Depuis les années 1990, les oligomères du chitosane (COS) suscitent un intérêt croissant pour certaines applications biomédicales et alimentaires. Il est possible d'obtenir différents ratios d'oligomères à des degrés de polymérisation (DP) variant de 2 à 8 unités, selon le procédé d'hydrolyse du chitosane employé (chimique ou enzymatique). Il est difficile d'étudier leurs effets tant physiques que biochimiques de façon individuelle car ces oligomères sont difficiles à séparer et jusqu'à maintenant, leur commercialisation est limitée. Tout comme le chitosane, les oligomères possèdent des propriétés de complexation avec des ions métalliques de transition. Plusieurs facteurs interviennent lors de la formation de complexes avec le chitosane, notamment le pH, le degré de polymérisation (DP) ainsi que l'ion métallique. Le travail élaboré dans ce mémoire s'est basé sur l'hypothèse d'une séparation possible d'un mélange de COS (dimère, trimère, tétramère) en faisant intervenir l'affinité avec des ions métalliques en fonction du DP. Nous proposons ainsi une méthode chromatographique basée sur l'affinité entre les ions métalliques cuivre (II) et les groupements amine des oligomères de chitosane. La chromatographie d'affinité sur des ions métalliques immobilisés (IMAC) est déjà appliquée à la purification de biomacromolécules (protéines, ADN). L'adaptation de ce type chromatographique à notre problématique montre un réel intérêt car le développement du système est économique et simple d'utilisation. Des matériaux polyhydroxyliques (Agarose et silice) ont été fonctionnalisés par des groupements de type IMAC. Différentes fonctions chélatantes ont été greffés sur la Sepharose CL-6B (agarose réticulé): l'acide iminodiacétique (IDA), l'acide aspartique carboxyméthylé (CM-Asp) et le tris(carboxymethyl)diamine (TED). Ces matrices ont été caractérisées par FTIR et leurs capacités de rétention de Cu2+ par spectrophotométrie d'adsorption atomique (AAS). Un mélange commercial de COS (dimère, trimère, tétramère) fourni par ISM Biopolymer inc, a été utilisé pour l'étude sur les capacités de rétention. Les différents supports IMAC à base d'agarose (ACL6B) ont montré des quantités de rétention en COS respectivement de 6 mg/cm³, 4 mg/cm³ et 2 mg/cm³ sur les matrices modifiées (ACL6B-IDA, ACL6B-CM-Asp, ACL6B-TED). Les matériaux chromatographiques IMAC ont été employés en mode FPLC (à pression moyenne). Les fractions obtenues ont été analysées par une technique colorimétrique à base d'acide bicinconinique (BCA) et par chromatographie en couche mince avec la détection des oligomères à la ninhydrine. Les résultats sont corrélés avec l'analyse de la population retrouvée des différentes fractions par spectrométrie de masse quadripôle simple. Les oligomères de chitosane ont été partiellement séparés et/ou enrichis (selon la méthode employée) à 95 % pour le dimère, 70 % pour le trimère et 90 % pour le tétramère, avec nos matériaux chélatants obtenus au laboratoire, à base d'agarose réticulée. Ces résultats sont nettement supérieurs à ceux obtenus avec des matériaux chromatographiques commerciaux (Profinity, Chelex-100). Cette nouvelle méthode originale, à base de chromatographie d'affinité IMAC, offre des possibilités de diversification d'applications des COS et pourrait permettre de diminuer les coûts de revient lors de leur préparation à l'échelle industrielle. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Chitosane, Chitooligosaccharide (COS), Chromatographie d'affinité sur ions métalliques immobilisés (IMAC).

