L’interdisciplinarité est désormais inhérente à la recherche scientifique. L’essor des recherches dans le domaine médical a notamment favorisé cette interdisciplinarité. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les travaux présentés dans ce manuscrit. En effet, ce dernier vise à la production de nouveaux outils adaptés à des problématiques des sciences de la vie. Ce manuscrit traite de spectroscopie de la fluorescence et de chimie des acides nucléiques. Il est divisé en deux sections : Dans la partie I, nous présentons de nouveaux fluorophores push-pull très brillants, non toxiques et pouvant être utilisé en cultures cellulaires. Ces composés, basés sur des motifs benzothiazoles, peuvent être modulés structurellement afin d'obtenir les propriétés photophysiques souhaitées. D'ailleurs, pour ces composés, une relation structure-propriétés photophysiques a été établie. Ensuite, en utilisant ces fluorophores, nous avons conçu de nouvelles sondes fluorescentes pour suivre l’activité enzymatique de la β-galactosidase. Cette dernière étant un marqueur de la sénéscence cellulaire, nous avons utilisé nos sondes pour détecter la sénescence, in vitro, par des méthodes de microscopie de fluorescence et de cytométrie en flux. La partie II de ce manuscrit est consacrée à la chimie des acides nucléiques. Tout d'abord nous y décrivons la préparation et l'évaluation de nouveaux ligands d’ARN ciblant le domaine IIId de l'IRES du VHC. Ces ligands présentent d'une part, un motif permettant de faire un triplet de base avec la séquence IIId afin d'apporter de la spécificité, et d'autre part, des fonctions aminées afin de stabiliser le triplet par interactions électrostatiques avec les phosphodiesters de IIId. Enfin, la dernière partie concerne le développement d'une nouvelle stratégie permettant la fonctionnalisation post-synthèse d'acides nucléiques en position anomère. Pour ce faire, nous avons conçu des plateformes phosphoramidites qui, une fois incorporées dans des brins oligonucléotidiques, peuvent être impliquées dans diverses réaction de glycosidation. / Interdisciplinary is an obvious feature of scientific research. Notably, the continuously expanding researches in the medical field fostered this interdisciplinarity. Within this context, the work presented here deals with fluorescence spectroscopy and nucleic acid chemistry and aims at providing new tools suited for applications in life sciences. This manuscript presents two sections. In Part I, we developed novel series of highly bright and non-toxic push-pull fluorophores, compatible with cellular applications. In fact, we describe new benzothiazole-based fluorophores that can be structurally modulated to provide dyes with tunable photophysical properties. Their structure-photophysics relationship is also reported. Next, using these fluorophores, we produced new fluorescent probes to monitor the enzymatic activity of the β-galactosidase. Of note, since β-galactosidase is a marker of cellular senescence, we also used our probes for the detection of early stages of cellular senescence using fluorescence microscopy and flow cytometry analysis. Part II of this manuscript is devoted to the chemistry of nucleic acids. First, we describe the preparation and evaluation of novel RNA ligands targeting the IIId domain of the HCV IRES. These ligands can make a base triplet with the IIId sequence to provide specificity, and harbour amino functions to stabilize the triplet by electrostatic interaction with the phosphodiesters of IIId. Finally, the last part concerns the development of a new strategy allowing the post-synthetic functionalization of nucleic acids at the anomeric position. To do this, we designed new phosphoramidite platforms that, once incorporated into oligonucleotide strands, can be involved in various glycosidation reactions.

