Les peptides vecteurs (CPP) présentent un grand intérêt pour l'internalisation de principes actifs dans les cellules. Les mécanismes permettant aux peptides de traverser la membrane restent sujets à discussion. Mieux comprendre leurs interactions avec la membrane pourrait permettre d'améliorer leur efficacité. L'organisation des lipides après interaction avec le peptide pénétratine a été étudiée par DSC et par fluorescence du Laurdan, sur des membranes modèles composées de lipides naturels. La pénétratine a induit de l'hétérogénéité dans la membrane, ce qui pourrait être un élément important pour déstabiliser la membrane durant son internalisation dans la cellule. En outre, le cholestérol est un régulateur parmi les plus importants des domaines membranaires. En raison de son affinité pour les lipides saturés, il peut former des domaines ordonnés. Grâce au cholestérol-pyrène, une sonde fluorescente, nous avons étudié les domaines liquides ordonnés (Lo) et désordonnés (Ld) de la membrane. Nous avons, par analyse statistique en composante principale, déterminé les longueurs d'onde d'émission caractéristiques des domaines Lo et Ld. Les peptides pénétratine, R9 et RW9 diminuent l'assemblage du cholestérol et RW9 augmente la fluidité de la membrane. RW9 a été le seul peptide capable de traverser des membranes (Ld) sur de vésicules lipidiques dans nos conditions expérimentales. Nous pouvons ainsi en déduire que la distribution des lipides dans la membrane est un factor important pour le passage des CPP. Notamment, l'interface entre les différents domaines semble jouer un rôle prépondérant pour l'internalisation. / Cell penetrating peptides are promising vectors for molecular drug delivery in eukaryotic cells. Despite of their discovery 20 years ago, the mechanisms of peptide membrane crossing are still controversial. Understanding then how they modify the membrane will allow later on a more efficient internalisation into the cell. Lipid organisation after penetratin interaction was studied by DSC and Laurdan fluorescence. Penetratin was able to induce membrane heterogeneity, which could be important for membrane destabilisation during cell internalisation. Furthermore, cholesterol is one of the most important regulators of membrane domains. Due to its strong affinity with saturated lipids, cholesterol presents the ability to form “rafts” (ordered domains). By cholesterol-pyrene, which is a probe that mimics cholesterol, we studied the liquid ordered (Lo) and liquid disordered (Ld) domains of the membrane. Firstly, we determined the wavelengths that characterise each of these domains by multivariable analysis and then, we verify the peptide effect (R9, RW9 and penetratin) in the distribution of these domains. RW9 were the only CPP able to cross the membrane (Ld). We can deduce that lipid distribution in the membrane is important for the peptide internalisation and the interfaces between these domains may play an important role during this process.

Les peptides vecteurs riches en Arginine (Arg) ont la faculté de transporter des molécules à travers les membranes cellulaires, d'une manière récepteur- et énergie indépendante, sans toxicité envers la cellule et présentent ainsi un fort potentiel pour la libération de molécules thérapeutiques ou diagnostiques. La compréhension du mécanisme d'internalisation cellulaire et de l'interaction membranaire de ces peptides vecteurs est donc primordiale pour leur développement pharmaceutique. Dans cette étude, deux peptide svecteurs riches en Arg et dérivés de la pénétratine ont été étudiés : les peptides RW16(RRWRRWWRRWWRRWRR) et RW9 (RRWWRRWRR). Dans un premier temps,l'analyse biophysique complète de l'interaction peptide/lipide (P/L) a été réalisée pour le peptide RW16 et une interaction favorisée en présence de lipides anioniques a été révélée.Dans un second temps, des peptides dérivés de RW9 ont été synthétisés dans lesquels chaque tryptophane a été systématiquement remplacé par une phenylalanine. L'internalisation cellulaire et les interactions P/L de RW9 ont été étudiées, et l'importance de la position et du nombre de tryptophane dans la séquence peptidique a été mise en évidence. / Cell-penetrating peptides (CPPs) are able to efficiently transport cargos acrosscell membranes in a receptor- and energy-independent manner, without being cytotoxic to cells and thus present a great potential in drug delivery and diagnosis. The understanding of the cellular internalization and membrane interaction mechanisms is thus fundamental for their pharmaceutical development. In this study, two Arginine-rich CPPs derived from penetratin have been investigated: the peptides RW16 (RRWRRWWRRWWRRWRR) andRW9 (RRWWRRWRR). Firstly, a complete biophysical study of the peptide/lipid (P/L)interactions of RW16 has been accomplished and a preferential interaction for anionic lipids was demonstrated. Secondly, peptides derived from RW9 have been synthesized where tryptophan residues have been systematically replaced by phenylalanine. Cellular internalization and P/L interactions have been characterized, and the importance of the number and position of tryptophan has been highlighted.

