Les mécanismes régissant la formation de complexes constitués de chaînes polymères chargées (polyélectrolytes) et de protéines, rencontrés dans l'agro-alimentaire, la pharmacologie ou la biologie, mènent à des structures mal connues jusqu'ici. Nous les avons étudiées par Diffusion de Neutrons aux Petits Angles (DNPA), associée au marquage par deutériation du polymère et à la variation de contraste dans des mélanges eau lourde - eau légère. La protéine est le lysozyme (chargé positivement à pH < 11) et le polyélectrolyte le polystyrène sulfonate (PSS, toujours chargé négativement) ; le rapport des charges apportées<br />([-]/[+]) est un paramètre essentiel. Lorsqu'il est proche de 1, on obtient soit un gel de PSS réticulé par les protéines, qui contractent partiellement les chaînes de PSS, tout en les laissant en régime interpénétré (semi dilué), soit des globules denses (rayon ~10 nm) avec agrégation fractale à plus grande échelle lorsque, après contraction, les chaînes sont trop courtes et passent en régime désinterpénétré (dilué). Cette structure très bien définie a permis une étude fouillée: nous avons montré que le coeur des globules possède une charge nulle, que les espèces introduites en excès du point de vue électrostatique restent en solution, éventuellement dans des couronnes pour le PSS, et que leur taille finie est fixée par la force ionique. Une mesure spécifique de la localisation des contre-ions a prouvé qu'ils sont expulsés du coeur des complexes lors de leur formation. La conformation des chaînes au sein des complexes a été mesurée par marquage adapté. Enfin lorsque [-]/[+]>>1, un réseau transitoire fluide et limpide de protéines dénaturées par le PSS est obtenu.

Le système Tat (pour Twin Arginine Translocation) exporte des protéines repliées depuis le cytoplasme vers le périplasme des bactéries. L'adressage des protéines à exporter au système Tat repose sur une séquence signal spécifique amino terminale clivée après exportation. Chez le phytopathogène Dickeya dadantii, l'homologue de pectine lyase PnlH possède une séquence signal Tat qui assure son adressage au système Tat mais qui n'est pas clivée après exportation et ancre la protéine dans la membrane externe. Chez les protéobactéries, la majorité des protéines de membrane externe sont soit des lipoprotéines soit des protéines intégrales de membrane en tonneau β. L'adressage de ces protéines à la membrane externe repose sur des voies spécifiques du type de protéine : la voie Lol pour les lipoprotéines et la combinaison des chaperons périplasmiques SurA, Skp et DegP et du complexe de membrane externe Bam (β barrel assembly machinery) pour les protéines en tonneau β. Au cours de ce travail, l'étude de l'adressage de PnlH à la membrane externe a montré que SurA se liait à la séquence signal hydrophobe de PnlH pour la protéger de l'environnement hydrophile au cours de son transit dans le périplasme. La séquence signal de PnlH (41 acides aminés) porte l'intégralité de l'information nécessaire à son adressage à la membrane externe. La nature de l'information adressant les protéines au système Tat est bien connue et dans ce travail nous nous sommes efforcés d'identifier les informations requises pour les deux dernières étapes de l'adressage de PnlH à la membrane externe : la traversée du périplasme et l'insertion dans la membrane externe. La délétion d'une région conservée comprise entre les résidus 28 et 41 de la séquence signal de PnlH affecte l'adressage de cette dernière à la membrane externe. Des substitutions des acides aminés conservés de cette région ne semblent pas affecter l'adressage de PnlH, indiquant que l'information nécessaire à l'adressage de PnlH à la membrane externe après exportation ne réside pas dans la séquence en acides aminés de la séquence signal de PnlH. En revanche, nos données suggèrent que la présence d'une hélice α hydrophobe dans la séquence signal de PnlH est importante pour son adressage à la membrane externe. Cette observation est particulièrement intéressante puisqu'une telle structure est généralement considérée comme une caractéristique des protéines de membrane interne.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n'étant spécifique d'aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d'être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d'applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d'étudier et d'affiner les propriétés d'encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d'intérêt biologique. D'une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l'IRM xénon hyperpolarisé. D'autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d'imagerie médicale.

