Cette thèse de doctorat a porté sur l'étude de deux protéines membranaires d'origine animale appelées CCC8 (ou SLC12A9) et CCC9 (ou SLC12A8) qui appartiennent à la superfamille des cotransporteurs cation-chlore, mais dont le rôle n'est pas de transporter les ions Na+ et/ou K+ avec le Cl" à travers les surfaces cellulaires à l'instar des autres membres de la famille. En cours de caractérisation, nous avons trouvé que CCC8 et 9 pouvaient se comporter comme des transporteurs de polyamines à la surface cellulaire, ce qui nous a permis d'être les premiers à identifier de tels systèmes de transport chez les animaux. On en connaissait l'existence depuis longtemps, mais pour une raison imprécise, leur identité moléculaire était demeurée elusive. Il faut mentionner à cet effet que tous les CCCs font partie d'un groupe plus large de protéines appelé « transporteurs d'acides aminés-polyamines-organocations » (ou APC pour l'acronyme anglais amino acid-polyamine-organocation carriers). L'importance de nos résultats réside dans le rôle que jouent les polyamines dans la prolifération et la differentiation cellulaires, et ce, dans des conditions normales autant que pathologiques. Entre autres, il semble exister un lien important entre le métabolisme intracellulaire des polyamines et la cancérogenèse de même qu'entre le gène CCC9 et une maladie appelée psoriasis vulgaris.

The mammalian polyamine transport system (PTS) has been of interest due to its roles in cancer and maintaining cellular homeostasis. Polyamines are essential growth factors which are tightly controlled via a balance of biosynthesis, metabolism, import, and export. This work focused on the development and biological testing of polyamine transport probes to help understand the molecular requirements of the PTS. This was mediated through the use of a CHO (PTS active) and CHO-MG* (PTS deficient) screen, where compounds demonstrating high toxicity in CHO and low toxicity in CHO-MG* were considered PTS selective. The first chapter focused on the development of polyamine-based drugs which are both metabolically stable to polyamine oxidase (PAO) activity and are hyperselective for targeting the PTS. This approach was optimized by combining a di-substituted aryl design with terminal N-methylation of the appended polyamine chains to generate a new class of superior PTS agonists. The metabolic stability of these compounds was demonstrated in CHO and CHO-MG* in the presence and absence of a known PAO inhibitor, aminoguanidine (AG). Highly PTS selective compounds were then tested in the NCI-60 cell line screen to demonstrate the effectiveness of polyamine-based drugs in cancer therapy. During this screen, the MALME-3M (human melanoma) cell line was identified as being very sensitive to these PTS targeting drugs. Further studies using MALME-3M and its normal counterpart, MALME-3, showed excellent targeting of the cancer line over MALME-3. For example, The MeN44Nap44NMe compound showed 59-fold higher toxicity in MALME-3M over MALME-3. The second chapter focused on the development of potential polyamine transport inhibitors (PTIs) for use in combination therapy with ?-difluoromethylornithine (DFMO). This therapy is predicated upon reducing sustained polyamine depletion within cells by inhibiting both polyamine biosynthesis with DFMO and polyamine transport with the PTI ligand. Potential PTIs were identified by blocking the uptake of spermidine in DFMO-treated CHO and L3.6pl cells. Previous work has identified a tri-substituted polyamine-based design as an effective PTI. Low toxicity and a low Ki value in a L1210 screen were good predictors for PTI efficacy. The structural requirements for a potent PTI were explored by modulating the toxicity through the introduction of amide bonds, and also by determining the number and orientation of the polyamine messages (appended to an aryl core) required for efficient inhibition of polyamine uptake. These experiments showed that a tri-substituted design and a triamine message (homospermidine) appended was optimal for PTI potency. The final chapter focused on the development of Dihydromotuporamine C derivatives as non-toxic anti-metastatic agents. Dihydromotuporamine C demonstrated good anti-invasive properties with tumor cells. Derivatives were made in an effort to reduce the cytotoxicity of the parent and improve the anti-migration potency. The motuporamine derivatives all have a polyamine message (norspermidine or homospermidine) appended to make a macrocycle core, making them prime targets to evaluate as potential PTS ligands in the CHO and CHO-MG* screen. Each compound was also tested in the highly metastatic pancreatic cancer cell line L3.6pl to determine both its IC50 value and maximum tolerated dose (MTD). The anti-migration assay was performed at the lowest MTD obtained (0.6 [micro]M) in order to compare the series at the same non-toxic dose. The results suggested that as the N1-amine center was moved further from the macrocyclic ring, an increased ability to inhibit cell migration and reduced toxicity was observed. These collective findings provide new tools for cell biologists to modulate and target polyamine transport in mammalian cells. Future applications of these technologies include new cancer therapies which are cell-selective and inhibit the spread of tumors.