Introduction Oligonucleotides are short nucleic acid chains, usually 19-27mer long. They bind to their corresponding chain, making a specific inhibition possible. In pharmaceuticals, this can be used to inhibit the expression of a gene or protein of interest. Oligonucleotides are usually analyzed based on separation using both hydrophobic and ion-exchange properties. In this project, the possibility to use a mixed-mode column to separate these oligonucleotides and their impurities were explored. Method Liquid chromatography is used as the separation method and the method of detection is both mass spectrometry and UV. Three different columns are evaluated; C18, DNAPac RP, and mixed-mode RP/WAX. Results and discussion Different compositions of mobile phases and gradients are evaluated based on a literature study. Triethylamine, triethylammonium acetate, ammonium formate, hexafluoroisopropanol is used along with both methanol and acetonitrile. Phosphate buffer is evaluated on LC-UV. The results from the C18 column displays a good separation of the oligonucleotides, whilst the DNAPac RP is not as sufficient using the same mobile phases. The mixed-mode column provides good separation and selectivity using phosphate buffer and UV detection. Conclusion Mixed-mode column has the potential to be used for separation of oligonucleotides and one future focus would be to make the mobile phase compatible with mass spectrometry. Phosphate buffer and UV detection seems to be the go-to mobile phase using mixed-mode column even though MS is a more powerful tool for the characterization and identification of oligonucleotides. This provides a hint about the challenge in making the mobile phase MS compatible.

Mutant mRNA and protein both contribute to the clinical manifestation of many repeat-associated neurodegenerative and neuromuscular disorders. The presence of nuclear RNA clusters is a feature shared amongst these diseases, such as C9ORF72/ALS and myotonic dystrophy 1/2 (DM1/2); however, this pathological hallmark has not been conclusively demonstrated in Huntington’s disease (HD) in vivo. Investigations into HD – caused by a CAG repeat expansion in exon 1 of the huntingtin (HTT) gene – have largely focused on toxic protein gain-of-function as a disease-causing feature, with fewer studies investigating the role of mutant HTT mRNA in pathology or pathogenesis. Here we report that in two HD mouse models, YAC128 and BACHD-97Q-ΔN17, mutant HTT mRNA is preferentially retained in the nucleus in vivo. Furthermore, we observed the early, widespread formation of large mutant HTT mRNA clusters (approximately 0.6 to 5 µm3 in size) present in over 50-75% of striatal and cortical neurons. Affected cells were limited to one cluster at most. Endogenous wild-type mouse Htt or human HTT mRNA containing 31 or fewer repeats did not form clusters. Additionally, the aberrantly spliced N-terminal exon 1-intron 1 RNA fragment, HTT1a, also formed clusters that fully co-localized with the mutant HTT mRNA clusters. These results suggest that multiple repeat-containing transcripts can coalesce to form a single cluster in a given cell. Treating YAC128 mice with antisense oligonucleotides efficiently silenced individual HTT mRNA foci but had limited impact on clusters. Our findings identify mutant HTT mRNA clustering as an early, robust molecular signature of HD, further supporting HD as a repeat expansion disease with suspected mRNA involvement.

This thesis deals with guided self-assembly of gold nanoparticles from their colloidal solutions onto silicon substrates and possible employment of nanoparticles for detection of biomolecules. It was found that by adjustment of solution pH and surface chemistry modification by means of electron beam irradiation it is possible to facilitate nanoparticle deposition to patterns with almost single particle precision. Spectroscopic ellipsometry was then employed in analysis of self-assembled layers of nanoparticles and its combination with a theory of effective medium approximation has proven the ability to assess nanoparticle dimensions and volume fractions. By experiments with thiolated oligonucleotides it has been shown that using ellipsometry one can detect even with very subtle changes in nanoparticle environment caused by biomolecules, thus promising its possible use in the field of biodetection.

