Les maladies infectieuses sont encore responsables de plusieurs millions de morts chaque année et nécessitent des tests de diagnostic basés sur la détection des acides nucléiques pour améliorer leur diagnostic et ainsi leur traitement. Afin de pouvoir détecter différents microbes à partir d'un même test, il est souhaitable de pouvoir réaliser l'amplification de plusieurs acides nucléiques dans une même réaction. Les techniques d'amplifications multiplexes existantes sont généralement limitées en nombre de cibles différentes qu'elles peuvent amplifier simultanément. Il semblerait que les interactions non spécifiques entre les amorces constituent la principale raison de ce phénomène. Ce mémoire a pour but de vérifier s'il est possible d'augmenter l'efficacité des PCR multiplexes en réalisant ces amplifications sur support solide. Plus spécifiquement, l'objectif de ce projet était d'attacher des amorces PCR sur des nano ou microparticules iafin que ces amorces ne puissent interagir entre elles de façon non spécifique dans le cas de PCRs multiplexes où le nombre de paires d'amorces est élevé. Il a été possible de fonctionnaliser des microbilles magnétiques et des nanoparticules d'or avec des oligonucleotides. Cependant, dans le cas de ces deux supports, la majorité, voir la totalité (dans le cas de nanoparticules d'or) du produit d'amplification a été retrouvée dans le surnageant de la réaction. Dans les deux cas, il semblerait que ce phénomène soit associé au décrochage des amorces PCR et/ou de l'amplicon. Les microbilles magnétiques/nanoparticules d'or ou encore la méthode de fonctionnalisation choisie ne permettent donc pas pour l'instant, de faire des amplifications PCRs en phase solide. Cependant, nous verrons que de telles particules fonctionnalisées peuvent avoir d'autres applications notamment dans un cadre diagnostique.

L'ADN, support de l'information génétique, est constamment soumis à des stress l'endommageant. Ceci peut conduire à des modifications structurales de la molécule d'ADN et à des conséquences biologiques néfastes de type mutagénèse ou cancérogénèse. Les lésions de l'ADN peuvent être réparées par des complexes enzymatiques qui restaurent la séquence originale. Dans le présent travail nous nous sommes intéressés aux aspects structuraux des lésions de l'ADN et à leur réparation par excision de base (BER) ou par réversion (RR). Notre travail a consisté à développer un nouvel outil de type biopuce pour détecter ces activités de réparation par mesure de fluorescence. Pour cela des oligonucléotides lésés auto-complémentaires ont été immobilisés sur des lames de verre. Après avoir mis au point les conditions d'immobilisation, par la chimie click, nous avons validé ce nouveau biocapteur pour la détection d'activités de réparation d'enzymes purifiées (glycosylases et AP-endonucléases) ou au sein d'extraits cellulaires. Utilisant un principe similaire, nous avons adapté cette biopuce pour mesurer les activités de réparation par réversion ainsi que pour le screening d'inhibiteurs. Dans une seconde partie de ce travail, nous avons appliqué la technique de résonance paramagnétique électronique pulsée (RPE pulsée) pour étudier la déformation structurale induite par plusieurs dommages de l'ADN. Pour cela nous avons développé une méthode de multi-marquage de l'ADN par des radicaux nitroxydes. Cette technique a alors été appliquée pour la première fois à la détection d'une activité enzymatique de réparation de l'ADN.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le marché du diagnostic connait un essor considérable depuis l’avènement de labiologie moléculaire. Plus précis et souvent plus rapide, le diagnostic moléculaire in vitro(DIV) est de plus en plus utilisé dans les laboratoires d’analyses médicales. L’ensemble destests dédiés au marché du DIV répond à des contraintes socio-économiques très précisescomme : la fiabilité du résultat, le délai de réponse court, le faible coût et la facilitéd’utilisation. Les indicateurs socio-économiques montrent que la technologie des biopuces estun potentiel bon candidat pour répondre aux attentes du marché. En effet, cet outil permetl’analyse simultanée de plusieurs dizaines voire centaines de séquences nucléiques et doncl’identification d’autant d’organismes en une seule analyse. Cette technologie s’inscrit encomplément de la PCR en apportant l’avantage de l’analyse multiplexée à moyen débit. Deplus, elle permet de donner une réponse globale de la multiplicité des espèces présentes dansl’échantillon sans avoir besoin de passer par une étape de culture. Néanmoins, cettetechnologie n’est pas optimisée pour le marché du DIV. En effet, son usage est complexe, peurobuste et trop cher pour concurrencer les méthodes actuelles (microbiologie pasteurienne,PCR, Elisa, etc..). Dans le but de réduire