Le stress oxydatif joue un rôle majeur dans la mort des cellules neuronales dans diverses conditions neuropathologiques. Cependant, les astrocytes réactifs, en produisant des facteurs neuroprotecteurs et antioxydants, sont capables de protéger les neurones contre le stress oxydatif. De ce fait, la protection des cellules gliales contre les facteurs nocifs, s’avère indispensable pour prévenir les dommages des cellules nerveuses. Les globines du cerveau, en particulier, la neuroglobine (Ngb) et l’hémoglobine (Hb), exprimées dans les cellules nerveuses, jouent un rôle important dans le métabolisme de l’oxygène. Récemment, il a été démontré, que ces protéines exercent des effets neuroprotecteurs dans les modèles expérimentaux de maladies neurodégénératives. Cependant, aucun effet glioprotecteur n’a été rapporté. Les objectifs de ce travail de thèse sont, de mettre en évidence les effets protecteurs de l’Hb et la Ngb dans les astrocytes en culture en présence d’un stress oxydant, et d’élucider les mécanismes intracellulaires mis en jeu. Nous avons démontré que l’Hb et la Ngb sont capables de promouvoir la survie des astrocytes en condition de stress oxydatif, et ce en réduisant significativement la surproduction des ROS, la surexpression des gènes pro-inflammatoires (IL-6, IL-33, iNOS), le dysfonctionnement mitochondrial et la stimulation de l’activité de la caspase-3/7. Nous avons montré aussi que les effets anti-apoptotiques impliquent l’activation des voies de signalisation ERK-MAPK. En outre, nous avons vérifié les effets glioprotecteurs sur un modèle animal de stress oxydatif chronique, les souris KO TP53INP1, ainsi que sur un modèle animal d’hypoxie. / Oxidative stress plays a major role in the death of neuronal cells under various neuropathological conditions. However, reactive astrocytes, by producing neuroprotective and antioxidant factors, are able to protect neurons against oxidative stress. Therefore, protecting glial cells from harmful factors is essential to prevent nerve cell damage. Brain globins, in particular, neuroglobin (Ngb) and hemoglobin (Hb), expressed in neurons and glial cells, play an important role in the metabolism of oxygen. Recently, it has been demonstrated that these proteins exert neuroprotective effects in experimental models of neurodegenerative diseases. However, no glioprotective effect has been reported. The objectives of this thesis work are to demonstrate the protective effects of Hb and Ngb in cultured astrocytes in the presence of oxidative stress and to elucidate the intracellular mechanisms involved. We have demonstrated That Hb and Ngb are able to promote the survival of astrocytes under oxidative stress conditions by significantly reducing over-production of ROS, overexpression of pro-inflammatory genes (IL-6, IL-33, iNOS) Mitochondrial dysfunction and stimulation of caspase-3/7 activity. We have also shown that anti-apoptotic effects involve the activation of ERK-MAPK signaling pathways. In addition, we verified the glioprotective effects on an animal model of chronic oxidative stress, KO mice TP53INP1, as well as on an animal model of hypoxia.

La neuroglobine humaine (Ngb) est une globine découverte en 2000 dont la fonction principale demeure encore inconnue. Par comparaison avec l’hémoglobine (Hb) et la myoglobine (Mb), les globines les plus étudiées, la Ngb possède une séquence en acides aminés particulière. Il en résulte des caractéristiques structurales propres à la Ngb. L’hème, qui constitue le site actif de la Ngb, est hexacoordiné par l’histidine distale 64 et existe sous deux formes isomères A et B. La Ngb comprend également un pont disulfure Cys46-Cys55 intramoléculaire.La relation entre ces spécificités et d’éventuelles fonctions de la Ngb demeure cependant assez mal explorée. Notre objectif durant la thèse, était de mettre en évidence in vitro l’influence de différents éléments structuraux sur les propriétés et la réactivité de la Ngb. Pour ce faire, les mutations H64V, F106L, A90P et C46G ont été réalisées. Des études expérimentales à l’aide de spectrophotométrie UV-visible, de dichroisme circulaire et de RMN, ont été effectuées pour caractériser les mutants synthétisés, tester leur stabilité en fonction du pH et évaluer leur réactivité vis-à-vis de la fixation du ligand CN.Nous avons ainsi montré que la structure de la Ngb était influencée par la présence de l’histidine distale, du pont disulfure et de l’environnement de l’hème. L’étude, pour la première fois, des coefficients d’extinction molaire des protéines mutées a permis de souligner l’impact des acides aminés au voisinage de l’hème mais aussi du pont disulfure sur l’environnement électronique de l’hème. Nous avons aussi mis en évidence que le pont disulfure et les acides aminés mutés influaient sur la capacité de la forme isomère A de la Ngb à fixer le cyanure. La forme isomère B est en revanche peu impactée par ces deux paramètres. Cela soulève la question de l’existence et de la fonction des deux formes isomères de l’hème in vivo. / The physiological function of Human Neuroglobin (Ngb), discovered in 2000, is still unknown. Compared to other classical globins Haemoglobin and Myoglobin, Ngb has some structural specificities. Its haem, which is its reactive centre, is hexacoordinated by distal histidine 64 and exists under two isomer forms A and B. Moreover, Ngb possesses an intramolecular disulfide bridge between two cysteines 46 and 55.The relationship between its structural characteristics and its functions in vivo does not remain well-understood. The goal of this thesis was to underline the impact of some structural features on the Ngb properties and reactivity in vitro. Thus Ngb variants H64V, F106L, A90P and C46G were produced. Experimental studies were performed by UV-Visible spectrophotometry, circular dichroism and NMR. Variants were characterized : their stability as a function of pH were tested and their reactivity trough the CN binding reaction were evaluated.We have shown that the Ngb structure was strongly dependant on the presence of the distal histidine, the disulfide bridge and the haem environment. The first and unique determination of variants’ molar absorption coefficients underlined the influence of the haem vicinity and disulfide bridge on the electronic haem environment. We have brought some evidence that the disulfide bridge and the mutated amino acids have an impact on the isomer A Ngb ability to bind the cyanide whereas isomer B is poorly affected by those two parameters. This phenomenon raises the issue of the existence and function of the two isomer forms in vivo.