In this study, the effects of certain chromatographic conditions on various modified and unmodified oligonucleotides were investigated. At the forefront of this study was the investigation of a new Ion-pair Reversed-phase liquid chromatography (IP-RPLC) method, that had the potential to replace a previously established triethylammonium acetate (TEAA) IP-RPLC method developed for oligonucleotide separations. This method, utilising the counter ion dibutyl amine (DBA) and a Tris-buffer at pH 8, produced promising results indicating that the strong binding strength of DBA creates a hybrid IEX/RPLC separation method – the separation of oligonucleotides is dynamically based on both charge and length. Higher concentrations of DBA appear to produce better results that include improved efficiency, increased retention and even the potential discovery of hidden impurities. In conjugation with Ultra-high-pressure liquid chromatography (UHPLC) systems, sub-2 µm particle columns and gradient optimisations, separations of complex oligonucleotides could be achieved in short analysis times. Furthermore, effective separations at the analytical level can be applied and adapted to larger scale Prep-LC, potentially also improving the purification process of crude oligonucleotide samples. Further development and validation are, however, required for any future work with this method. / I denna studie har effekten av vissa kromatografiska förhållanden på olika modifierade och icke-modifierade oligonukleotider undersökts. I framkanten av denna studie var undersökningen av en ny IP-RPLC metod, vilken har potential att ersätta den tidigare etablerade trietylammonium acetat (TEAA) IP-RPLC metoden, vilken utvecklats för separationen av oligonukleotider. Denna metod, vilken använder dibutylamin (DBA) som motjon och en Tris-buffert vid pH 8, gav lovande resultat vilka indikerar att den starka bindningsstyrkan av DBA skapar en hybrid IEX/RPLC separationsmetod – separationen av oligonkuleotider styrs både av dess laddning och dess längd. Höga koncentrationer av DBA verkade ge bättre resultat som inkluderar hög effektivitet, ökad retention och även den potentiella upptäckten av gömda föroreningar. I samband med UHPLC systemer, kolonner med mindre än 2µm i partikelstorlek och optimiserade gradienter, separationer av komplexa oligonukleotider erhölls på korta analystider. Effektiva separationer vid den analytiska nivån kan appliceras och adapteras till storskalig preparative-LC, med potential att kunna förbättra reningsprocessen för syntetiserade oligonukleotider. Vidare utveckling och validering krävs för framtida användning av denna metod.

De nos jours, la stéréochimie des médicaments est devenue un enjeu important aussi bien pour l'industrie pharmaceutique que pour les autorités réglementaires. Il a été démontré que les nucléotides / nucléosides ou les structures en double hélice et tétrade de guanine présentaient certaines propriétés énantio sélectives. Néanmoins, à ce jour, très peu d’études se sont focalisées sur l’utilisation de l’ADN en tant que sélecteur chiral. Grâce à l’utilisation d’une méthode de remplissage partiel, les propriétés de discrimination chirale d'un répertoire d'oligonucléotides (ONs) en série ADN caractérisé par diverses compositions de bases et de structures ont été testées sur une large gamme de mélanges racémiques par électrophorèse capillaire (EC), méthode séparative performante utilisant de faibles volumes d’échantillons. A des concentrations d'ADN sub-millimolaire, il a été montré que tous les ONs en série ADN testés, présentaient des capacités d'énantio discrimination vis-à-vis de plusieurs composés pertinents. Les couples d’énantiomères séparés sont, soit des composés cationiques possédant un groupement phényle, soit des analytes sans charge nette ou avec une charge positive et comportant deux cycles aromatiques. Une étude portant sur les capacités séparatives de plusieurs séquences d'homopolymères poly-dT de longueurs différentes (de 5 à 60-mer) a ensuite été menée sur certains couples d’énantiomères. Les résultats ont montré qu’une longueur minimale de 30 bases, où l'ADN semble adopter une conformation de type pelote, présentait de meilleures propriétés d'énantioséparation qu’une séquence constituée d’un maximum de 10 bases. De plus, la reconnaissance chirale des ONs en série ADN implique principalement des bases d'ADN libres dont la diversité chimique augmente leur capacité d'énantio résolution. Finalement, afin d'étudier la contribution thermodynamique impliquée dans les séparations énantiomériques obtenues par les ONs simples brins testés, des mesures de constantes d’affinité pour les énantiomères du tryptophane ont été réalisées vis-à-vis du Poly-dT30 par trois techniques différentes. Les méthodes utilisées n’ont pas permis de déterminer une différence d’affinité entre les deux énantiomères. / Nowadays, drug stereochemistry has become a significant issue for both the pharmaceutical industry and the regulatory authorities. It