le coût de fabrication des biopuces à ADN, il estdonc nécessaire de développer des méthodes alternatives. Dans un premier temps, l’objectif de cette thèse Cifre a été de mettre au point unprototype nouveau de dépôt de biomolécules basé sur la lithographie douce, permettant dedéposer les oligonucléotides sondes de façon multiplexée et selon des motifs micrométriques.Cette nouvelle technologie a été évaluée par rapport aux technologies de références. Puis,nous avons développé un procédé innovant de double fonctionnalisation de surface. Ceprocédé simple et rapide a pour avantages de fonctionnaliser la biopuce avec la chimie desurface et les sondes en une seule étape et d’augmenter les signaux d’hybridation. La secondepartie de la thèse a été de coupler cette nouvelle technologie à la détection des événementsd’hybridation sans marquage en utilisant la diffraction de la lumière. La principale différenceavec la méthode de détection par fluorescence repose sur l’adressage des sondes. En effet, ledépôt doit être réalisé sous forme de réseaux de lignes nanométriques diffractants de façon àce que l'interaction entre les molécules déposées et les cibles qui interagissent soit trèssensible. Cette seconde phase du projet a été très ambitieuse et innovante. La faisabilité decette méthode de détection, démontrée par des simulations théoriques, a fait l’objet d’untravail d’optimisation très important et les résultats obtenus montrent que cette technologiesans marquage est possible. / The diagnosis market increased since the advent of molecular biology. More precise and often faster, the in vitro molecular diagnosis (DIV) is more and more used in medical analyses laboratories. DNA chips technology seems to be a good candidate to answer the market expectations. Indeed, this tool allows making several hundreds of analyses simultaneously. Furthermore, it allows giving a global answer of all the present species in the sample without the need of a culture step. Nevertheless, this technology is not optimized for the market of the DIV. Indeed, its use is complex and too expensive in comparison with the current methods (Pasteur microbiology, PCR, Elisa, etc.). So it is necessary to develop an alternative method to reduce the manufacturing cost and simplify the use of DNA chips. First, the goal of this industrial PhD Cifre supported by the Dendris Company was to complete a new prototype of biomolecules deposition based on soft lithography, allowing multiplexing the deposition of oligonucleotides probes along micro and nanometric patterns.This new technology was compared with the reference technologies. Then, we developed an innovative process of surface co-functionalization. This simple and fast process permits to functionalize the DNA chips with both surface chemistry and probes in a single step and to increase the hybridization signals. The second part of this PhD thesis was to couple this new technology with label-free detection using light diffraction. The main difference with fluorescence-based detection was about probes patterning. Indeed, we needed to generate molecular gratings of nanometric lines to diffract efficiently light from a laser beam. We showed that the absolute diffraction intensity increase with the gratings thickness, which is directly correlated with, probes and targets interactions. The second phase of the project was very ambitious and innovative because we demonstrated the feasibility of this label-free detection. And now we can think that this technology will appear as an alternative method for the diagnosis

Les oligonucléotides antisens et leurs analogues, tels que les Peptide Nucleic Acids (PNA), ont la capacité d'inhiber ou de moduler l'expression d'un gène cible, de manière spécifique de séquence. Leur utilisation pour des applications thérapeutiques est cependant limitée par leur faible internalisation cellulaire ou leur mauvaise localisation intracellulaire, etnécessite le développement de stratégies efficaces de vectorisation. La Riboflavine, ou vitamine B2, est une vitamine essentielle qui a les caractéristiques requises pour être potentiellement utilisée en tant qu'agent ciblant de vectorisation. Le travail accompli au cours de ce projet de thèse a permis de démontrer la capacité de deux dérivés de la Riboflavine, la Flavine et le Lumichrome, à induire une internalisation par endocytose de PNA conjugués, dans plusieurs lignées cellulaires. En outre, un phénomène d'internalisation photochimique induit par la Rhodamine a été mis en évidence avec des double-conjugués Flavine ou Lumichrome - PNA - Rhodamine et conduit à une sortie efficace des endosomes de ces conjugués. Ce travail de thèse a donc permis de caractériser un conjugué trifonctionnel pour l'internalisation et lalibération cytoplasmique de molécules bioactives.

