La maurocalcine (MCa) est une toxine de 33 acides aminés issus du venin de scorpion Scorpio maurus palmatus. Ce peptide a initialement été étudié pour son activité pharmacologique en tant qu'activateur du récepteur à la ryanodine (RyR1) des muscles squelettiques. En étudiant comment cette toxine pouvait atteindre le RyR qui est localisé à l'intérieur des cellules, il a été montré que la maurocalcine pouvait être classé dans la liste croissante des peptides de pénétration cellulaire. Depuis la découverte que la maurocalcine peut servir de vecteur à la délivrance intracellulaire de streptavidine fluorescente, les données se sont accumulées pour illustrer l'incroyable valeur biotechnologique de cette toxine. Plusieurs nouveaux analogues ont été produits qui séparent les propriétés pharmacologiques et de pénétration cellulaire du peptide comme une maurocalcine sans ponts disulfulres, synthétisée en remplaçant les résidus cystéine par des acides aminobutyriques, ou en remplaçant tous les acides aminés par leur isomère de conformation D. La maurocalcine s'est avérée efficace pour la délivrance cellulaire de nanoparticules ouvrant ainsi une myriade possible d'applications high-tech. Enfin, la maurocalcine a été couplé à la doxorubicine, un agent anti-tumoral, pour rendre chimio-sensibles des cellules cancéreuses devenues chimio-résistantes. Il semble donc que la maurocalcine débute sa carrière comme outil biotechnologique, mais aussi que cette toxine s'avèrera utile pour déchiffrer finement les détails mécanistiques du fonctionnement du récepteur à la ryanodine. / Maurocalcine (MCa) is a 33 mer toxin initially identified from a tunisian scorpion venom, scorpio maurus palmatus. This peptide initially triggered our interest for its pharmacological activity on Ryanodine Receptor type 1 (RyR1) of skeletal muscles. In studying how this toxin reaches the intracellular RyR1, it has been shown that MCa could be placed in the growing family of cell penetrating peptides. Since the discovery that MCa can act as a transport agent for the intracellular delivery of fluorescent streptavidine, data have accumulated to illustrate the amazing biotechnological properties of this toxin. Several new analogs have been produced that keep cell penetration properties and lose pharmacological activity of the native molecule. This is the case for a linear analog of MCa synthesized by replacing internal cysteine residues by aminobutyric acid, or by the synthesis of a MCa analog with all its amino acid in D conformation. MCa proved efficient for the intracellular delivery of nanoparticles leading to a myriad of hi-tech applications. Finally, MCa has been grafted on an anti-tumor agent, doxorubicin, to made chemo-resistant tumor cells chemo-sensitive. So it seems that MCa begins its career as a biotechnological tool, and that this toxin will be helpful to see the light on the mechanistic aspects of RyR function.

De nos jours, une des stratégies majeures dans la modulation de la pharmacocinétique des composés bioactifs est leur vectorisation et l’obtention de formes prodrogues. Ce travail est centré sur la vectorisation d’antitumoraux phosphorés à l’aide de peptides favorisant le passage membranaire. Nous avons alors réalisé la conjugaison d’aminoalkyl-bisphosphonates avec des séquences peptidiques afin de modifier leur temps de rétention dans l’organisme et d’augmenter leur internalisation cellulaire. Différents espaceurs possédant un motif carbonylé insaturé ont été évalués dans le couplage par la réaction d’addition aza- et thiaMichael afin d’aboutir à l’obtention d’un conjugué peptide-alendronate. Une approche prodrogue a également été réalisée avec la synthèse de dérivés de type bisphosphinates et l’obtention d’un analogue de l’alendronate. / Nowadays, one of the main strategies for pharmacokinetic modifications of bioactive compounds is their vectorization and the synthesis of prodrug derivatives. This work is focused on the vectorization of phosphorus antitumor agents with cell-penetrating peptides. We have then conjugated aminoalkyl-bisphosphonates with peptidic sequence to modify their retention time and increase their cellular internalization. Several linkers bearing an insaturated carbonyl moiety have been evaluated in conjugation by aza- and thia-Michael addition reaction to obtain a conjugated peptide-alendronate compounds. A prodrug approach has been conducted with the synthesis of bisphosphinate derivatives and an analog of alendronate has been obtained.