Les récepteurs métabotropes du glutamate (mGluR) sont des récepteurs couplés aux protéines G qui régulent la transmission synaptique. Ce sont des cibles de choix pour le traitement de maladies neurologiques et psychiatriques telles que la maladie de Parkinson et la schizophrénie.J'ai développé une stratégie d'étude de l'assemblage multimérique des protéines membranaires dans des cellules vivantes, à l'aide de techniques de marquage orthogonal et de FRET en temps-résolu. De façon inattendue, j'ai montré que certaines sous-unités de mGluR, en plus de former des récepteurs homodimériques, peuvent former des récepteurs hétérodimériques fonctionnels. D'autre part, j'ai appliqué ces techniques à l'étude du mécanisme d'activation des mGluR et de leur régulation allostérique. J'ai démontré qu'un mouvement relatif des domaines extracellulaires au sein du dimère était responsable de l'action du glutamate.Ce travail a permis de mieux comprendre le fonctionnement des mGluR, et permet la conception de nouveaux tests de criblage. / Metabotropic glutamate receptors (mGluRs) are G protein-coupled receptors that regulate synaptic transmission. They are relevant therapeutic targets for neurological and psychiatric disorders, such as Parkinson disease and schizophrenia.I developed a strategy to study the multimeric assembly of membrane proteins in living cells, through a combination of orthogonal labeling and time-resolved FRET. Unexpectedly, some subunits of mGluRs, in addition to forming homodimeric receptors, were found capable of forming functional heterodimeric receptors. Then, I applied these techniques to study the activation mechanism of mGluRs and their allosteric regulation. I demonstrated that a conformational change of the dimeric extracellular domain is responsible for the action of glutamate.In addition to increase our understandings of how mGluRs function, this work opens new avenues for the design of drug screening tests.

Nowadays, the emerging role of amyloid-β peptide (Aβ) oligomers in Alzheimer’s disease (AD) is widely accepted, putting aside the old idea that fibrils are the primary entities responsible for the onset of the disease. Recent studies indeed show that the level of soluble Aβ oligomeric forms better correlates with the progression of the disease than the level of fibrillar forms. <p>Using conditions which yield characteristic Aβ42 oligomers or fibrils, we studied the secondary structure of these species by ATR (attenuated total reflection)-FTIR (Fourier transform infrared) spectroscopy. Whereas fibrillar Aβ was organized in a parallel β-sheet conformation, oligomeric Aβ displayed distinct spectral features attributed to an antiparallel β-sheet structure. Antiparallel β-sheet structure may thus be a structural signature of oligomeric Aβ. Moreover, we noted striking spectral similarities between Aβ oligomers and a bacterial pore-forming protein, OmpF. <p>Apolipoprotein E (apoE) isoforms are strongly linked to Alzheimer’s disease, with the E4 isoform being the most recognized genetic risk factor so far. Nevertheless, the involvement of apoE4 in AD remains confusing. We evaluated the influence of apoE isoforms on Aβ aggregation in vitro. Comparing Aβ controls with Aβ incubated either with the apoE3 or apoE4 isoform, we observed a sharp reduction of the Aβ fibrillar content, whereas the oligomeric content was increased upon incubation with the pathological isoform apoE4. These data suggest that apoE4 binds and blocks Aβ in its oligomeric conformation, inhibiting further formation of less toxic fibrillar forms of Aβ. The enhanced interaction of apoE4 with Aβ oligomers could arise from its reported unique propensity to form a molten globule state, unlike the other isoforms of apoE. While previous studies mostly correlated E4 with fibrils, our data underline a correlation between apoE4 and Aβ oligomers. Our work reconciles apoE4 with the new amyloid cascade hypothesis and brings support to studies whose therapeutic strategy aims at designing inhibitors of the apoE/Aβ interaction./<p>Le rôle central des espèces oligomèriques du peptide amyloïde bêta (Aβ) dans la maladie d’Alzheimer est de plus en plus reconnu actuellement, mettant de côté l’ancien concept selon lequel les espèces fibrillaires sont les entités responsables du développement de la maladie. Des études récentes montrent en effet que le taux d’oligomères semble bien mieux corrélé à la progression de la maladie que le taux de fibrilles.