROs a été mis en évidence et le rôle de la cavité de liaison orthostérique dans les ROs a été étudiée. L’application de ces techniques permet de moderniser la déorphanisation guidée par ordinateur. Dans sa globalité, mes travaux ont aussi permis de préparer le terrain pour tester de façon virtuelle le code combinatoire des odeurs, et pour prédire la réponse physiologique déclenchée par ces molécules. Dans son ensemble, ce travail ancre la relation structure-odeur dans l’ère post-génomique, et souligne la possibilité de combiner différentes approches computationnelles pour étudier l’olfaction. / Humans have ~400 genes encoding odorant receptors (ORs) that get differentially activated by a virtually infinite space of small organic molecules. The combinatorial code resulting from this activation could allow the human nose to discriminate more than one trillion different olfactory stimuli. But how is the percept encoded in the structure of a molecule? To understand how our nose decrypts the structure of molecules, numerical models were used to study the main protagonists of olfaction: ORs and odorants. These approaches included machine-learning methods to explore and exploit existing data on ORs, and molecular modeling to understand the mechanisms behind molecular recognition. In this thesis I first review the structure-odor relationships from a chemist's point of view. Then, I explain how I developed a machine learning protocol which was validated by predicting new ligands for four ORs. In addition, molecular modeling was used to understand how molecular recognition takes place in ORs. In particular, a conserved vestibular binding site in a class of human ORs was discovered, and the role of the orthosteric binding cavity was studied. The application of these techniques allows upgrading computer aided deorphanization of ORs. My thesis also establishes the basis for testing computationally the combinatorial code of smell perception. Finally, it lays the groundwork for predicting the physiological response triggered upon odorant stimulation. Altogether, this work anchors the structure-odor relationship in the post-genomic era, and highlights the possibility to combine different computational approaches to study smell.

Le « Computational protein design » ou CPD est la recherche des séquences d’acides aminés compatibles avec une structure protéique ciblée. L’objectif est de concevoir une fonction nouvelle et/ou d’ajouter un nouveau comportement. Le CPD est en développement dans de notre laboratoire depuis plusieurs années, avec le logiciel Proteus qui a plusieurs succès à son actif.Notre approche utilise un modèle énergétique basé sur la physique et s’appuie sur la différence d’énergie entre l’état plié et l’état déplié de la protéine. Au cours de cette thèse, nous avons enrichi Proteus sur plusieurs points, avec notamment l’ajout d’une méthode d’exploration Monte Carlo avec échange de répliques ou REMC. Nous avons comparé trois méthodes stochastiques pour l’exploration de l’espace de la séquence : le REMC, le Monte Carlo simple et une heuristique conçue pour le CPD, le «Multistart Steepest Descent » ou MSD. Ces comparaisons portent sur neuf protéines de trois familles de structures : SH2, SH3 et PDZ. En utilisant les techniques d’exploration ci-dessus, nous avons été en mesure d’identifier la conformation du minimum global d’énergie ou GMEC pour presque tous les tests dans lesquels jusqu’à 10 positions de la chaîne polypeptidique étaient libres de muter (les autres conservant leurs types natifs). Pour les tests avec 20 positions libres de muter, le GMEC a été identifié dans 2/3 des cas. Globalement, le REMC et le MSD donnent de très bonnes séquences en termes d’énergie, souvent identiques ou très proches du GMEC. Le MSD a obtenu les meilleurs résultats sur les tests à 30 positions mutables. Le REMC avec huit répliques et des paramètres optimisés a donné le plus souvent le meilleur résultat lorsque toutes les positions peuvent muter. De plus, comparé à une énumération exacte des séquences de faible énergie, le REMC fournit un échantillon de séquences de grande diversité.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons testé notre modèle pour la conception de domaines PDZ. Pour l’état plié,nous avons utilisé deux variantes d’un modèle de solvant GB. La première utilise une frontière diélectrique protéine/solvant effective moyenne ; la seconde, plus rigoureuse, utilise une frontière exacte qui fluctue le long de la trajectoire MC. Pour caractériser l’état déplié, nous utilisons un ensemble de potentiels chimiques d’acide aminé ou énergies de références. Ces énergies de références sont déterminées par maximisation d’une fonction de vraisemblance afin de reproduire les fréquences d’acides aminés des domaines PDZ naturels. Les séquences conçues par Proteus ont été comparées aux séquences naturelles. Nos séquences sont globalement similaires aux séquences Pfam, au sens des scoresBLOSUM40, avec des scores particulièrement élevés pour les résidus au cœur de la protéine. La variante de GB la plus rigoureuse donne toujours des séquences similaires à des homologues naturels modérément éloignés et l’outil de reconnaissance de plis Super family appliqué à ces séquences donne une reconnaissance parfaite. Nos séquences ont également été comparées à celles du logiciel Rosetta. La qualité, selon les mêmes critères que précédemment, est très comparable, mais les séquences Rosetta présentent moins de mutations que les séquences Proteus. / Computational Protein Design, or CPD is the search for the amino acid sequences compatible with a targeted protein structure. The goal is to design a new function and/or add a new behavior. CPD has been developed in our laboratory for several years, with the software Proteus which has several successes to its credit. Our approach uses a physics-based energy model, and relies on the energy difference between the folded and unfolded states of the protein. During this thesis, we enriched Proteus on several points, including the addition of a Monte Carlo exploration method with Replica Exchange or REMC. We compared extensively three stochastic methods for the exploration of sequence space: REMC, plain Monte Carlo and a heuristic designed for CPD: Multistart Steepest Descent or MSD.These comparisons concerned nine proteins from three structural families: SH2, SH3 and PDZ. Using the exploration techniques above, we were able to identify the Global Minimum EnergyConformation, or GMEC for nearly all the test cases where up to10 positions of the polypeptide chain were free to mutate (the others retaining their native types). For the tests where 20positions were free to mutate, the GMEC was identified in 2/3 of the cases. Overall, REMC and MSD give very good sequences in terms of energy, often identical or very close to the GMEC. MSDperformed best in the tests with 30 mutating positions. REMCwith eight replicas and optimized parameters often gave the best result when all positions could mutate. Moreover, compared to an exact enumeration of the low energy sequences, REMC provided a sample of sequences with a high sequence diversity.In the second part of this work, we tested our CPD model forPDZ domain design. For the folded state, we used two variants ofa GB solvent model. The first used a mean, effective protein/solvent dielectric boundary; the second one, more rigorous, used an exact boundary that flucutated over the MCtrajectory. To characterize the unfolded state, we used a set of amino acid chemical potentials or reference energies. These reference energies were determined by maximizing a likelihoodfunction so as to reproduce the amino acid frequencies in naturalPDZ domains. The sequences designed by Proteus were compared to the natural sequences. Our sequences are globally similar to the Pfam sequences, in the sense of the BLOSUM40scores, with especially high scores for the residues in the core ofthe protein. The more rigorous GB variant always gives sequences similar to moderately distant natural homologues and perfect recognition by the the Super family fold recognition tool.Our sequences were also compared to those produced by the Rosetta software. The quality, according to the same criteria as before, was very similar, but the Rosetta sequences exhibit fewer mutations than the Proteus sequences.