Les nanomatériaux posent de nouvelles questions en termes de toxicologie humaine et environnementale et représentent une nouvelle interface avec le milieu biologique aux propriétés spécifiques. De nombreuses inconnues demeurent, en particulier à l'échelle moléculaire, pour permettre d'expliquer certains mécanismes de toxicité. Lorsqu'elles entrent en contact avec le milieu biologique, les nanoparticules se couvrent d'une couche de protéines adsorbées. Celle-ci leur confère une nouvelle " identité biologique " qui contrôle la réponse cellulaire et leur devenir au sein de l'organisme. Nous avons étudié l'adsorption de protéines modèles sur la silice nanostructurée. Après avoir caractérisé la silice nanoporeuse et les nanoparticules de silice utilisées, l'adsorption de la myoglobine, de l'hémoglobine et des protéines d'un extrait cellulaire de levure a été étudiée afin de déterminer les paramètres physico-chimiques et thermodynamiques de l'adsorption des protéines sur la silice. Un enrichissement en résidus basiques, regroupés en clusters de charge, favorise l'adsorption des protéines grâce à la formation d'interactions électrostatiques avec la surface chargée de la silice, indépendamment de la charge globale de la protéine. A l'inverse, un enrichissement en résidus aromatiques est défavorable à l'adsorption car ces résidus forment des interactions π-π qui rigidifient la structure de la protéine. L'identification des protéines adsorbées et non adsorbées à partir d'un milieu complexe pourrait également être utilisée pour les études de toxicité cellulaire. A partir de l'étude de la structure, de la dynamique et de l'activité de la myoglobine et de l'hémoglobine adsorbées sur les nanoparticules de silice, nous avons cherché à définir l'état d'une protéine adsorbée. L'étude de la structure, réalisée par dichroïsme circulaire, spectroscopie UV-visible, d'absorption X, infrarouge, fluorescence et microcalorimétrie, montre une perte partielle de structure importante des protéines adsorbées associée à une grande hétérogénéité de conformations, sans modification majeure de la structure de l'hème. Deux sites potentiels d'interaction entre myoglobine et nanoparticules de silice ont été identifiés à l'aide d'une technique de cartographie de surface par irradiation. L'étude de la dynamique de la myoglobine adsorbée par diffusion élastique et inélastique de neutrons a permis de montrer que l'adsorption s'accompagnait d'une diminution importante de la flexibilité de la protéine. Malgré la perte de structure, la metmyoglobine adsorbée conserve une activité de fixation de ligands très proche de celle de la protéine libre. L'hémoglobine adsorbée présente de façon inattendue une augmentation de son affinité pour l'oxygène et une diminution de sa coopérativité, sans dissociation du tétramère. Cet effet est reproductible lors de l'adsorption de l'hémoglobine humaine, de l'hémoglobine pontée DCL et de l'hémoglobine mutée S. Deux effecteurs permettent par ailleurs de moduler l'affinité de l'hémoglobine adsorbée. Aussi importantes soient-elles, les modifications de structure et d'activité observées sont entièrement réversibles après désorption dans des conditions douces. L'adsorption des hémoprotéines sur les nanoparticules de silice représente véritablement un nouveau type de stress avec résilience pour les protéines en termes de relations entre structure, dynamique et activité.