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Infection with "Pneumocystis" causes a ≥ 99% depletion of plasma S-adenosylmethionine (AdoMet) levels in both "Pneumocystis" pneumonia (PcP) animal models and patients. AdoMet is a critical cellular metabolic intermediate, with a pivotal role as methyl donor in a myriad of biochemical processes and necessary for the synthesis of the essential polyamines spermidine and spermine. In the target tissue of "Pneumocystis", the lung, levels of AdoMet were previously shown to be depleted experimentally using nicotine. Here we show that chronic administration of nicotine in an animal model of PcP resulted in decreased lung AdoMet content. Since "Pneumocystis" is dependent on this metabolite, PcP burden was also relived. We hypothesized that the underlying mechanism behind nicotine-induced AdoMet depletion was an increased consumption of AdoMet through the polyamine pathway where the increased activity of N-1-spermidine/spermine acetyl transferase raises the catabolic / anabolic cycling of polyamines, a process that utilizes AdoMet. In a critical test of our hypothesis, we found that blockage of polyamine metabolism via inhibition of the polyamine biosynthetic enzyme ornithine decarboxylase (ODC) hinders the effect of nicotine on lung AdoMet levels. Further support is provided by metabolite analyses showing nicotine to cause a strong diversion of AdoMet toward polyamine synthesis and away from methylation reactions; these shifts are also reversed by inhibition of ODC. Because the nicotine effect on "Pneumocystis" is so striking, we considered the possibility of tissue specificity. Using laser capture microdissection (LCM), we collected samples of lung alveolar regions (site of infection) and respiratory epithelium for controls. We found nicotine to cause increased ODC activity in alveolar regions but not airway epithelium; we conclude that tissue specificity likely contributes to the effect of nicotine on "Pneumocystis" pneumonia. Our studies demonstrate the feasibility of pharmacological manipulation of the polyamine pathway in order to reduce AdoMet levels in the lung and prompted the assessment of compounds alternative to nicotine with the potential to achieve a comparable effect. In vitro evaluation of the polyamine analog DENSPM along with putrescine in type II alveolar cell lines, indicates that although such a combination has the potential to induce polyamine flux, an apparent competition for the same polyamine transport system impairs simultaneous uptake of both compounds at effective concentrations. In conclusion, we showed that chronic nicotine administration causes reduction of AdoMet levels in rat lung following 21 days of treatment, by a mechanism involving the induction of polyamine flux, which is responsible of increased AdoMet utilization for polyamine biosynthesis. According to LCM-based analysis, this effect seems to be confined to the alveolar regions of the lung. / Biochemistry

La vigne est sujette à de nombreuses contraintes biotiques et abiotiques face auxquelles elle devra optimiser ses stratégies de défense, en favorisant parfois des interconnections entre les réponses adaptatives au stress abiotique et la gestion de la réponse immune face à un pathogène. Dans cette étude nous avons évalué l'effet du stress hydrique (par privation d'eau) sur différentes réactions adaptatives au stress, mais aussi sur des réponses de défense et sur la sensibilité des feuilles et des baies de la vigne à Botrytis cinerea. Ces réactions ont été suivies en utilisant des boutures végétatives de deux cépages : cv. Meski (MSK), tolérant à la sécheresse et cv. Chardonnay (CHR), sensible. La relation entre les réponses au stress hydrique et la réponse immune a également été recherchée au moyen de feuilles de vitroplants et de baies isolées de Chardonnay exposées à des osmotica : le polyéthylène glycol (PEG) et une forte concentration en saccahrose (SUC). Les résultats montrent que le stress hydrique/osmotique conduit à des modifications physiologiques et biochimiques importantes dans les feuilles et les baies mûres de vigne. L'amélioration de la tolérance chez MSK est associée à une faible inhibition de l'activité photosynthétique, une altération du profil des acides aminés et un catabolisme actif des polyamines (PAs) comparé