Les traitements actuels dirigés contre le VIH ne sont que partiellement efficaces en raison de l'apparition de mutations qui confèrent au virus une grande capacité de résistance aux antirétroviraux existants. Un moyen d'améliorer la lutte contre le virus consiste par conséquent à trouver de nouvelles stratégies d'inhibition. Le complexe de reverse transcription est une des principales cibles pour le développement de traitement anti-SIDA, il catalyse une étape obligatoire du cycle de réplication du virus. Cependant, l'ensemble des inhibiteurs de la transcriptase inverse sont limités par l'apparition rapide de souches résistances. Dans ce contexte, mes travaux de thèse ont permis de développer des inhibiteurs ciblant spécifiquement la reverse transcriptase (RT) du VIH-1, basée sur des fragments d'anticorps dérivés des anticorps chaînes lourdes de dromadaire appelés VHHs ou encore Nanobodies. Associé à une stratégie de vectorisation non invasive basée sur l'utilisation de peptides vecteurs pénétrants, les Nanobodies ont été délivré efficacement dans les cellules et par conséquent ils présentent tous une forte activité antivirale de l'ordre du nanomolaire. L'étude du mécanisme d'action du Nanobody leader NbRT20 montre qu'il agit en tant qu'inhibiteur conformationnel. Il interagit avec la forme intermédiaire inactive de la RT et empêche la mobilité du sous-domaine thumb requis pour le positionnement correct de la matrice/amorce sur la RT et inhibant l'incorporation des nucléotides dans la chaîne d'ADN naissante déstabilisant l'enzyme dans une conformation inactive, non processive. Pris ensemble, ces résultats montrent que la plate-forme Nanobody peut être très efficace pour générer des intracorps extrêmement puissants et sélectifs pour neutraliser la RT et la réplication virale.Mots clés : HIV-1, RT, Nanobodies, peptide vecteur pénétrant / The rapid emergence of drug-resistant viruses against all approved HIV clinical drugs together with inaccessible latent virus reservoirs and side effects of currently used compounds have limited the potency of existing anti-HIV-1 therapeutics. Therefore, there is a critical need for new safer drugs, active against resistant viral strains. Reverse transcriptase (RT) plays an essential role in the replication of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) and remains a primary target of anti-HIV-1 drugs. To develop specific HIV inhibitors, we have elaborated a new strategy based on short antibody fragments derived from the unique Heavy-chain antibodies present in Camelidae called Nanobodies that targets RT-activation. The immunization of dromedaries with RT has lead to the isolation of a panel of Nanobodies that tightly bind the two subunits of RT and inhibit its DNA-dependent DNA polymerase activity at nanomolar range. From that screen we have elaborated an intrabody (cell penetrating anti-RT Nanobody) NbRT20 that constitutes a potential interesting anti-HIV compound.We demonstrated that NbRT20 inhibits RT polymerase activity and exhibiting a potent antiviral activity with a subnanomolar IC50. NbRT20 binds the thumb subdomain and restricts its flexibility and mobility resulting in an inactive/non processive dimeric conformation of the enzyme. From a mechanistic point of view, we have showed that NbRT20 is a conformational inhibitor. it prevents proper binding of primer/template and of dNTP and destabilizes the enzyme in an inactive/non processive dimeric conformation.Taken together, these results demonstrated that, the Nanobody platform may be highly effective at generating extremely potent and selective intrabody to neutralize RT and HIV proliferation.Key words: HIV-1, RT, Nanobodies, cell penetrating peptide