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les syndromes de douleur persistante sont très débilitants pour ceux qui en souffrnt et malheureusement, la pharmacothérapie pour traiter ce type de douleur n'offr pas le soulagement souhaité. Les drogues agissant par liaison à la protéine alpha[indice inférieur 2]-delta semblent conduire à un meilleur soulagement de la douleur chronique, mais leur action pour y arriver n'est pas clairement établie. En effet, un nombre restreint d'études ont étudié leur action au niveau du système nerveux central. Certaines études concluent que la prégabaline et la gabapentine agiraient seulement lorsque les neurones sont dans un état sensibilisé, tandis que certaines autres prétendent que ces médicaments agiraient aussi sur les neurones à leur état basal. Aussi, plusieurs études animales rapportent que la prégabaline agirait au niveau de la moelle épinière, mais aucune étude humaine ne le confirme clairement. Une étude réalisée chez des sujets sains a quant à elle conclu que la prégabaline agirait au niveau des centres supérieurs, ce qui pourrait laisser croire que la prégabaline produirait des effets sur la douleur autant par une action spinale que supraspinale. Malgré plusieurs hypothèses, plusieurs questions demeurent en suspens pour en arriver à comprendre clairement les mécanismes neurophysiologiques de l'analgésie par la prégabaline. Le but de cette étude est donc d'étudier les propriétés anti-hyperalgésiques et anti-nociceptives de la prégabaline, tout en investiguant les endroits du système nerveux central ou la prégabaline produit ses effets sur la douleur. Grâce à l'étude du réflexe de retrait nociceptif chez des patients prenant de la prégabaline, nous avons pu évaluer son effet au niveau de la moelle épinière et de l'encéphale par électrophysiologie, en comparant les réponses des patients obtenues avant la prise du médicament avec celles obtenues suivant quelques semaines de traitement. De plus, grâce aux changements possibles de fréquences de stimulations électriques, les neurones ont été étudiés dans un état basal et sensibilisé, permettant d'étudier les effets antinociceptifs et anti-hyperalgésiques de la prégabaline. Pour en arriver à formuler certaines hypothèses pouvant servir aux études subséquentes sur le sujet, cinq patients ont servi aux analyses finales. D'abord, la prégabaline agirait effectivement sur la moelle épinière, puis elle aurait des propriétés anti-hyperalgésiques, mais une étude réalisée avec des sujets sains pourrait permettre d'étudier plus clairement ses propriétés anti-nociceptives. Ces résultats offrnt donc des pistes très intéressantes de recherche pouvant mener à une amélioration du traitement des douleurs chroniques.

La maladie d'Alzheimer est la forme de démence la plus répandue au monde. Dans cette maladie, la toxicité est, entre autres, causée par l’interaction entre les oligomères du peptide Aß et la protéine prion cellulaire (PrP[indice supérieur C]). Étant ancrée à la membrane plasmique, PrP[indice supérieur C] doit passer dans la voie de sécrétion cellulaire où elle peut subir un clivage endoprotéolytique nommé clivage ?. Ce clivage libère dans le milieu extracellulaire un fragment N-terminal de PrP[indice supérieur C] nommé PrPN1. Un domaine hydrophobe de PrP[indice supérieur C] est indispensable au clivage ? ainsi qu’à sa dimérisation, mais l’effet de la dimérisation de PrP[indice supérieur C] sur le clivage ? n'a toujours pas été vérifié. À la membrane plasmique, PrP[indice supérieur C] peut également être relâché (shed PrP[indice supérieur C]). Une des fonctions attribuées aux formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] (PrPN1 et shed PrP[indice supérieur C]) est d’inhiber la toxicité causée par les oligomères de Aß dans la maladie d'Alzheimer. En effet, plusieurs évidences in vitro montrent le potentiel neuroprotecteur de rPrPN1 et de rshed PrP[indice supérieur C] contre des oligomères de Aß synthétiques. Par contre, aucunes évidences physiologiques ne confirment le potentiel neuroprotecteur des formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] contre Aß. De plus, il n'existe toujours aucunes évidences in vivo de l’interaction entre les formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] et Aß. Ma première étude a permis de démontrer que la dimérisation de PrP[indice supérieur C] dans la voie de sécrétion cellulaire augmente son transport