has been demonstrated that nucleotides/ nucleosides or duplex and G-quadruplex structures showed some enantioselective properties. Nevertheless, to date, the use of DNA as chiral selector has been largely neglected. Using partial filling capillary electrophoresis (CE) method, highly efficient technique with little volume consumption need, the assessment of the enantioselective properties of a repertoire of arbitrarily chosen DNA oligonucleotides (ONs) characterized by diverse base compositions and structural features was studied for a series of various racemates. Under (sub) millimolar DNA concentration conditions, it was shown that all the ONs tested presented enantiodiscrimination properties for interesting organic compounds. The resolved compounds are either cationic carrying one phenyl group or contain two aromatic cycles with no net or one positive charge. Then, sequence prerequisites of ONs for the CE enantioseparation process were studied for a series of homopolymeric sequences (Poly-dT) of different lengths (from 5 to 60-mer) and for the discrimination of various enantiomers. The results showed that the sequence length of 30-mer (or more) of the ONs was better for the enantioseparation properties, where the DNA adopted a coil-like conformation, than ONs with a sequence length ≤ 10-mer. The base-unpaired state constituted also an important factor in the chiral resolution ability of ONs. Moreover, the chemical diversity enhanced the enantioresolution ability of single-stranded ONs. Finally, several attempts have been conducted to study the thermodynamic contribution involved in enantiomeric separation obtained with DNA strands. Binding affinity constants were determined for tryptophan enantiomers towards Poly-dT30 by three different techniques. The used methods did not allow determining a difference of affinity between enantiomers.

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Die hydrolysestabile C-C-Bindung von Nukleosiden, deren Nukleobase über ein aromatisches oder methylen-verbrücktes Kohlenstoffatom an Ribose oder 2-Desoxyribose gebunden ist, ermöglicht die Synthese von neuartigen Strukturen und Eigenschaften, die bei N-Nukleosiden nicht stabil oder nicht gegeben wären. In dieser Arbeit wurde die die Cuprat-vermittelte Glycosylierung und die Friedel-Crafts-Alkylierung als Methoden zur Darstellung von Desoxyribose-basierenden C-Nukleosiden weiterentwickelt. Die Cuprat-vermittelte Glycosilierung ermöglichte die Synthese von C-Nukleosiden in bis zu 93% Ausbeute, wenn Grignard-basierende Normant-Cuprate verwendet wurden. Die Verwendung Organolithium-basierender Gilman-Cuprate war ebenfalls möglich. In Gegenwart von Sauerstoff wurden O-Glycoside isoliert in über 80 % Ausbeute isoliert. Mit den C-Nukleosiden wurden modifizierte Oligonukleotide, die als potentiell verbesserte Binder an M.TaqI und E.coli Dam dienen, dargestellt. Nach ihrer Charakterisierung über Schmelzwerte und Fluoreszenzeigenschaften wurde diese an die Arbeitsgruppe von Prof. Elmar Weinhold weitergereicht und dort erfolgreich als optimierte Binder an an M.TaqI und E.coli Dam getestet. Oligonukleotide, die ein oder mehrere 1,1-Binaphthyl-Chromophore als einen neuen Typus eines torsionsflexiblen Farbstoffes enthalten, wurden untersucht. Die Einführung mehrerer aufeinander folgender Binaphthyle führte zu einer thermodynamischen Stabilisierung von Duplex-Oligonukleotiden. Die geringe Neigung Binaphthyls zur Selbstlöschung bewirkte dabei einen starken Anstieg der Fluoreszenz. / The stable C-C-bond of ncleosides, whose nucleobase is attached to the ribose or 2-deoxyribose via an aromatic or methylen-bridged carbon atom, is stable to hydrolyses. This allows the synthesis of new structures and properties, which would not be available in N-nucleosides. In this work, a cuprate-mediated glycosilation and the Friedel-Crafts-alkylation as methods for the preparation of doxyribose-based C-nucleosides were developed. The cuprate-mediated glycosilation allowed the synthesis of C-nucleosides in up to 93 % yield, when Grignard-based Normant-Cuprates were used. The use of Organolithium-based Gilman-Cuprates was also possible. In the presence of oxygen O-glycosides were isolated in over 80 % yield. With the C-nucleosides modified oligonucleotides, which serve as potentially improved binders of the DNA-methyltransferases M.TaqI und E.coli, were prepared. After their charakterisation via melting point measurements and fluorescence properties, the oligonucleotides were given to the working group of Prof. Elmar Weinhold and successfully tested as improved binders of the DNA-methyltransferases M.TaqI und E.coli. Oligonucleotides, which contain one or multiple 1,1-binaphthyles as a new type of a torsionally flexible chromophore, were charakterised. The incorporation of several successive binaphthyls led to a thermodynamical stabilisation of the duplex-oligonucleotides. The low tendency of the Binaphthyl for self-quenching caused a remarkable increase of the fluorescence.

