Le recrutement des neutrophiles qui caractérise l’inflammation observée lors de différentes pathologies pulmonaires conduit à la libération dans le milieu extracellulaire de protéases à sérine qui sont en partie responsables de la dégradation du tissu pulmonaire et/ou de la chronicité de l’inflammation. L’objectif initial de cette thèse était de développer une méthode de quantification de ces protéases, à partir des condensats d’air exhalé. En dépit de la sensibilité de la technique nous n’avons pas été en mesure de détecter des quantités significatives de protéases actives dans ces condensats. Ces résultats négatifs ont néanmoins permis de confirmer des hypothèses sur la distribution des protéases dans le milieu extracellulaire. La deuxième partie des travaux a été consacrée à la validation du modèle souris exposée à la fumée de cigarette comme modèle animal de bronchopneumopathie chronique obstructive. Nous avons purifié les trois protéases à sérine du neutrophile murin et avons construit des nouveaux substrats sensibles et spécifiques à partir des informations fournies par des études de modélisation moléculaire. Ces nouveaux outils permettent de valider l’utilisation du modèle souris pour comprendre le rôle des protéases à sérine dans la génération de peptides chimiotactiques au cours de la BPCO. / Neutrophils recruitment is a hallmark of the inflammation associated with different lung diseases. This recruitment leads to the release in the extracellular matrix of serine proteases that are responsible at least in part, of the degradation of the pulmonary tissue and/or of the chronicity of inflammation. The initial objective of this thesis was to develop a method of quantification of these proteases, based on the analysis of exhaled air condensate. But in spite of the sensitivity of the methods, we have not been able to detect any significant activity of neutrophil serine proteases in these condensates. This negative result however gave support a hypothesis we formulated on the extracellular biodistribution of proteases in lung secretions. The second part of this thesis was devoted to the validation of an animal model of chronic obstructive pulmonary disease, i.e. the mouse exposed to cigarette smoke. We have purified three murine serine neutrophil proteases and developed new sensitive and specific FRET substrates which were designed starting from molecular modeling studies. These new tools that validate the use of the mouse model of human COPD, will be of great help to understand the role of serine proteases for generating chemotactic peptides during this chronic disease.

Ce travail porte sur le développement de sondes peptidiques pour le suivi de la protéolyse par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) et pour l'imagerie in vivo par résonance magnétique rehaussée de l’effet Overhauser (OMRI). Plus précisément, ce travail étudie pour la première fois une famille d’agents d’imagerie appelée « nitroxyde à déplacement de raies spectrales » spécifique d’activités enzymatiques. L'activité protéolytique, entraînant un décalage de 5 G dans les constantes de couplages hyperfins, permet une quantification individuelle des espèces substrat et produit par RPE et une excitation sélective par OMRI. Trois substrats ont été élaborés, montrant une spécificité enzymatique pour l’élastase du neutrophile (NE) (MeO-Suc-Ala-Ala-Pro-Val-Nitroxyde & Suc-Ala-Ala-Pro-Val-Nitroxyde), et pour la chymotrypsine et la cathepsine G (Suc-Ala-Ala-Pro-Phe-Nitroxyde). Les constantes enzymatiques ont montré de bonnes valeurs avec globalement, Km = 28 ± 25 µM et kcat = 19 ± 3 s-1. Ex vivo, l’utilisation des substrats NE en OMRI a révélé un contraste élevé dans les lavages broncho-alvéolaires de souris sous stimulus inflammatoire. Les rehaussements de signaux IRM sont en corrélation avec la sévérité de l’inflammation. L'irradiation à la fréquence RPE de 5425,6 MHz a permis d'accéder à la bio-distribution des substrats in vivo et pourrait ainsi servir d’outil diagnostic. Les perspectives à moyen terme de ce travail reposent sur le développement de l’OMRI à très faibles champs magnétiques en vue d’une application chez l’homme. / This work focuses on substrate-based probes for proteolysis monitoring by Electron Paramagnetic Resonance spectroscopy (EPR) and for in vivo imaging by Overhauser-enhanced Magnetic Resonance (OMRI). More precisely, this work investigates for the first time a family of MRI agents named “line-shifting nitroxide” specific for proteolytic activities. Proteolytic action results in a shift of 5 G in EPR hyperfine coupling constants allowing individual quantification of substrate and product species by EPR and selective excitation by OMRI. Three substrates were worked out, showing enzymatic specificity for neutrophil elastase (MeO-Suc-Ala-Ala-Pro-Val-Nitroxide & Suc-Ala-Ala-Pro-Val-Nitroxide), and for Chymotrypsin/Cathepsin G (Suc-Ala-Ala-Pro-Phe-Nitroxide). Enzymatic constants were remarkably good with globally Km = 28 ± 25 µM and kcat = 19 ± 3 s-1. Ex vivo, the use of NE substrates in OMRI revealed a high contrast in bronchoalveolar lavages of mice under inflammatory stimulus. MRI signal enhancements correlate with the severity of inflammation. Irradiation at the RPE frequency of 5425.6 MHz provided access to the bio-distribution of substrates in vivo and could thus serve as a diagnostic tool. The medium-term perspectives of this work are based on the development of OMRI with very low magnetic fields for human application