Les « cell penetrating peptides » (CPPs) sont des vecteurs peptidiques capables de délivrer diverses molécules (acides nucléiques, protéines, peptides, petites molécules, etc.) à l'intérieur des cellules de mammifères. Notre laboratoire a élaboré le vecteur amphipatique secondaire CADY capable de transporter, indépendamment de toute voie d'endocytose, des molécules thérapeutiques telles que les petits ARN interférents (siRNA). En effet, leur potentiel thérapeutique réside dans leur capacité à inhiber de manière spécifique l'expression de protéines dérégulées dans un cadre pathologique.Le sujet de ma thèse s'est centré sur la caractérisation et l'optimisation des complexes CADY/siRNA. Au cours de mes travaux, nous avons pu mettre en évidence que CADY adoptait une structure en hélice alpha en présence du siRNA ce qui conduit à la formation des nanoparticules. Notre étude a eu pour but d'optimiser la séquence de CADY et de contrôler sa formulation pour permettre le transfert de notre système de vectorisation d'une application in cellulo à une application in vivo. En premier lieu, nous avons mené une étude de relations structure-activité avec six peptides analogues de CADY, en réalisant des mutations sur les résidus tryptophanes (PSF1, PSF2, PSF3 et PSW) et sur la zone initiatrice de l'hélice alpha (PG9, PG16). L'analyse approfondie de ces analogues a permis de confirmer que la limitation du caractère amphipathique et du polymorphisme structural des vecteurs conduisaient à une réduction de l'efficacité d'internalisation. Parmi les 6 analogues, seules les nanoparticules à base de PG9 et PG16 présentent des résultats in cellulo comparables à ceux obtenus avec les nanoparticules CADY/siRNA. A ce jour, la séquence primaire de CADY étant la plus adaptée pour la transfection de siRNA, nous avons établi une procédure de formulation standardisée permettant un autoassemblage CADY/siRNA reproductible et homogène, dont la taille moyenne est de 106 ± 31 nm et l'indice de polydispersité de 0,357 ± 0,053. De plus, nous avons mis en place une procédure d'extrusion/lyophilisation afin de stocker les nanoparticules sous forme de poudre. Celle-ci peut être resuspendue en milieu aqueux sans modifications des propriétés colloïdales des nanoparticules ni de leur capacité de transfection.Dans le but d'améliorer la spécificité tissulaire et la biodisponibilité des nanoparticules CADY/siRNA pour une application in vivo, nous avons greffé des motifs de ciblage (YIGSR-S) et de furtivité (PEG) sur la séquence de CADY. L'ajout de ces deux entités, de natures très différentes, ne modifie que faiblement les caractéristiques physico-chimiques (ex. taille moyenne des complexes) et biologiques (transfection cellulaire) des nanoparticules. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de nanoparticules dites de 3ème génération, sur lesquelles on peut greffer plusieurs sortes de molécules d'intérêts (ciblage, polymère, agent de contraste etc.).L'ensemble des résultats obtenus au cours de ma thèse marque un réel progrès dans l'optimisation de la formulation du vecteur CADY, et nous incitent à exploiter davantage son potentiel pour le transfert de siRNA in vivo. / Cell penetrating peptides (CPPs) are short peptides that can enter many cell types and transduce into cells a wide range of molecular therapeutics (nucleic acid, proteins, peptides, small molecules, etc.). Our laboratory has developed the secondary amphipathic peptide CADY able to promote the transport of small interfering RNA (siRNA) independently of all endocytotic pathways. Indeed, siRNA therapeutic interest lies on its ability to inhibit specifically deregulated proteins in the context of pathology. The subject of my thesis focused on the characterization and optimization of CADY/siRNA complexes. During my work, we have been able to show that CADY adopts a helical structure while interacting with the siRNA leading to the formation of nanoparticles. The goal of my study was to optimize CADY sequence and control its formulation to consider the transferring from an in cellulo to an in vivo application of our vectorization system. First, we conducted a structure-activity study with six analogues by mutating CADY on tryptophane residues (PSF1, 2, 3 and PSW) and in the area initializing helical structure (PG9, PG16). A thorough analysis of these analogues has confirmed