Le but de cette thèse est de mettre en relation les propriétés structurale, dynamique et fonctionnelle de la forme humaine d’une nouvelle protéine découverte dans le cerveau des vertébrés en 2000 : la Neuroglobine. Dans un premier temps, j’ai réalisé une étude théorique dans laquelle un mécanisme à deux voies menant à la forme pentacoordinée avec cystéines oxydées a été mis en avant. A travers ce mécanisme, un conformère de la Neuroglobine au sein duquel le groupe prosthétique hème a basculé au cœur de la structure protéique a été déterminé. A partir des structures de ce mécanisme, une étude sur la diffusion de petits ligands au sein des cavités internes de la protéine à l’aide de la méthode de métadynamique a mis en évidence que la formation du pont disufure intramoléculaire favorisait la poche de ligation. De plus un certain nombre de voies de sortie pour les ligands a pu être obtenu. Pour compléter ce premier aspect de la thèse, une étude des propriétés mécaniques, communes avec les autres globines, a montré l’importance de quatre résidus centraux, dit mécaniquement sensibles, qui régulent les canaux d’accès aux différentes poches internes de la protéine, appelé phénomène de respiration. Dans un second temps, je me suis intéressé à l’interaction de la Neuroglobine avec un petit ligand via une étude expérimentale par ITC. La première conclusion importante est que la cinétique de ligation est plus importante lorsque le pont disulfure est formé. De plus j’ai observé une diminution de la cinétique lors du passage Wild Type vers C120S puis réaugmentation de la cinétique lors du passage C120S vers C46G/C55S/C120. Afin de comprendre ce phénomène, une simulation de la Neuroglobine triplement mutée a été réalisée au cours de laquelle un réseau de deux liaisons hydrogènes a été mis en avant. Ce réseau change considérablement les voies d’entrée/sortie pour les ligands. Ainsi la mutation 120 ferme une/ou plusieurs voies de sortie alors que la mutation 46 ouvre la voie naturelle des globines. Le changement observé étant important, une étude par RMN de Ngb TM et WT cystéines réduites a montré qu’il y avait une différence de structure entre ces formes pas seulement au niveau des points de mutation mais sur l’ensemble de la structure. Ces nouveaux résultats mettent ainsi en évidence le rôle important des trois cystéines chez la Neuroglobine humaine. / In this PhD work, I tried to link together the different structural, dynamic and fonctional properties of a new human protein discovered in the mamals brain in 2000: the Neuroglobin. First of all, I established a new two ways mecanism in order to get the pentacoodinated oxydized cysteins state using theoritical method. One of this mecanism’s conformer shows an important heme sliding inside of the proteic structure. Furthermore with help of metadynamic method, I studied the small ligand diffusion and migration in the internal cavity network. I showed the higher ligand affinity when the disulfide bridge is bond and we proposed an important number of exit pathways. Then we developed a method to understand the mechanical properties of the globins and we found four residues mechanically sensitive which form together a control access pathway between internal cavities, called breath phenomenon. Secondly I used ITC method in order to characterize the interaction between the Neuroglobin and a small ligand. From this experiment we highlighted that the kinetic ligation is faster when the disulfide bridge is formed. Then I noticed a relative decrease of the velocity when the mutation C120S is operated followed by a relative increase of the velocity for the triple mutation C46G/C55S/C120 compared to the Wild Type data. To understand these results, I performed a molecular simulation of the triple mutation Neuroglobin form. During this trajectory, I discovered a structure with a two hydrogen bonds network, which significantly changes the ligand entry/exit pathways. The 120 mutation closes one/several exit pathways while the 46 mutation opens the natural globin exit pathway. Because of the considerable structural change observed in the triple mutation Neuroglobin form, I decided to produce NMR results. These last points reveal a relative structure difference between the Wild Type oxidized cysteins form and the triple mutation form not only on the mutation points but also on the global structure. All these new results highlight the essential role of the three cysteins in the human Neuroglobin.