<p>A l’aide de protocoles bien établis permettant de former des oligomères ou des fibrilles d’Aβ42 in vitro, nous avons étudié la structure secondaire de ces espèces par spectroscopie infrarouge en réflexion totale atténuée. Alors que les fibrilles présentaient une conformation en feuillets β parallèles, les oligomères quant à eux, ont révélé des caractéristiques spectrales distinctes, attribuées à du feuillet β antiparallèle. Cette structure en feuillets β antiparallèles pourrait donc représenter une signature structurale typique des espèces oligomèriques d’Aβ. De plus, nous avons observé de frappantes similarités spectrales entre les oligomères d’Aβ et une protéine bactérienne formant des pores, l’OmpF.<p>Les isoformes de l’apolipoprotéine E (apoE) sont fortement impliquées dans la maladie d’Alzheimer et plus particulièrement, l’isoforme E4 qui est actuellement reconnue comme étant le plus important facteur de risque d’origine génétique. Néanmoins, le rôle précis joué par l’apoE4 dans la maladie est encore mal connu. Nous avons étudié l’influence des isoformes de l’apoE sur l’agrégation du peptide amyloïde in vitro. En comparant des échantillons contrôle d’Aβ avec des échantillons incubés en présence d’apoE3 ou d’apoE4, nous avons observé une nette réduction de la quantité de fibrilles ainsi qu’une augmentation concomitante de la proportion d’oligomères lors de l’incubation avec l’isoforme pathologique E4. Ces résultats suggèrent que l’apoE4 interagit avec Aβ et le bloque dans sa conformation oligomèrique, inhibant ainsi le processus d’agrégation et la formation de fibrilles, espèces moins toxiques. Cette plus forte interaction entre l’apoE4 et les oligomères d’Aβ pourrait s’expliquer par la propriété unique de l’apoE4 à former un état intermédiaire ‘molten globule’, ce qui n’est pas le cas des autres isoformes. Tandis que d’anciennes études ont corrélé l’apoE4 principalement avec les fibrilles, nos résultats mettent en évidence un lien entre l’apoE4 et les oligomères d’Aβ, respectivement l’isoforme pathologique et les espèces les plus toxiques du peptide. Ce travail réconcilie donc l’apoE4 avec la nouvelle hypothèse de la « cascade amyloïde » et soutient les études thérapeutiques visant à mettre au point des inhibiteurs spécifiques de l’interaction apoE/Aβ.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’acide γ-aminobutyrique ou GABA est le principal neurotransmetteur inhibiteur présent dans le système nerveux central (CNS). Afin d’obtenir un nouveau dérivé cyclobutanique du GABA, le cis-3,4CB-GABA, sous forme énantiomériquement pure, deux stratégies de synthèses efficaces et reproductibles ont été mises au point. Ces deux voies de synthèse impliquent toutes les deux une étape-clé de photocycloaddition [2+2] qui permet de créer le cycle à 4 chaînons. La première consiste en une homologation de l’acide cis-2-aminocyclobutanique (cis-ACBC), et la deuxième est une synthèse multi-étape qui utilise le caprolactame comme composé de départ.D’autre part, grâce à une synthèse stéréosélective du (1R,2S)-cis-2,3CB-GABA, quelques oligomères C- et N-protégés – di, tri, et tétra-peptides – de cet aminoacide ont été préparés. Ceux-ci ont été caractérisés par les techniques de RMN 1D et 2D, IR, RX. Les analyses ont montré qu’il n’existe pas d’interactions non-covalentes (liaisons hydrogène) inter-résidu au sein de ces structures moléculaires. En revanche, la propriété de gélification de ces oligomères dans différents solvants organiques a été mise en évidence. Des solutions et des gels formés à partir de ces peptides ont été analysés par microscope électronique à balayage et des clichés ont été obtenus