vers la membrane plasmique. Le transport accru de PrP[indice supérieur C] à travers la voie de sécrétion cellulaire se traduit par une augmentation de la sécrétion de PrPN1 et shed PrP[indice supérieur C]. L'augmentation des formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] sous des conditions de dimérisation permet de réduire significativement la toxicité causée par Aß in cellulo. Ces résultats sont particulièrement intéressants puisqu’ils ouvrent la voie à une thérapie axée sur l’utilisation de protéines endogènes en l’occurrence PrPN1 et shed PrP[indice supérieur C] contre la maladie d'Alzheimer. Ma deuxième étude a permis de démontrer qu’une interaction physiologique entre Aß et les formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] est possible in vivo. Ces interactions induisent un changement conformationnel important et rapide menant à la formation d'agrégats amorphes. In vivo, j'ai constaté que PrPN1 et A[beta] co-agrège dans une fraction soluble au chlorure de guanidinium. J'ai aussi observé que le clivage ? de PrP[indice supérieur C] est favorisé chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Ces résultats suggèrent que les formes sécrétées de PrP[indice supérieur C], et plus particulièrement PrPN1 issu du clivage ? de PrP[indice supérieur C], sont parties intégrantes d’un mécanisme de défense endogène et inductible contre les oligomères de Aß détournant ces espèces toxiques vers une voie alternative non-toxique.[symboles non conformes]

Le fer ajouté dans des systèmes complexes tels que les aliments induit divers problèmes comme l'oxydation des lipides ou la précipitation d'autres composés présents dans la matrice. Il s'en suit une diminution de sa biodisponibilité et des défauts de goût. L'utilisation de chélates de fer, comme le bisglycinate de fer ou l'EDTA de fer, constitue une voie intéressante : le fer ainsi protégé n'interagirait pas avec la matrice alimentaire. La stabilité des chélates de fer (bisglycinate de fer et NaFe EDTA), supposés peu réactif pour l'initiation de peroxydation, a été attestée sur des modèles d'émulsions huile dans eau stabilisées par du caséinate de sodium ou de la β lactoglobuline. Dans un second temps, le travail a consisté à vérifier la faible influence de ces complexes sur la nature de l'interface huile/eau (étude de la tension et de la rhéologie interfaciales). La stabilité du bisglycinate de fer en solution aqueuse et en présence de β lactoglobuline a également été évaluée en fonction du pH (pH 2, 3,5 et 6,5) par rayons X. Il a ainsi été montré que la nature des protéines formant l'interface huile/eau et le type de sels de fer jouent un rôle crucial sur la stabilité oxydative des émulsions enrichies en fer. L'affinité des protéines de lait pour les ions fer libres est le premier facteur qui contrôle la peroxydation des matières grasses par l'absence de transfert à l'interface huile/eau. La capacité du complexe bisglycinate à retenir les ions fer et donc à limiter la présence d'ions fer libres (ferriques ou ferreux) apparaît comme le second facteur principal à contrôler. La compétition pour les ions fer entre les groupes fonctionnels des protéines et les contre ions de chélates (glycinate ou EDTA) gouverne ainsi l'état d'oxydation du système dans des conditions acide/base proche de la neutralité. En milieu acide, l'oxydation est principalement gouvernée par l'instabilité du complexe bisglycinate de fer et par conséquent la lente libération fer ionique dans la phase aqueuse. Pour résumer, si le complexe de fer n'est pas déstabilisé et que la protéine à l'interface huile/eau ne présente pas de groupe fonctionnel ayant une forte affinité pour le fer, alors la peroxydation des lipides en émulsion est faible. Dans notre démonstration, si une protéine n'est pas phosphorylée et pour des pH proches de 7, alors l'émulsion ne sera pas peroxydée car le fer ne migre pas à l'interface huile/eau.