au CHR. Ces résultats suggèrent un rôle potentiel des déviations métaboliques observées dans les processus de tolérance de la vigne au stress osmotique. La tolérance du MSK au déficit hydrique est également corrélée à une forte induction des réponses de défense accumulation de resvératrol et e-viniférine, expression de certains gènes de défense dont STS, Gluc (PR-2), Chit-4c (PR-3) et PR-5 dans les feuilles, ainsi qu'à une faible sensibilité à B. cinerea.Ces résultats suggèrent un lien étroit entre la tolérance au déficit hydrique et la capacité de la vigne à exprimer davantage ses mécanismes de défense et à résister mieux à B. cinerea. Des expériences pharmacologiques ont montré qu'en situation de stress hydrique/osmotique, le catabolisme des PAs, via des diamine- et PA-oxydases, est impliqué dans la régulation de l'homéostasie des PAs et de l'expression des réactions de défense. L'application du stress osmotique avant l'infection des feuilles par B. cinerea potentialise l'accumulation des PAs en réduisant fortement leur dégradation. Ces effets sont corrélés à une réduction de l'amplitude des réponses de défense après infection, et à une sensibilité accrue à B. cinerea. Ces résultats rendent compte (1) de l'importance des stress abiotiques dans la régulation de la réponse immune chez la vigne et sa résistance à B. cinerea et (2) du fait que le niveau des réponses de défense osmo-induites et la résistance au pathogène sont tributaires, au moins en partie, de certains mécanismes adaptatifs au stress, comme c'est le cas ici des voies de dégradation des polyamines. / Grapevine is often exposed to both biotic and abiotic stresses, and it will optimize defense strategies by favoing sometimes the cross-talk between adaptive responses to abiotic stress and immune response against pathogen challenge. In this study we evaluated the effect of water stress (by withholding water) on different adaptive responses, and also on defense responses and sensitivity of grapevine leaves or berries to Botrytis cinerea. These reactions were monitored using vegetative cuttings of two varieties: Meski (MSK) a drought tolerant cultivar and Chardonnay (CHR) as a sensitive one. The relationship between the responses to water stress and the immune response was also assessed using detached leaves from vitroplantlets and detached ripe berries from Chardonnay exposed to osmotic agents: polyethlene glycole (PEG) and a high concentration of sucrose (SUC). The results show that water/osmotic stress leads to significant physiological and biochemical changes in grapevine leaves and ripe berries. The improved tolerance of MSK to drought is associated with a weak inhibition of photosynthetic activity, altered amino acid profile and an activation of polyamine (PA) catabolism, compared to the sensitive plant CHR. These results suggest a potential role of metabolic deviations observed in the process of osmotic stress olerance. MSK tolerance to water deficit is also correlated with a strong induction of defense responses, such as accumulation of resveratrol and e-viniferin, enhanced expression of defense-related genes, including STS , Gluc (PR-2), Chit-4c (PR-3) and PR-5, and a low susceptibility of leaves to B. cinerea. These results suggest a close connection between water stress tolerance and the ability of grapevine to express more their defense mechanisms and then to resist better to the pathogen B. cinerea. Pharmacological experiments showed that experiencing water/osmotic stress, PA oxidation through diamine- and PA-oxidases is involved in the regulation of PA homeostasis and the expression of defense reactions in both leaves and berries. The application of osmotic stress before leaf infection by B. cinerea potentiates PA accumulation probably by reducing PA degradation. These effects are correlated with a reduction of defense responses after B. cinerea infection, as well as to an increased susceptibility to B. cinerea.These results highlight (1) the importance of abiotic stress in regulating the immune response in grapevine plants and resistance to B. cinerea and (2) that the level of defense responses induced by osmotic and the resistance of grapevine to the pathogen are dependent, at least in part, on some adaptive mechanisms to stress, as it is the case here for polyamine degradation pathways.