La maurocalcine (MCa) est une toxine de 33 acides aminés issus du venin de scorpion Scorpio maurus palmatus. Ce peptide a initialement été étudié pour son activité pharmacologique en tant qu'activateur du récepteur à la ryanodine (RyR1) des muscles squelettiques. En étudiant comment cette toxine pouvait atteindre le RyR qui est localisé à l'intérieur des cellules, il a été montré que la maurocalcine pouvait être classé dans la liste croissante des peptides de pénétration cellulaire. Depuis la découverte que la maurocalcine peut servir de vecteur à la délivrance intracellulaire de streptavidine fluorescente, les données se sont accumulées pour illustrer l'incroyable valeur biotechnologique de cette toxine. Plusieurs nouveaux analogues ont été produits qui séparent les propriétés pharmacologiques et de pénétration cellulaire du peptide comme une maurocalcine sans ponts disulfulres, synthétisée en remplaçant les résidus cystéine par des acides aminobutyriques, ou en remplaçant tous les acides aminés par leur isomère de conformation D. La maurocalcine s'est avérée efficace pour la délivrance cellulaire de nanoparticules ouvrant ainsi une myriade possible d'applications high-tech. Enfin, la maurocalcine a été couplé à la doxorubicine, un agent anti-tumoral, pour rendre chimio-sensibles des cellules cancéreuses devenues chimio-résistantes. Il semble donc que la maurocalcine débute sa carrière comme outil biotechnologique, mais aussi que cette toxine s'avèrera utile pour déchiffrer finement les détails mécanistiques du fonctionnement du récepteur à la ryanodine.

La Maurocalcine (MCa), excellent peptide de pénétration cellulaire (CPP, Cell Penetrating Peptide) issu du venin de scorpion, présente un grand intérêt pour des applications d'administration intracellulaire de molécules ou de nanoparticules expérimentales ou thérapeutiques. Afin de développer ces applications, le peptide a auparavant subi une série d'optimisations, dont la suppression de l'activité biologique native et l'élimination des ponts disulfures intramoléculaires. Dans le présent travail, nous avons poursuivi l'optimisation du peptide par la réduction de la taille. Ensuite, nous avons développé une des applications possibles du peptide consistant en la vectorisation d'un nanobiodétecteur du Ca2+ intracellulaire.La taille de la MCa native (33 résidus) est plus longue que celle des CPPs populaires, telles que la Tat et la pénétratine (13 et 16 résidus, respectivement). Pour réduire la taille du peptide, nous avons procédé à la troncation de la MCa linéaire antérieurement conçue. Douze nouveaux puissants CPPs de taille réduite ont été produits, dont la MCaUF1-9 qui s'est révélée la plus efficace de tous à de faibles concentrations. Le CPP MCaUF1-9 paraît donc très intéressant pour des applications utilisant de faibles concentrations. La caractérisation approfondie de la MCaUF1-9 a montré sa meilleure efficacité en pénétration cellulaire comparativement à Tat, à pénétratine, et à de petits analogues dérivés des peptides de la même famille de calcine, à l'exception de l'hadrucalcineUF1-11 (HadUF1-11) et de l'hadrucalcineUF3-11 qui se sont révélés plus performants.En guise d'application, l'analogue le plus efficace en pénétration cellulaire, l'HadUF1-11, a été efficacement utilisé comme vecteur pour la délivrance intracellulaire d'un nanobiodétecteur du Ca2+ cytoplasmique formé d'un quantum dot recouvert des molécules indicatrices de Ca2+(CaRuby).Les petits analogues de MCa (dérivés de MCa ou des autres peptides de la famille de calcine) pourraient être des CPPs de choix pour divers types d'applications de délivrance intracellulaire. Pour le confirmer (ou l'infirmer) leur caractérisation extensif est nécessaire.Mots clés: Maurocalcine, hadrucalcine, nanoparticules, quantum dots, pénétration cellulaire, nanobiodétecteur de Ca2+. / The Maurocalcine (MCa), an excellent cell penetrating peptide (CPP) from the scorpion venom, presents a real interest for the development of applications for the intracellular delivery