Les oligonucleotides sont utilisés pour de nombreuses applications dans le domaine du diagnostic et ils peuvent également être utilisés comme traitement pour de nombreuses maladies. Les oligonucléotides sont des polyanions qui viennent s'hybrider sur leurs séquences complémentaires elles aussi anioniques. Les répulsions électrostatiques impliquent que l'addition de charges positives sur les oligonucléotides serait bénéfique pour diminuer les répulsions et améliorer l'hybridation. Dans le but de diminuer ces répulsions électrostatiques, des conjugués oligonucléotide-oligocation sur lesquels sont greffées des unités spermines ont été développés. Les conjugués oligonucléotideoligocation sont synthétisés sur un synthétiseur automatique d'oligonucléotide en utilisant la chimie des phosphoramidites. Les" Zip Nucleic Acid "ou ZNAs sont des oligonucléotides portant une queue cationique de quelques unités de spermine et sont de charge globale négative. Les modifications apportées permettent d'améliorer l'hybridation en accélérant la reconnaissance de la séquence cible et en augmentant la température de fusion linéairement avec le nombre de spermines greffées sans altérer la spécificité. Les ZNAs se révèlent être efficaces utilisés comme amorces ou sondes en PCR et ils apparaissent comme de nouveaux outils intéressants pour la biologie moléculaire. Les petits ARNintérferents (si RNA) induisant l'extinction d'un gène par la voie d' ARN interférence ont suscités un grand engouement ces dernières années, cependant leur très faible pénétration cellulaire est un frein majeur à leur utilisation. C'est pour cela que les conjugués oligonucléotide- oligospermine ont un réel intérêt pour le domaine de la thérapie in vivo. Les duplexes SIRNAPLUS cationiques sont des siRNAs ciblantspécifiquement un ARN messager. Ils sont constitués d'un brin sens ARN-oligospermine de charge globale positive hybridé à un brin antisens. Les résultats ont montré que lesSIRNAPLUS pouvaient entrer seuls dans les cellules sans agent de transfert pour induire l'extinction d'un gène cible et les premières expériences montrent qu'ils sont actifs in vivo. Mes travaux de thèse ont porté sur le développement des conjugués oligonucléotide oligospermine et démontrent des applications potentielles dans le domaine du diagnostic et de la thérapie.

Les mitochondries sont impliquées dans de nombreuses voies métaboliques, et des mutations au sein de leur génome (ADNmt) conduisent à l’apparition de nombreuses pathologies. A l’heure actuelle, il n’existe aucun traitement contre ces affections mais différentes pistes thérapeutiques sont envisagées. L’objectif de ce travail a consisté en la mise au point d’une telle stratégie, dite anti-réplicative via l’exploitation de la voie d’import naturelle des ARN dans les mitochondries. De petits ARN artificiels importables dans les mitochondries humaines ont ainsi été utilisés comme vecteurs pour y importer une séquence capable de s’hybrider spécifiquement à l’ADNmt mutant et d’en stopper sa réplication. Les résultats obtenus ont permis de prouver la validité de cette stratégie vis-à-vis d’une large délétion et de mutations ponctuelles liées à divers cas pathologiques et de caractériser l’effet de modifications chimiques sur la stabilité, l’import et l’efficacité de ces ARN recombinants. / Mitochondria are involved in many metabolic pathways, and mutations in their genome (mtDNA) can cause a wide range of human disorders. No efficient treatment against these pathologies is currently available. The objective of this work consisted in the development of a therapeutic approach, called anti-replicative, based on the use of the natural pathway of RNA import into mitochondria. Small artificial RNA molecules able to be imported into human mitochondria have been used as vectors to address oligoribonucleotides capable to hybridize specifically to mutant mtDNA and to stop its replication. The effect of various chemical modifications on the stability, import and efficiency of these recombinant RNA has been characterized. All the data obtained prove the validity of the anti-replicative strategy for mtDNA containing a large deletion or pathogenic point mutations and can be considered as an important step to further develop an efficient therapy of mitochondrial diseases.