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

Chez la drosophile, l’activation du récepteur Toll menant à une réponse antimicrobienne peut se faire par deux voies différentes. Ces deux voies sont activées soit par des récepteurs dédiés, les Pattern Recognition Receptors (PRRs) reconnaissant des motifs moléculaires microbiens, soit par la coupure d’une molécule circulante appelée Perséphone par des protéases microbiennes extrêmement diverses sécrétées pendant une infection. Cependant, le mécanisme par lequel Perséphone est activée demeurait ambigu. Nous avons identifié une région unique dans Perséphone fonctionnant comme un appât pour les protéases exogènes indépendamment de leur origine, type ou spécificité. Une coupure dans cette région constitue la première étape d’une activation séquentielle de Perséphone ; elle permet de recruter la cathepsine circulante 26-29-p, qui va générer la forme active de Perséphone.Ces travaux montrent comment un récepteur de l’immunité innée, Perséphone, peut être activé par un signal de danger, en l’occurrence des enzymes microbiennes, et non par la détection de motifs moléculaires qui peuvent être présents dans la flore microbienne hébergée par les animaux. / In Drosophila, the antimicrobial response against infections can be triggered by two different extracellular mechanisms that both lead to the activation of the Toll receptor. These two mechanisms are activated either by the recognition of specific microbial determinants by Pattern Recognition Receptors (PRRs), or by the cleavage of the circulating serine protease Persephone by a wide range of microbial proteases secreted during infections. However, the molecular mechanism underlying Persephone activation remained ambiguous. We identified a unique region in Persephone pro-domain that functions as a bait for exogenous proteases independently of their origin, type or specificity. Cleavage of Persephone in this bait region constitutes the first step of a sequential activation and licenses the subsequent maturation of Persephone to the endogenous circulating cysteine cathepsin 26-29-p. Our data establish Persephone itself as an immune receptor able to sense a broad spectrum of microbes through the recognition of danger signals rather than molecular patterns.

Les inhibiteurs des protéases à sérine (Serpins) constituent une classe d'enzymes très peu étudiée chez les bactéries. Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à l'étude des serpins provenant du microbiote intestinal et l'investigation de leur potentiel anti-inflammatoire pour le traitement des maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) chez l'homme. Pour cela nous avons identifié les serpins provenant du microbiote intestinal humain et analysé leur diversité ainsi que leur distribution entre les individus malades et sains. Ces données nous ont permis d'isoler les serpins significativement associées aux MICI. La purification de quarte d'entre elles nous a amené à démontrer qu'elles inhibent les protéases humaines impliquées dans les MICI. L'analyse biochimique et cinétique approfondie de ces protéines a montré qu'elles possèdent des propriétés originales notamment leur efficacité d'inhibition élevée. L'étude de l'effet protecteur de trois serpins chez un modèle animal de colite a démontré pour la première fois l'efficacité des serpins in vivo démontrant ainsi leur potentiel thérapeutique. / Serine protease inhibitors (Serpins) are a class of proteins that reamin poorly studied in bacteria. In this thesis we are interested in the study of serpins originating from the intestinal microbiota and the investigation of their anti-inflammatory potential for the treatment of inflammatory bowel diseases (IBD) in humans. For this we have identified serpins from the human gut microbiota and analyzed their diversity as well as their distribution between healthy and IBD patients. These data allowed isolating serpins significantly associated with IBD. The purification of four of them led us to demonstrate that they inhibit human proteases involved in IBD. Biochemical and kinetic analysis of these proteins showed that they exhibit original properties, in particular their high inhibition efficiency. The study of the protective effect of three serpins in an animal model of colitis demonstrated for the first time the efficacy of serpins in vivo demonstrating thus their therapeutic potential.