La diapause embryonnaire se manifeste par un arrêt réversible du développement embryonnaire durant la période de préimplantation et induit un retard de l’implantation. Chez le vison américain, une diapause embryonnaire obligatoire caractérise chaque gestation. Si les mécanismes de contrôle de la diapause embryonnaire obligatoire chez cette espèce sont bien connus, le rôle utérin impliqué dans la réactivation de l’embryon demeure, quant à lui, encore inconnu. Le sujet de ce doctorat a consisté dans un premier temps à explorer l’environnement utérin à la sortie de la diapause embryonnaire afin de caractériser, dans un deuxième temps, les principaux acteurs utérins qui provoquent la réactivation de l’embryon. Nous avons effectué une analyse du transcriptome utérin à l’émergence de la diapause embryonnaire ce qui a permis de construire une librairie de 123 séquences d’ADNc utérines différentiellement exprimées à la réactivation de l’embryon et homologues à des séquences de gènes connues chez d’autres espèces. Ces gènes sont impliqués dans la régulation du métabolisme (25 %), de l’expression génique (21 %), de la transduction de signal (15 %), du cycle cellulaire (15 %), du transport (10 %) et de la structure cellulaire (9 %), reflétant ainsi d’importantes modifications utérines à la réactivation embryonnaire. Nous avons validé l’expression différentielle de dix gènes ainsi identifiés : GDF3 (growth and differentiation 3), ALCAM (activated leukocyte cell adhesion molecule), ADIPOR1 (adiponectin receptor 1), HMGN1 (high mobility group N1), TXNL1 (thioredoxin like 1), TGM2 (tissue transglutaminase 2), SPARC (secreted protein acidic rich in cystein), et trois gènes codant pour AZIN1 (antizyme inhibitor 1), ODC1 (ornithine decarboxylase 1) et SAT1 (spermidine/spermine N1-acetyltransferase), des enzymes impliquées dans la biosynthèse des polyamines. Le patron de l’expression spatio-temporel de SPARC et d’HMGN1 illustrent spécifiquement un remodelage tissulaire et de la chromatine au niveau utérin à la sortie de la diapause embryonnaire. Ayant mesuré une augmentation des concentrations utérines en polyamines à la reprise du développement embryonnaire, nous avons émis l’hypothèse que les polyamines seraient impliquées dans les événements menant à la sortie de la diapause. L’inhibition de la biosynthèse des polyamines par un traitement à l’ α-difluoromethylornithine (DFMO) a provoqué une diminution significative de la proliferation cellulaire dans les embryons à la réactivation, un retard du moment de l’implantation, mais n’a pas affecté le succès de la reproduction. De manière similaire, nous avons induit un état de dormance dans les cellules de trophoblaste de vison en présence DFMO dans le milieu de culture, et constaté que cet état était réversible. En conclusion, cette étude a non seulement ouvert de nouveaux horizons quant à la compréhension du rôle utérin dans les événements menant à la sortie de la diapause embryonnaire, mais a démontré pour la première fois, l’existence de facteurs utérins indispensables à la réactivation de l’embryon: les polyamines. / Embryonic diapause is characterized by a reversible arrest of blastocyst development prior to implantation and delay in implantation. In the American mink, embryonic diapause is a characteristic of each gestation. Although the mechanisms which control obligate embryonic diapause of this species are well known, the role of the uterus involved in blastocyst reactivation remains elusive. The subject of this doctoral research consisted first in exploring the uterine environment at the emergence of embryonic diapause in order to subsequently determine, the main factors in the uterus that provoke reactivation of the embryo. We have undertaken an analysis of the uterine transcriptome at the emergence of embryonic diapause which has enabled us to set up a library of 123 cDNA uterine sequences differentially expressed at blastocyst reactivation, and homologue gene sequences known in other species. Twenty-five percent of these genes are implicated in genetic expression, 15 % in cell signal transduction, 15 % in cell cycle, 10 % in transport and 9 % in cell structure. All of them reflect significant uterine modifications at blastocyst reactivation. We have validated differential expression of ten genes, identified as: GDF3 (growth and differentiation 3), ALCAM (activated leukocyte cell adhesion molecule), ADIPOR1 (adiponectin receptor 1), HMGN1 (high mobility group N1), TXNL1 (thioredoxine like 1), TGM2 (tissue transglutaminase 2), SPARC (secreted protein acidic rich in cystein), and three genes encoding for AZIN1 (antizyme inhibitor 1), ODC1 (ornithine decarboxylase 1) and SAT1 (spermidine/spermine N1-acetyltransferase), which are enzymes implicated in polyamine biosynthesis. The spatio-temporal expression patterns of SPARC and HMGN1 illustrate tissue and chromatin remodelling in the uterus at the termination of embryonic diapause. Having measured an increase in concentration of polyamines in the uterus at the resumption of blastocyst development, we have hypothetized that polyamines are implicated in the emergence of blastocysts from diapause. We inhibited polyamine biosynthesis in pregnant mink females during early blastocyst reactivation. The inhibition of polyamine biosynthesis through treatment with α-difluoromehtylornithine (DFMO) provoked a major reduction in cell proliferation in blastocysts at reactivation and a delay in the timing of implantation, but did not affect the success of reproduction. Similarly, we induced a reversible dormant state in cultured mink trophoblast cells traited with DFMO. To conclude, not only are results of this study a breakthrough in the understanding of the role of the uterus in stimulating at the emergence of blastocysts from embryonic diapause, but also, for the very first time, they indicate the existence of uterine factors, the polyamines, that are responsible for blastocysts reactivation.