Diese Arbeit beschreibt die Realisierung mehrerer theoretischer Ansätze zur Synthese von Oligonucleotiden, die an gezielter Position mit der trans-{PtII(NH3)2}2+ - Spezies modifiziert sind. Es wurde ein Synthesebaustein "Pt-T" synthetisiert, der die direkte Einführung eines N3-platinierten Thymidins während der Oligonucleotidsynthese ermöglicht. Unter den Bedingungen der Standard - H-Phosphonat - Synthese werden bei Verwendung des synthetisierten platinierten Synthesebaustein "Pt-T" platinierte Oligonucleotide erhalten, die eine trans-[PtII(NH3)2Py(N3-T)]+ - Modifizierung enthalten. Mit Hilfe der Sanger - Sequenzierung konnte gezeigt werden, daß die an T angebundene trans-{PtII(NH3)2Py}2+ - Platinspezies T7 DNA Polymerase blockiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die Spaltung der 5'-Phosphorsäurediesterbindung durch Schlangengift - Phosphodiesterase infolge dieser Platinmodifizierung deutlich langsamer abläuft. Durch Ersatz von Pyridin durch 1,6-Lutidin bleibt die Reaktionsfähigkeit der trans-Position am Platin erhalten. Durch geeignete Reaktionsbedingungen wurde das nach erfolgter Oligonucleotidsynthese an einem 4-mer gebundene Platin bifunktional an den selben Strang gebunden und so trans-[PtII(NH3)2{d(TTTG)-N3-T(2),N7-G(4)}]+, ein kurzes Oligonucleotid mit intrastrand-crosslink, synthetisiert. Die durchgeführte enzymatische Hydrolyse zeigt eine hohe Beständigkeit gegenüber dem Abbau mit Schlangengift - Phosphodiesterase und alkalischer Phosphatase. / This work describes the synthesis of oligodeoxynucleotides, which are modified at a specific position with the trans-{PtII(NH3)2}2+ - species. A platinated monomer building block "Pt-T" has been synthesized separately prior to automated synthesis. Platin modified oligonucleotides were elongated by use of standard H-phosphonate chemistry. The use of the synthesized platinated building block "Pt-T" leads to platinated oligonucleotides with a trans-[PtII(NH3)2Py(N3-T)]+ - modification. The synthesized oligonucleotides have been subjected to sequencing by the Sanger - method and it could be shown, that this modification blocks T7 DNA polymerase. Furthermore it could be shown, that the cleavage of the 5'-phosphodiester bond by snake venom phosphodiesterase due to these modification runs down clearly more slowly. In consequence of substitution of pyridine by 2,6-lutidine the reactivity of the trans - position of the platinum remains received. After oligonucleotide synthesis the platinum became crosslinked, thus trans-[PtII(NH3)2{d(TTTG)-N3-T(2),N7-G(4)}]+, a short oligonucleotide with intrastrand-crosslink, was synthesized. The enzymatic hydrolysis showed a high constancy facing the degradation with snake venom phosphodiesterase and alkaline phosphatase.