that the limitation of the amphipathic character and structural polymorphism is directly related to the reduction of internalization efficiency of our CPPs. Among the six analogues, only PG16/siRNA and PG9/siRNA nanoparticles show in cellulo results equal to those obtained with CADY/siRNA. Based on the fact, that CADY is the most suitable vector for the transfection of therapeutic molecules such as siRNA, we have established a standard formulation procedure to obtain reproducible and homogeneous CADY/siRNA complexes with an average size of 106 ± 31 nm and a polydispersity index of 0.357 ± 0.053. In addition, we have implemented an extrusion/lyophilization step to allow nanoparticle storage as powder, which can be re-suspended in an aqueous solution without losing their colloidal and transfection properties.In order to improve tissue specificity and bioavailability of CADY/siRNA nanoparticles for an in vivo application, we have grafted ether a targeting sequence (YIGSR-S) or a stealth motif (PEG) to the CADY sequence. These two entities of very different nature provoke only few changes in the physicochemical (e.g. average size) and biological (cell transfection) characteristics of the nanoparticles formed with a siRNA. These results are very encouraging for the development of the so-called 3rd nanoparticle generation which includes several kinds of molecules (targeting, polymer, contrast agent etc.).These outcomes mark the real progress in CADY formulation optimization, and encourage us to further exploit its potential for the in vivo transfer of siRNA.

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.

Les Peptide Nucleic Acids (PNA) sont des oligonucléotides antisens analogues de l'ADN, dont le squelette phosphodiester a été remplacé par un squelette pseudo-peptidique d'unités 2-aminoéthylglycine, sur lequel sont greffées des bases azotées. Des PNA dirigés contre les ARN messagers peuvent inhiber la traduction in vitro et dans les cellules humaines. Lorsqu'ils sont dirigés contre la partie codante du transcrit, des PNA polypyrimidiques peuvent bloquer physiquement l'élongation de la traduction en stoppant la machinerie ribosomale. Le transcrit n'est pas dégradé et une protéine tronquée est générée in vitro. Dans le cas de protéines dont la surexpression conduit à des pathologies, des protéines tronquées inactives peuvent jouer un rôle de dominant négatif dans les cellules. Des protéines tronquées de l'Insulin-like Growth Factor-1 (IGF1R), récepteur cellulaire surexprimé dans de nombreux cancers, inhibent la tumorigénèse et la résistance à l'apoptose de cellules cancéreuses. La pénétration cellulaire des PNA est la principale limite à leur utilisation in vivo et il est nécessaire de développer des transporteurs efficaces pour ces oligonucléotides neutres. Les Cell Penetrating Peptides (CPP) sont des peptides naturels ou synthétiques, qui peuvent être conjugués à différentes molécules pour promouvoir leur internalisation cellulaire. Les objectifs de ce travail de thèse étaient de comprendre les critères requis pour l'arrêt de l'élongation de la traduction par les PNA et d'étudier leur internalisation cellulaire médiée par le CPP (R/W)9. Nous avons montré qu'un couplage covalent entre ce peptide et deux PNA 13-mer permet l'internalisation des conjugués dans un système cellulaire rapporteur, conduisant à leur activité biologique en présence d'un agent lysosomotropique. Les conjugués interagissent avec les glycosaminoglycanes membranaires et sont internalisés par endocytose en moins d'une heure. De plus, les conjugués formés avec un peptide analogue comportant des lysines sont six fois moins internalisés, mettant en évidence l'importance des résidus arginines du peptide (R/W)9 pour l'interaction avec la membrane. Enfin, nous avons montré que le peptide (R/W)9 couplé à un PNA dirigé contre la séquence codante de l'IGF1R permet son internalisation dans les cellules de cancer de la prostate et que le conjugué inhibe spécifiquement l'expression de la chaîne β du récepteur.