of experimental or therapeutic molecules or particles. In order for these applications to be developed, the peptide previously underwent a series of optimization processes, such as the suppression of native biological activity and the removal of intramolecular disulfide bonds. In this research, we carried on the optimization by reducing the size of the MCa and then developed one among other possible applications of this peptide which consists of the vectorization of the intracellular Ca2+ nanobiosensor.The native size of MCa (33 residues) is much longer than the size of popular CPPs such as Tat and penetratin (13 and 16 residues, respectively). To reduce the size of the peptide, we truncated the previously designed linear MCa. Twelve new powerful small CPPs were produced, among which the MCaUF1-9 that was the best in cell penetration at low concentrations. Thus, the MCaUF1-9 appears very interesting for applications that require low concentrations. The MCaUF1-9 was further characterized and happened to be more efficient in cell penetration than the Tat, the penetratin, and other small analogous peptides derived from the peptides belonging to the same family as the MCa's, except from the hadrucalcineUF1-11 (HadUF1-11) and the hadrucalcinUF3-11 which showed best performance.As application, the most efficient analogous in cell penetration, the HadUF1-11, was efficiently utilized as a vector for the intracellular delivery of an intracellular Ca2+ nanobiosensor composed of a quantum dot coated with Ca2+ indicator (CaRuby) molecules.Small MCa analogous (derived from MCa or the other peptides of the calcine family) might be the choice CPPs for diverse intracellular delivery applications. In order to confirm this, their extensive characterization is necessary.Key words: Maurocalcine, hadrucalcine, nanoparticles, quantum dots, cell penetration, Ca2+ nanobiosensor.

La maurocalcine (MCa) est une toxine de 33 acides aminés initialement issue du venin du scorpionScorpio maurus palmatus, et est considérée comme faisant partie de la famille des CPP(Cell Penetrating Peptides) depuis de nombreuses années déjà. La MCa présente donc un intérêtthérapeutique certain dans le domaine de la délivrance intracellulaire de cargos, et lestravaux exposés ici cherchent à caractériser au mieux les propriétés de pénétration de la moléculenative ainsi que celle de certains de ses variants.Après avoir quantifié l’internalisation de plusieurs variants tronqués (linéaires), j’ai pu mettreen évidence le fait que tous ces analogues testés ont une capacité à être internalisés bien plusélevée que celle des CPP de référence (notamment Tat et la pénétratine). Parmi ces variants,l’analogue MCaUF1−9 présente l’avantage d’un temps de rétention relativement élevé au seindes cellules, ainsi que d’une accumulation légèrement accrue en environnement acide (ce quiadvient lors de la formation tumeurs solides). Ce nouveau CPP possède donc un certain potentielthérapeutique mais l’étude de la MCa native, remarquablement stable in vivo, reste plusque jamais d’actualité. / Maurocalcine (MCa) is a 33-mer toxin originally isolated from the venom of the scorpioScorpio maurus palmatus, and has been considered as a cell-penetrating peptide (CPP) for severalyears. MCa presents a therapeutic interest for the intracellular delivery of cargoes, andthis thesis aims to characterise the cell penetration properties of the native molecule as well assome of its variants’.After quantifying several truncated (linear) variants’ internalisation, I have been able tohighlight the fact that all of those analogs possess a higher internalization ability than those ofstandard CPP (especially Tat and penetratin). Among those variants, the analog MCaUF1−9 hasa relatively high rentention time within cells, as well as a slightly increased accumulation whenin an acidic environment (which occurs during solid tumours formation). This new CPP showsa certain therapeutic potential but the study of nativeMCa, remarkably stable in vivo, remainsa priority.