La protéine du TGF-[bêta]1 est une protéine multifonctionnelle qui agit dans plusieurs types cellulaires. Son action varie selon le type de cellulaire. Bien qu'elle ait un rôle inhibiteur chez les astrocytes normaux, elle posséderait un rôle principalement activateur de nombreuses voies carcinogéniques chez les tumeurs astrocytaires primaires malignes. L'isoforme du TGF-[bêta]1 est celle qui est la plus impliquée dans ces processus. Elle joue un rôle dans l'activation des voies d'invasion tissulaire et d'angiogenèse, mais inhibe des mécanismes d'apoptose et d'immunosuppression.La présente étude vise à évaluer l'effet de l'inhibition de la protéine du TGF-[bêta]1 sur le modèle cellules de glioblastome F98/Fischer sur la prolifération et la migration cellulaire. Pour ce faire, un inhibiteur sélectif au récepteur a d'abord été utilisé. Par la suite, des techniques d'inhibitions nucléotidiques (oligoantisens, siRNA, shRNA) ont été testées. Nous avons d'abord validé l'utilisation du modèle F98/Fischer dans l'étude des fonctions du TGF-[bêta]1 et de l'inhibition de la production de cette protéine. Nous avons observé la production importante de TGF-[bêta]1 par les cellules F98 avec des essais immunologiques (Western, ELISA). Avec l'essai ELISA, nous avons observé la production considérable de TGF-[bêta]1 actif d'emblée.La présence de notre protéine d'intérêt a été détectée dans le cerveau de rat Fischer implanté avec les cellules F98 contrairement aux animaux sains qui ne montrent aucune trace de TGF-[bêta]1. Ensuite, nous avons tenté de mettre au point une approche nucléotidique pour inhiber la production du TGF-[bêta]1. Pour les oligoantisens et les siRNA qui ont été couplés avec le vecteur liposomale Metafecten, nous n'avons pas réussi à obtenir de diminution significative du TGF-[bêta]1 dans les surnageants des cultures de F98 . Pour l'approche au shRNA/lentivirus, nous n'avons pas réussi à former de bactéries contenant la construction recherchée. Par la suite, nous avons testé sur notre modèle cellulaire un inhibiteur pharmacologique sélectif, le SB-431642, du récepteur permettant la phosphoryllation de la voie instracellulaire Smad, le T[bêta]R-I. Les essais de prolifération (WST-1) ont permis de constater un ralentissement dans la croissance des F98 traitées au SB-431542. Un essai immunologique western a permis de constater que la production de VEGF était d'ailleurs influencée par cette inhibition du TGF-[bêta]1. L'utilisation d'un vecteur luciférase couplé à un élément de réponse Smad a permis de constater que la voie du TGF-[bêta]1 était bel et bien affectée à la baisse par cet inhibiteur. En effet, le dosage luminescent de la luciférase a permis de noter une diminution significative de sa quantité. L'activité d'un tel vecteur est proportionnelle à l'activité Smad intracellulaire. Nous avons aussi testé cet inhibiteur sur le modèle de croissance tumorale tridimensionnelle de sphéroïdes F98.La croissance des sphéroïdes a été ralentie par la présence de l'inhibiteur et l'invasion de la matrice de collagène observée chez les sphéroïdes contrôles a été freinée par l'ajout de SB-431542. Bien que certains de nos essais n'aient pas donné les résultats escomptés, l'utilisation de l'inhibiteur SB-431542 nous a permis de voir l'implication à du TGF-[bêta]1 dans les mécanismes de progression tumorale chez la lignée cellulaire F98, tel que la prolifération et la migration cellulaire. Ces résultats sont le préalable à d'éventuels essais avec le modèle d'étude animal, le rat Fischer avec l'utilisation de cellules de glioblastomes F98.