Les Peptide Nucleic Acids (PNA) sont des oligonucléotides antisens analogues de l’ADN, dont le squelette phosphodiester a été remplacé par un squelette pseudo-peptidique d’unités 2-aminoéthylglycine, sur lequel sont greffées des bases azotées. Des PNA dirigés contre les ARN messagers peuvent inhiber la traduction in vitro et dans les cellules humaines. Lorsqu’ils sont dirigés contre la partie codante du transcrit, des PNA polypyrimidiques peuvent bloquer physiquement l’élongation de la traduction en stoppant la machinerie ribosomale. Le transcrit n’est pas dégradé et une protéine tronquée est générée in vitro. Dans le cas de protéines dont la surexpression conduit à des pathologies, des protéines tronquées inactives peuvent jouer un rôle de dominant négatif dans les cellules. Des protéines tronquées de l’Insulin-like Growth Factor-1 (IGF1R), récepteur cellulaire surexprimé dans de nombreux cancers, inhibent la tumorigénèse et la résistance à l’apoptose de cellules cancéreuses. La pénétration cellulaire des PNA est la principale limite à leur utilisation in vivo et il est nécessaire de développer des transporteurs efficaces pour ces oligonucléotides neutres. Les Cell Penetrating Peptides (CPP) sont des peptides naturels ou synthétiques, qui peuvent être conjugués à différentes molécules pour promouvoir leur internalisation cellulaire. Les objectifs de ce travail de thèse étaient de comprendre les critères requis pour l’arrêt de l’élongation de la traduction par les PNA et d’étudier leur internalisation cellulaire médiée par le CPP (R/W)9. Nous avons montré qu’un couplage covalent entre ce peptide et deux PNA 13-mer permet l’internalisation des conjugués dans un système cellulaire rapporteur, conduisant à leur activité biologique en présence d’un agent lysosomotropique. Les conjugués interagissent avec les glycosaminoglycanes membranaires et sont internalisés par endocytose en moins d’une heure. De plus, les conjugués formés avec un peptide analogue comportant des lysines sont six fois moins internalisés, mettant en évidence l’importance des résidus arginines du peptide (R/W)9 pour l’interaction avec la membrane. Enfin, nous avons montré que le peptide (R/W)9 couplé à un PNA dirigé contre la séquence codante de l’IGF1R permet son internalisation dans les cellules de cancer de la prostate et que le conjugué inhibe spécifiquement l’expression de la chaîne β du récepteur. / Peptide nucleic acids (PNAs) are nucleic acid analogues in which the sugar-phosphate backbone has been replaced by a synthetic peptide backbone, usually comprised of N-(2-aminoethyl)-glycan units. PNAs targeted against mRNA can inhibit translation both in vitro and in human cells. Pyrimidine rich PNAs can physically block translation elongation at targets in the coding region of messenger RNA, giving rise to a truncated protein. Truncated proteins that lack a functional domain and can at the same time inhibit the function of the wild type protein are referred to as dominant negative. Truncated form of Insulin-like Growth Factor-1 receptor (IGF1R), protein overexpressed in numerous cancers, inhibits tumorigenesis and resistance to apoptosis of cancerous cells. One of the biggest limitations to the use of PNAs in vivo is their poor internalization. It is therefore necessary to develop efficient transporters able to enhance the cellular uptake of PNAs. Cell-penetrating peptides (CPPs) are natural or synthetic peptides that can be conjugated to different molecules in order to facilitate their cellular uptake. The objectives of this thesis were to understand the conditions required for the translation elongation arrest by PNAs and to study their cellular internalization mediated by CPP (R/W)9. We have shown that covalent coupling of two 13-mer PNAs to (R/W)9 facilitates their internalization in a reporter cell line, leading to their biological activity in the presence of a lysosomotropic agent such as chloroquine. The conjugates interact with membrane glycosaminoglycans and are internalized by endocytosis in less than one hour. Moreover, conjugates formed with an analogue peptide containing lysines in the place of arginines of (R/W)9 showed to be six time less efficiently internalized, suggesting the importance of arginine residues for the interaction of the conjugate with the membrane. We have also showed that the PNA targeted to the coding region of IGF1R coupled to (R/W)9 is efficiently internalized to prostate cancer cells where it inhibits the expression of the beta chain of the receptor.