L'utilisation des oligonucléotides antisens PMO ou PNA, pour corriger les erreurs d'épissage par blocage stérique, constitue une nouvelle stratégie prometteuse pour réguler l'expression génétique. Ces ON peuvent mener au traitement de maladies comme la β-thalassémie, la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) ou les cancers. Cependant leur développement clinique requiert un système de délivrance efficace. Les peptides cationiques (CPPs) sont caractérisés par leur capacité à s'internaliser dans les cellules eucaryotes. Cependant leur efficacité à promouvoir la délivrance cytoplasmique et nucléaire des ON est limitée par leur séquestration dans des vésicules d'endocytose, ce qui est à l'origine de la dégradation du matériel internalisé. Nous avons contribué à l'étude du trafic intracellulaire et de l'activité dans un essai de correction d'épissage de plusieurs familles de CPPs capables de délivrer efficacement des analogues d'ON à des doses non toxiques et en absence d'agents endosomolytiques. Nos études mécanistiques indiquent que ces constructions (covalentes ou non covalentes) CPP-ON sont endocytées par la voie clathrine, que la ségrégation dans les endosomes reste une limitation et qu'il existe une bonne corrélation entre leur activité biologique et leur capacité à déstabiliser les membranes endosomales. / The use of antisense oligonucleotides PMO or PNA to correct splicing errors by steric- block represents a new promising therapeutic strategy. These ONs lead to the treatment of diseases such as β-thalassemia, Duchenne muscular dystrophy (DMD) or cancers. However their functional success requires efficient delivery. Cationic cell penetrating peptides (CPPs) are characterized by their ability to be internalized in eukaryotic cells. However their efficiency in promoting cytoplasmic and nuclear delivery of ON has been hampered by endocytic sequestration and subsequent degradation of internalized material in endocytic vesicles, which is responsible for the degradation of internalized material. We have contributed to the study of intracellular trafficking and activity (using splicing correction assay) of several families of CPPs capable of delivering effective analogs ON at nontoxic doses and in the absence of agents endosomolytic. Our mechanistic studies indicate that these constructs (covalent or noncovalent) CPP-ON are internalized through clathrin, that segregation in endosomes remains a limitation and that there is good correlation between biological activity and their ability to destabilize endosomal membranes.

L'épissage des ARN pré-messagers est une étape essentielle pour l'expression des gènes chez les eucaryotes supérieurs. La reconnaissance des exons par la machinerie d'épissage est réalisée grâce à différents éléments cis-régulateurs incluant les séquences consensus d'épissage et les séquences auxiliaires activatrices ou inhibitrices d'épissage. Le pré-ARNm représente une nouvelle cible thérapeutique pour le traitement des maladies génétiques. L'approche du saut d'exon thérapeutique, destinée à restaurer l'expression d'une protéine totalement ou partiellement fonctionnelle en interférant avec le processus d'épissage, suscite un grand intérêt notamment pour la dystrophie musculaire de Duchenne où la modification du transcrit permettrait d'obtenir une forme modérée de la maladie, la Dystrophie musculaire de Becker. Des oligonucléotides antisens sont utilisés pour masquer les signaux d'épissage de reconnaissance d'un exon par le spliceosome, et induire son excision (ou saut) du transcrit mature. La détermination de la meilleure séquence cible des AONs est une difficulté majeure de cette approche. Pour le gène DMD, nous avons pu établir grâce à des analyses bioinformatiques et statistiques combinées avec des tests fonctionnels utilisant des minigènes rapporteurs d'épissage, que le ciblage de motifs exoniques qui fixent le facteur d'épissage SF2/ASF permettait d'obtenir la meilleure efficacité des AONs. Par ailleurs, nous avons exploré la régulation de l'épissage des pseudoexons dans le gène DMD, et notamment les mécanismes conduisant à l'inclusion de ces séquences introniques dans le transcrit mature en condition pathologique. L'étude de deux cas exceptionnels d'activation de pseudoexons associée à des remaniements introniques rares (double délétion, inversion) élargit le spectre des mutations à l'origine de ces défauts d'épissage, et illustre le rôle encore mal connu des remaniements introniques en pathologie humaine. / Splicing of pre-messenger RNAs to mature transcripts is a crucial step in eukaryotic gene expression. The recognition of exon by the splicing machinery involves different cis-regulatory elements, including the splice site motifs and auxiliary sequences, which can act by stimulating or repressing splicing. The pre-mRNA represents a new therapeutic target for the treatment of genetic diseases. Notably, the exon skipping strategy is currently one of the most promising therapeutic approaches for the Duchenne muscular dystrophy. It intends to restore the expression of a partially functional protein by interfering with the splicing process, and converts the severe DMD phenotype into the moderate form of the disease, Becker muscular Dystrophy (BMD). Antisense oligonucleotides are used to mask the splicing signals involved in exon recognition by the spliceosome to induce its skipping from the mature transcript and restore an open reading frame. The determination of the best target sequence of the AONs is one of the major hurdles to overcome. For the DMD gene, a bioinformatic and statistical analysis combined with minigenes studies allowed us to establish that targeting binding sites for the splicing factor SF2/ASF maximizes the AONs efficiency. In a second part of this work, we investigated the splicing regulation of pseudoexons in the DMD gene, in particular the mechanisms leading to the inclusion of these intronic sequences in the mature transcript in pathological conditions. The study of two exceptional cases of pseudoexons activation associated with rare intronic rearrangements (double-deletions, inversion) expands the spectrum of missplicing mutations, and demonstrates the potential role of pure intronic rearrangements in human pathology.