montrant une organisation du dipeptide et du tetrapeptide en fibrilles. Le tripeptide lui n’a présenté aucun assemblage intermoléculaire régulier. / The γ-aminobutyric acid (GABA) is the major inhibitory neurotransmitter in the central nervous system (CNS). In order to obtain new enantiomerically pure cyclobutanic derivative of GABA, the cis-3,4CB-GABA, two efficient synthetic strategies have been established. Both synthetic routes employed a photocycloaddition [2 +2] protocol, which provided the cyclobutanic ring. The first route involved the homolgation of the cis-2-aminocyclobutanecarboxylic acid (cis-ACBC), whereas the second route is a multi-step synthesis using caprolactam as starting material.On the other hand, the (1R,2S)-cis-GABA-2,3CB was synthetized, and a series of N- and C-protected oligomers of di, tri, and tetrapeptides of this amino acid were prepared. These oligomers were characterized by NMR (1D and 2D) techniques, IR, and X-ray. The analyses have shown that there are no non-covalent interactions (hydrogen bonds) between the residues of each oligomers. However, the gelation property of these oligomers in various organic solvents was demonstrated. Solutions and gels formed from these peptides were analyzed by scanning electron microscopy, and the obtained images showed a fibrous organization of the di- and tetrapeptide, while the tripeptide showed no regular intermolecular assembly.

Les fibres amyloïdes sont souvent à l’origine de nombreuses maladies dégénératives telles que la maladie d’Alzheimer ou la maladie de Parkinson. La formation de ces plaques insolubles est due à une agrégation anormale de protéines. Les études structurales et biologiques des amyloïdes sont hautement complexes du fait de leur organisation sous forme de superstructures unidirectionnelles composées d’une infinité d’unités peptidiques ou protéiques, mais aussi à cause de leur hétérogénéité conformationnelle et polymorphique. Au cours de ces différents travaux de thèse en collaboration avec différents laboratoires d’analyses structurales, nous avons développé plusieurs outils de synthèse tant pour la formation de différents polymorphes de fibres amyloïdes que pour la formation d’espèces oligomériques de tailles conséquentes qui sont un challenge du point de vue synthétique et méthodologique mais aussi pour leur caractérisation. Ces différentes avancées permettront de mieux comprendre les mécanismes de formation de fibres amyloïdes et de préparer des échantillons homogènes pour les analyses structurales et biologiques. L’étude de modifications chimiques telles que la N-méthylation ou les polypeptides D est également un enjeu important pour l’élucidation des interactions protéine-protéine vis-à-vis des structures amyloïdogéniques et ainsi permettre l’élaboration de nouveaux composés inhibant la formation de plaques amyloïdes. / Amyloid fibrils are associated with many human disorders including Alzheimer’s or Parkinson’s diseases. The formation of insoluble plaques is the result of protein misfolding and aggregation due to abnormal conformational isomerization of the involved protein. The structural and biological studies of amyloids are highly complex. In this thesis, we report on the development of different synthetic methodologies for the preparation of distinct amyloid fibril polymorphs as homogeneous samples for structural and biological studies. We also synthesized covalently-tethered oligomers composed of nine copies of an amyloidogenic peptide segment, where we were able to control the self-assembly of the structure by insertion of N-methylated amino-acids and to obtain monomeric oligomers mimicking a cross section of an amyloid fibril. We also report on the chiral recognition of L-peptides and L-proteins towards corresponding D-enantiomers during amyloid formation. Moreover, we studied various N-methylated peptide analogues to suppress amyloid growth. Overall, the results obtained in this thesis pave the way towards rational design of peptide-based inhibitors and diagnostics against amyloid propagation.