L'étude des interactions non-covalentes et des relations structure-fonction est à la base de la compréhension des systèmes biologiques. La MS supramoléculaire est une technique de choix pour l'étude des interactions protéine/protéine ou protéine/ligand. Dans le cadre d'études qualitatives ou quantitatives, pour chaque système étudié, les conditions expérimentales et les paramètres instrumentaux ont été optimisés pour conserver le complexe en phase gazeuse (1). L'objectif principal de ce travail est de caractériser le site nucléotidique de hPEBP1 et de contribuer à la découverte de molécules anti-métastases. Sur le plan fonctionnel, une activité enzymatique de hPEBP1 n'a pas pu être mise en évidence. Pour ce projet, une méthode MS de détermination de KD de complexes à faible affinité, plus précise et ne nécessitant par l'utilisation d'un ligand de référence a été développée (2). Une recherche des déterminants structuraux d'un ligand optimal de hPEBP1 a été réalisée par criblage de composés issus d'une synthèse raisonnée basée sur la structure des nucléotides FMN et GTP et par la détermination de leur KD (3). Les criblages ont montré que les critères structuraux indispensables pour la liaison sont la présence d'un groupement chargé ou donneur d'électrons, d'une structure apparentée à une base azotée et d'un cycle additionnel. Une part importante de l'affinité est liée au caractère hydrophobe du ligand. Certains ligands de synthèse ont montré une activité inhibitrice de l'invasion des lignées tumorales.

Chez les vertébrés, la neurulation représente les premiers stades de développement du système nerveux durant l'embryogenèse. Elle consiste en la formation, à partir du neuroectoderme, des premières ébauches du système nerveux. Ce processus est finement régulé par un réseau complexe de gènes et le dérèglement de l'un d'entre eux peut entraîner le développement d'une maladie congénitale. Le traitement et la prévention de ces maladies passent par le savoir et la compréhension des différents processus impliqués dans le développement du système nerveux. La souris est un bon modèle d'étude in vivo de la neurogenèse et la technologie Cre-LoxP permet de contrôler l'activation spatiotemporelle d'un transgène. Cependant, aucun modèle de souris ne cible spécifiquement la plaque postérieure durant la neurulation de l'embryon. L'enhancer intronique Cdx2NSE a été caractérisé comme capable de récapituler l'expression du gène Cdx2 dans la plaque neurale postérieure. Notre nouvelle lignée de souris transgénique Cdx2NSE-Cre est capable d'exprimer la recombinase Cre dès le jour embryonnaire 7.5 (E.7.5) dans la plaque neurale postérieure. Elle permet ainsi de cibler le tube neural avec comme limite antérieure la partie caudale du rhomboncéphale. Dans ces mêmes limites, toutes les structures dérivées des cellules de la crête neurale vont également être ciblées par notre nouveau modèle murin, ce qui en fait un très bon outil pour l'étude de la neurogenèse. Le mécanisme de régulation des protéines Cdx spécifiquement dans le neuroectoderme est à ce jour toujours méconnu. L'étude in vitro de ce même enhancer Cdx2NSE nous a permis de montrer que les trois principales voies de signalisation impliquées dans le développement neural et dans l'induction des cellules de la crête neurale, à savoir les voies FGF, BMP et Wnt canonique, sont capables d'en réguler son expression sous le contrôle du gène rapporteur de la luciférase. Enfin, différentes études suggèrent une implication des protéines Cdx dans l'induction des cellules de la crête neurale et dans la fermeture du tube neural, notamment par la régulation de Pax3. Les enhancers de la crête neurale de Pax3 NCE1 et NCE2 sont effectivement régulés par la voie Wnt-Cdx (Sanchez-Ferras et al., 2012) mais un troisième enhancer de la crête neurale (NCE3) a été également caractérisé (Dagenhardt et al., 2010). Nos résultats préliminaires en essai luciférase nous suggèrent une régulation positive de cet enhancer NCE3 par les protéines Cdx1 et Cdx2. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : neurogenèse, Cdx2NSE, souris, voies de signalisation, Cdx, Pax3, NCE3