Les peptides vecteurs ou CPP sont de petits peptides, en général de taille inférieure à 30 acides aminés. Parmi les nombreux CPP décrits dans la littérature, les peptides riches en arginine ont fait l'objet d'une attention particulière. Plusieurs modifications chimiques du squelette peptidique conduisant à une distribution spatiale différente des groupes fonctionnels, ou encore l'introduction de chaînes aliphatiques ont été effectuées pour accroitre la capacité du peptide à traverser la membrane de la cellule. L'objectif de ce travail a été le développement de nouveaux peptides vecteurs cycliques contenant un domaine cationique minimal et pouvant être acylés par une chaîne aliphatique. Quinze nouveaux transporteurs cycliques, dont les peptides vecteurs classiques Pénétratine et R6W3ont été synthétisés. La cyclisation tête-queue par ligation chimique native a été rendue possible par l'introduction d'un résidu cystéine et d'une fonction thioester (ou précurseur) respectivement aux extrémités N et C-terminales des différentes séquences de CPP. Leur aptitude à transporter le peptide bioactif PKCi dans des cellules CHO a été évaluée par quantification de la cargaison internalisée en utilisant la spectrométrie de masse MALDI-TOF. Les résultats indiquent une meilleure internalisation essentiellement par voie d'endocytose dépendante des glycosaminoglycanes, suite à la cyclisation des CPP comparés à leur version linéaire. De toute la série des lipopeptides testés dans ce projet, deux séquences se distinguent par leur capacité remarquable à franchir les membranes cellulaire : les CPP [C12-R4] et [C12-R7]. / Cell-penetrating peptides (CPPs) are short, cationic or amphipatic peptides, usually containing less than 30 amino acids, which are able to deliver various bioactive cargoes inside cells. Among the many CPPs described in the literature, the arginine-rich peptides have attracted particular attention. Several chemical modifications of the peptide backbone leading to different spatial distributions of the CPP functional groups, or the introduction of aliphatic chains have been made to enhance their internalization efficiency. The aim of this work was the synthesis of new cyclic CPPs containing a minimal cationic domain and their functionalisation with an aliphatic chain. We have synthesised a small library of fifteen new cyclic carriers including the classical CPPs Penetratin and R6W3 using native chemical ligation (NCL) in solution. The introduction of an N-terminal Cys residue and of a C-terminal thioester (or precursor) in the initial linear peptide sequence allowed the head-to-tail cyclisation. The efficiency of cargo delivery in CHO cells was measured by MALDI-TOF mass spectrometry. We found that cyclisation of CPPs improved their internalisation efficiency mostly by glycosaminoglycan-dependent endocytosis. Among the whole series of lipopeptides tested in this project, two sequences are distinguished by their remarkable ability to cross cellular membranes: the peptides [C12-R4] and [C12-R7].