Cette thèse décrit le développement d’une gamme d’inhibiteurs de la protéase du VIH-1 et d’un oligomère bio-mimétique comportant en leur sein une ou plusieurs interactions réversibles entre une amine tertiaire et un carbonyle, appelée interaction NCO. Cette interaction est favorisée en milieu fortement protique polaire comme les milieux aqueux.Ces travaux ont permis de mettre au point une synthèse modulaire qui a donné lieu à l’obtention de 7 nouveaux candidats à l’inhibition de la protéase du VIH-1. Les modifications de synthèse ont notamment permis de travailler à de plus grandes échelles et d’apporter une grande versatilité à cette synthèse. Les candidats obtenus ont alors été testés in vitro et in cellulo avec une nouvelle méthode en collaboration avec Lorena Martinez et Pierre Falson, de l’Institut de Biologie et Chimie des Protéines (IBCP). Dans un deuxième temps, nous avons élaboré une nouvelle stratégie de synthèse d’un oligomère bio-mimétique. Plusieurs monomères et voies de synthèse ont été explorés et un tétramère a pu être isolé. Malheureusement, certains obstacles, notamment issus de la purification, ont limités les quantités obtenues ce qui n’a pas permis de pousser l’étude comportementale de ces oligomères. Les travaux présentés ici sont ceux de l’optimisation de la synthèse et des perspectives concernant ce sujet. Enfin ce manuscrit détaille le développement d’un nouveau procédé de synthèse permettant l’obtention de dérivés du 1,4,7-triazacyclononane présentant un motif de N-substitutions 2Ra/Rb, travail ayant abouti au dépôt d’un brevet. / This thesis relates the research performed on the design and synthesis of a new type of HIV-1 protease inhibitors and a new archetype of a bio-mimetic foldamer based on an unusual interaction, the NCO interaction. This interaction occurs between a tertiary amine and a carbonyl group in highly polar and protic media, such as aqueous media. The first half of my work focused on the development of a modular synthesis towards candidates for the inhibition of HIV-1 protease. This research enabled us to work on large scale and to be able to modify at will most of the candidates’ functions. Seven new inhibitors were isolated and tested in vitro and in cellulo with an original method, in collaboration with Lorena Martinez and Pierre Falson, from the Institute of Biology and Chemistry of Proteins (IBCP). The second half of my work was dedicated to the design of a new backbone for a bio-mimetic oligomer. A few strategies were explored and a monomer was chosen to be oligomerized. The coupling enabled the isolation of a tetramer. Unfortunately, serious purification issues limited the quantity of the previous tetramer and no foldamer study could be performed. The work presented here are the synthesis’ optimization and the perspectives to overcome the purification issues. In addition, a new process for the synthesis 1,4,7-triazacyclononanes displaying a 2Ra/Rb N-substitution pattern was developed from diethylenetriamine in only four steps. This work was patented during this PhD.

Cette thèse décrit la fonctionnalisation de poly(triméthylène carbonate) (PTMC) par des motifs à liaisons hydrogène multiples (HBM) ou permettre la réaction de Diels-Alder (DA) dans le but d’obtenir des réseaux thermoréversibles et d’étudier leurs relations structure-propriétés. Des oligomères de PTMC linéaires ont d'abord été synthétisés. Puis des structures polymères supramoléculaires multi-bras à base de PTMC portant des HBM de triuret ou de tétrauret téléchéliques ont ensuite été élaborés à partir d’'urée et d’un diisocyanate. Les constantes d'association (Ka) ont été déterminées par RMN dans CDCl3. L’augmentation de la fonctionnalité HBM ou la réduction des longueurs de chaînes PTMC ont amélioré la résistance au fluage et le module d’Young. Les morphologies et la dynamique de ces structures supramoléculaires ont été étudiées à l’état fondu pour révéler deux modes de relaxation correspondant à deux microdomaines, induits par les interactions entre groupes uréthane et HBM. Par l’étude des dynamiques d’association de PTMC supramoléculaires linéaires bifonctionnels en masse a démontré que seuls des dimères se formaient