Malgré des progrès importants réalisés ces dernières années, la lutte contre les infections virales (SIDA, hépatites etc.) et les cancers demeurent un problème de santé mondiale. Ce bref bilan met en évidence la nécessité de développer de nouvelles molécules pour contourner les limites des traitements disponibles actuellement. Cette thèse, articulée autour de trois grands thèmes, s’inscrit dans ce contexte. Nous avons d’abord mis au point de manière rationnelle de nouveaux ligands d’ARN capables de se lier sélectivement à certaines structures secondaires de type tige-boucle ou tige-renflement de l’ARN TAR du VIH-1. Ces ligands interagissent avec l’ARN grâce à l’action coopérative de deux motifs de reconnaissance : (i) une nucléobase modifiée qui peut reconnaitre spécifiquement une paire de base de l’ARN et (ii) des acides aminés qui agissent avec les bases non appariées de l’ARN. Ces deux motifs sont reliés grâce à une matrice aliphatique (ligands non nucléosidiques) ou une matrice 2-désoxyribose (ligands nucléosidiques). Des études biophysiques et biologiques ont été menés en collaboration avec l’équipe du Dr. L. Briant (CEAPBS, UMR5236-CNRS) pour connaitre leur activité antivirale et leur site d’interaction sur la cible. Nous avons ensuite développé des molécules de type benzènesulfonamide thiazoles pour cibler le mélanome résistant aux inhibiteurs de B-Raf. Des modulations effectuées sur ce squelette nous ont permis d’établir des relations structure/activité, en collaboration avec l’équipe de Dr. S. Rocchi (C3M, INSERM U895). Enfin, nous avons développé une stratégie de modification post-synthétique d’oligonucléotides en position anomérique par réaction clic. / Despite significant progress made in recent years, the fight against viral infections (AIDS, Hepatitis, etc.) and cancer remains a global health problem. This brief summary underlines the need for new compounds in order to overcome the limitations of currently available drugs. To this end, the main objective of this thesis is to address these issues by the investigation of three major research projects. We first developed new RNA ligands that selectively bind to RNA secondary structures such as the stem-loop or the stem-bulge of HIV-1 TAR RNA. These ligands interact with RNA thanks to the presence of two RNA binding domains acting in a cooperative manner: (i) a modified nucleobase that can specifically recognize an RNA base pair and (ii) basic amino acids that interact with strong affinity with surrounding free RNA nucleobases. These two patterns are connected by an aliphatic matrix (non-nucleoside ligands) or a 2-desoxyribose matrix (nucleoside-based ligands). Biophysical and biological studies were conducted in collaboration with the team of Dr. L. Briant (CEAPBS, UMR5236-CNRS) in order to study their antiviral activity and their mode of action. We next developed new bioactive molecules featuring a thiazole benzenesulfonamide scaffold to target melanoma cells resistant to B-Raf inhibitors. The modular synthesis of a large number of analogs allowed us to establish the structure/activity relationships, in collaboration with the team of Dr. S. Rocchi (C3M, INSERM U895). Finally, we developed a straightforward and convenient strategy for post-synthetic modification of oligonucleotides at the anomeric position using click chemistry.