La génération de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) est très prometteuse en médecine régénérative, pour la modélisation physiopathologique et le criblage de nouveaux médicaments. A l’origine, des cellules somatiques ont été reprogrammées en iPSC par l'expression forcée de facteurs de transcription (FT) impliqués dans les cellules souches embryonnaires. Depuis, de nombreuses lignées d’iPSC ont été générées mais les vecteurs actuels les plus représentés et efficaces pour exprimer les FT sont les virus intégratifs. Ils comportent du matériel génétique. Des stratégies alternatives ont été développées dans un contexte de sécurisation et de transfert clinique mais sont ont encore besoin d’être acceptées par les comités d’éthique. La méthode la plus sûre et rationnelle serait alors d’apporter ces FT directement sous forme protéique mais le défi est de traverser les membranes. Dans ce contexte, notre laboratoire a développé un peptide de pénétration cellulaire (CPP) basé sur le FT ZEBRA du virus d’Epstein-Barr. La séquence impliquée dans la prise en charge cellulaire a été caractérisée au laboratoire et se nomme MD (Minimal Domain). Elle est capable de vectoriser des protéines et des biomolécules de haut poids moléculaire via un mécanisme indépendant de l'endocytose, permettant leur internalisation sous une forme biologiquement active. Dans ce projet, nous avons produit et purifié les protéines Oct4, Sox2, Nanog, Lin28, Klf4 et c-Myc chacune fusionnée au CPP MD. Ce domaine n'interfère pas avec la capacité d'Oct4 à lier sa séquence cible d’ADN. Le traitement in vitro de cellules primaires conduit à l’internalisation des protéines MD en 30 minutes à 1 heure. MD-Oct4 et MD-Nanog peuvent être localisés au noyau en 3 heures. Dans un contexte de reprogrammation, la combinaison de MD-Oct4, MD-Sox2, MD-Nanog et MD-Lin28 lors de traitements répétés conduit à l'activation transcriptionnelle de gènes cibles composant le réseau de pluripotence. / The generation of induced Pluripotent Stem Cell (iPSC) holds great promise for regenerative medicine, disease modelling and drug screening. Leading the original cell to an iPSC has been originally made by the forced expression of Transcription Factors (TF) involved in embryonic stem cells. Since the discovery of those mechanisms, many teams have engineered iPSC by well-defined cell culture tools such as the use of retroviruses in order to express TF. Those techniques use genetic material. Delivery techniques have evolved but most of reprogramming experiments still need TF. Development of alternative strategies has been conducted in a context of clinical application but still needs to be accepted by ethics comities. Thus, the use of recombinant proteins instead of genetic material is safe and rational but the challenge is to access the intracellular medium. In this context, our laboratory has developed a cell-penetrating peptide (CPP) based on the Epstein-Barr virus ZEBRA TF. The sequence implicated in cellular uptake has been characterized and is named MD (Minimal Domain). It is able to translocate high molecular weight proteins in an endocytosis-independent mechanism, allowing the internalization of cargos in fully biologically active form. Here we develop 6 MD fusions at the N-terminus of the following TF: Oct4, Sox2, Klf4, cMyc, Nanog & Lin28. This domain does not interfere with Oct4 capacity to associate with its own DNA sequence. Moreover, MD fused proteins transduce in vitro treated cells in 30 minutes to 1 hour ; MD-Oct4 & MD-Nanog can be localized in the nucleus after 3 hours only. In a context of reprogramming experiences, the combination of MD-Oct4, MD-Sox2, MD-Nanog and MD-Lin28 in repeated treatment leads to the activation of target genes transcription such as those constituting the pluripotency network.