entre HBM de triuret aux temps courts, conduisant à une extension de chaîne équivalente à une polycondensation. Les Ka de ces triurets ont ensuite été calculé à partir d'un modèle simple et original basé sur des mesures de viscosité à l'état fondu. Des réseaux équivalents de différentes densités ont également été obtenus par la réaction DA entre chaînes de PTMC fonctionnalisées par un furanne et un bismaléimide. Des réseaux ont été obtenus et les effets de la fonctionnalité du furanne sur la densité et les propriétés du réseau ont été mis en évidence. Ce ph-D décrit la fonctionnalisation du poly (triméthylène carbonate) (PTMC) par des motifs de liaison hydrogène (HBM) et des réactions de Diels-Alder (DA) afin d’obtenir des réseaux thermoréversibles et de révéler leurs relations structure-propriété. Les oligomères de PTMC linéaires ont d'abord été synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle. Des polymères supramoléculaires multi-bras à base de PTMC portant des HBM de triuret et de tétrauret téléchéliques ont ensuite été synthétisés en utilisant de l'urée et un diisocyanate en tant que lieur. Les constantes d'association (Ka) des HBM triuret et tétrauret ont été déterminées par RMN dans CDCl3. L’augmentation de la fonctionnalité HBM ou la réduction de la longueur de la chaîne PTMC ont doté les réseaux d’une meilleure résistance au fluage et d’un module de Young plus élevé lors des essais de traction. Les morphologies et la dynamique de ces polymères supramoléculaires ont été étudiées à l’état fondu pour révéler deux modes de relaxation correspondant à deux microdomaines, induits par la liaison hydrogène entre les groupes uréthane et HBM .. Par l’étude de dynamique d’association de PTMC supramoléculaires linéaires bifonctionnels en masse, comme un modèle, il a été révélé que seuls des dimères se formaient entre des HBM triuret à des temps courts, conduisant à une extension de chaîne linéaire équivalente à une polycondensation. Les ka de HBM de triuret ont ensuite été calculés à partir d'un modèle simple et original basé sur des mesures de viscosité à l'état fondu. Des réseaux équivalents de différentes densités ont également été obtenus par réaction de Diels-Alder entre une PTMC fonctionnalisée par un furanne et un bismaléimide. Des structures de réseau parfaites ont été obtenues et les effets de la fonctionnalité du furanne sur la densité et les propriétés du réseau ont été mis en évidence. La thermoréversibilité s'est produite de 130 ° C à 160 ° C sur la base de leurs densités. / This ph-D describes the functionalization of poly(trimethylene carbonate) (PTMC) by hydrogen bonding motifs (HBMs) and Diels-Alder (DA) reactions to obtain thermoreversible networks and to reveal their structure-property relationships. Linear PTMC oligomers were first synthesized by ring-opening polymerization. PTMC-based multiarm supramolecular polymers bearing telechelic triuret and tetrauret HBMs were then synthesized using urea and a diisocyanate as a linker. Association constants (Ka) of triuret and tetrauret HBMs were determined by NMR in CDCl3. Increasing the HBM functionality or reducing PTMC chain length endowed networks with better creep resistance and higher Young’s modulus in tensile tests. The morphologies and dynamics of these supramolecular polymers were investigated in the melt state to reveal two relaxation modes corresponding to two microdomains, induced by hydrogen bonding between urethane groups and HBMs.. By the association dynamics study of bifunctional linear supramolecular PTMC in bulk, as a model, it was revealed, only dimers were formed between triuret HBMs at short times, leading to the linear chain extension equivalent to a polycondensation. Ka of triuret HBMs were then calculated from a simple and original model based on viscosity measurements in the molten state. Equivalent networks with different densities were also obtained by Diels-Alder reaction between furan-functionalized PTMC and a bismaleimide. Perfect network structures were obtained and the effects of furan functionality on network density and properties were evidenced. The thermoreversibility was found to occur from 130 °C to 160 °C based on their densities.