Un pontage ADN-protéine se forme lorsqu'une protéine se lie de façon covalente à l'ADN, ce qui a pour conséquence de bloquer certains processus biologiques tels que la réplication, la transcription, la réparation ou la recombinaison. Ces travaux de thèse consistent en l'étude des pontages se produisant lors d'une oxydation à un électron de l'ADN. La guanine possède le potentiel d'ionisation le plus bas parmi les composants de l'ADN; elle est donc facilement oxydée pour former un radical cation, lui-même impliqué dans la formation de nombreuses lésions oxydatives. Des travaux antérieurs ont permis de mettre en évidence la formation d'un adduit entre la guanine et la lysine, résultant de l'oxydation à un électron d'un oligonucléotide TGT en présence d'un peptide trilysine. Le mécanisme de cette réaction est une addition nucléophile de l'acide aminé central par le groupement amine ε, en position C8 du radical cation de la guanine. L'objectif de cette thèse a été de caractériser l'adduit guanine-lysine, de le quantifier dans l'ADN isolé puis dans l'ADN cellulaire, et d'étudier son implication dans la formation des pontages ADN-protéines. Différentes espèces nucléophiles sont capables de s'additionner sur le radical cation de la guanine. Nous nous sommes intéressés au cas des polyamines endogènes, qui sont des cations organiques présents en particulier dans le noyau des cellules. Ces molécules interviennent dans la stabilisation et la condensation de l'ADN, mais elles participent également à de nombreux processus cellulaires. Le lien entre polyamines et cancer a été largement décrit. Cependant le mécanisme par lequel la perturbation de leur métabolisme est impliquée dans le processus cancérogenèse reste à ce jour peu connu.Dans un premier temps, ces lésions ont été synthétisées chimiquement, sous la forme de nucléosides modifiés, afin de les caractériser. Par la suite des méthodes de quantification de ces dommages par chromatographie liquide haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem ont été développées. Ces méthodes analytiques nous ont permis de démontrer que les adduits guanine-lysine et guanine-polyamines pouvaient se former dans l'ADN isolé suite à une oxydation à un électron. Des pontages entre guanine et lysine ont été mis en évidence dans l'ADN extrait de cellules THP1 irradiées par impulsions laser à 266 nm. Nous avons ensuite développé différents modèles de pontages entre un peptide et un oligonucléotide, afin d'étudier la structure chimique du pontage, et de déterminer si celui-ci pouvait se produire entre la guanine et la lysine. Des adduits guanine-polyamines ont également été détectés dans de l'ADN extrait de spermatozoïdes. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension du rôle physiologique des polyamines ainsi que de leur implication dans la fertilité masculine. / A DNA-protein crosslink (DPC) occurs when a protein becomes covalently bound to DNA. This kind of lesions seems to affect several metabolic processes, including DNA replication, transcription, repair and recombination. This PhD work deals with crosslinks which are formed through a one-electron oxidation of DNA. Guanine exhibits the lowest ionization potential among DNA components, therefore it is readily oxidized leading to the formation of a radical cation, which is involved in the formation of numerous oxidative DNA lesions. In a previous study, a crosslink between guanine moiety and a lysine residue, generated subsequently to a one electron oxidation of a TGT oligonucleotide in the presence of a trilysine peptide, has been described. The mechanism of formation of this adduct relies on the nucleophylic addition of the ε amino group of lysine onto the C8 position of the guanine radical cation. The aim of the present work was to characterize the guanine-lysine adduct and to quantify this lesion in isolated DNA and then in cellular DNA, and to investigate their implication in DNA-protein crosslinks. Several nucleophylic species are able to react with the guanine radical cation. We focused on polyamines, which are organic cations localized in the nucleus of cells at millimolar concentration ranges. These molecules are involved in stabilization and condensation of DNA, and participate also in numerous cellular processes. The relation between polyamine and cancer has been widely described. The mechanism by which dysregulation in their metabolism is related to carcinogenesis is still unknown.In the first part of this project, we focused on the synthesis and the characterization of these lesions as modified nucleosides. Subsequently, we have developed and optimized methods of quantification of these damages, using HPLC coupled with tandem mass spectrometry. Thanks to these analytical methods, we have demonstrated that guanine-lysine and guanine-polyamines adducts could be formed in isolated DNA following a one electron oxidation. Crosslinks between guanine and lysine have been highlighted in DNA extracted from THP1 cells exposed to laser pulses at 266 nm. We have then developed several crosslinks models between a peptide and an oligonucleotide, in order to investigate the chemical structure of the crosslink and determine whether it could occur between guanine and lysine. Guanine-polyamines adducts have also been detected in DNA extracted from sperm cells. These results open new prospects in the understanding of the physiological role of polyamines as well as their involvement in male fertility.