Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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L’analyse du mécanisme d’interaction de l’héparane sulfate protéoglycane (HSPG) avec lesprotéines amyloïdes et l’effet de paramètres physiologiques (pH,…) sur ce mécanisme nouspermettent une meilleure compréhension des mécanismes menant à l’amyloïdogenèse.La transthyrétine (TTR), molécule circulant à la fois dans le plasma et dans le liquidecéphalo-rachidien, est une des protéines impliquée dans les amyloses. Elle est responsable desamyloses à la TTR et elle joue un rôle dans la maladie d’Alzheimer en séquestrant la protéinebêta-amyloïde (Aβ). La biochromatographie est un outil très efficace pour analyser lemécanisme entre un ligand et son récepteur dans des conditions modulables et se rapprochantdes conditions biologiques. De plus, les nanotubes de carbones (NTCs) peuvent être utiliséspour détecter ou transporter des molécules qui se lient sur leur surface externe et peuventinteragir avec d’autres composés. Au cours de ce travail, un support particulaire a été utilisé où l’HSPG est immobilisé sur desparticules de silice pré-activées par des résidus amines. Ce support remplissant une colonnechromatographique a permis dans un premier temps d’étudier et de comparer les mécanismesd’association entre l’HSPG et une forme sauvage de la TTR et une forme sénile de la TTRextraite d’un patient décédé des suites d’une amylose sénile à la TTR. Cette étude a montréque pour la TTR sauvage, l’association avec l’HSPG est indépendante du pH et implique desinteractions faibles. Pour la TTR sénile, cette association est dépendante du pH. A pH<6,5, laprotonation d’un résidu histidine est observée. De plus, l’étude des paramètresthermodynamiques et de la compensation enthalpie/ entropie montrent un changement dans lemécanisme de fixation avec l’apparition d’interactions ioniques à pH<6,5. Un pH acide estnécessaire pour dissocier et dénaturer partiellement la TTR. L’affinité de la TTR avec l’HSPGdépend de la structure tétramérique quaternaire de la TTR qui présente alors des résiduscapables de créer des interactions. Dans un deuxième temps, cette colonne a permis d’évaluerl’effet de la TTR et du pH sur la liaison Aβ/HSPG. Comme précédemment, la protonationd’un résidu histidine présent sur la Aβ est observée à pH<6,5. Ce résultat confirme des étudesmenées auparavant sur le précurseur de la protéine Aβ. Les résultats thermodynamiques ontmis en évidence que l’affinité de Aβ avec l’HSPG diminuait avec la concentration croissanteen TTR et l’étude des chromatogrammes associés a montré que la TTR ne séquestrait passeulement Aβ mais la clivait en fragments plus courts qui diminuent son affinité avecl’HSPG. Dans la maladie d’Alzheimer, la TTR exerce une activité protéolytique vis-à-vis deAβ.2. Dans un troisième temps, l’effet de la fonctionnalisation de la TTR par des nanotubes decarbone sur la liaison TTR/HSPG a été étudié. Les résultats obtenus montrent que lesinteractions entre l’HSPG et la TTR-NTC sont de type van der Waals et hydrogène. Lesparamètres thermodynamiques des liaisons TTR/HSPG et TTR-NTC/HSPG sont similairespour des pH>6. A pH<6, il n’existe quasiment pas de différences entre les valeurs obtenues àpH >6 et celles obtenues à pH<6. Les NTCs empêcheraient la formation de liaisons ioniques / The analysis of the heparan sulfate proteoglycan (HSPG) association mechanism withamyloid proteins and the effect of physiological parameters (pH,…) on this mechanism allowa better understanding of the mechanisms leading to amyloidogenesis.Transthyretin (TTR), which circulates in both plasma and cerebrospinal fluid, is one of theproteins involved in amyloidosis. It leads to TTR amyloidosis and plays a role in Alzheimer’sdisease in sequestrating the beta-amyloid (Aβ) protein. Biochromatography is an effectivetool for the analysis of the mechanism involved between a ligand and its receptor inadjustable conditions which could be close to biological conditions. Moreover, carbonnanotubes can be used to detect or to carry molecules which bind on its external surface andcould interact with other molecules. In this work, a particulate support was used where the HSPG was immobilized on the silica particles preactivated by amine residues. This support filling a column was used to study andcompare association mechanisms between HSPG and a wild type TTR form and a senile formof the TTR which was was extracted from a patient who died of cardiac failure with a senilesystemic amyloid. This study showed that the association between wild type TTR and HSPGwas independent of the pH and involved weak interactions.For the senile TTR, this association was dependent on pH. At pH<6,5, a histidine residue wasprotonated. Moreover, the study of both thermodynamical parameters and enthalpy-entropycompensation showed a change in the association mechanism with involvement of more ionicinteractions at pH<6,5. An acidic pH was necessary to dissociate and partially denaturate theTTR. The affinity of the TTR with HSPG depends on the tetrameric quaternary structure ofthe TTR which presents some residues which are able to create interactions.In a second time, this column was used to evaluate the effect of both the TTR and the pH onAβ/HSPG binding. As previously, the protonation of a histidine residue present on Aβ wasobserved at pH<6,5. This result confirmed studies on the Aβ precursor. Thermodynamicalvalues highlighted that the affinity of Aβ for l’HSPG decreased with the increase of TTRconcentration, and the study of the chromatograms associated showed that TTR sequestratedAβ and cut Aβ in smaller fragments which decreased its affinity for HSPG. In Alzheimer’sdisease, TTR has a proteolytic activity on Aβ.In a third time, the effect of the carbon nanotubes (CNTs), immobilized on TTR, on theTTR/HSPG binding was studied. Results showed that interactions between TTR-NTC andHSPG are van der Waals and hydrogen. Thermodynamical data of TTR/HSPG et TTRNTC/HSPG bindings are similar at pH>6. At pH<6, no differences between values obtainedat all pH values for TTR-NTC. NTCs would avoid ionic interactions formations.

Les pathologies modifiant l’intégrité de la matrice cartilagineuse (arthrose, arthrite, pathologies des disques intervertébraux, chondrosarcome…) sont caractérisées par un diagnostic tardif dû à l’absence d’un marqueur spécifique du cartilage. Notre unité de recherche développe depuis quelques années un radiotraceur à base de 99mTc capable de se lier aux protéoglycanes, un des constituants essentiels du cartilage. Son utilisation en tomographie par émission monophotonique (TEMP) a permis de mettre en évidence sa capacité à cibler spécifiquement les protéoglycanes du cartilage. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans la continuité de cette étude. De nouveaux radiotraceurs à base de cuivre-64 ont été synthétisés avec pour objectif de réaliser une imagerie fonctionnelle et quantifiable du cartilage en tomographie par émission de positons (TEP). La structure de base de ces radiotraceurs combine une partie vectrice ciblant spécifiquement les protéoglycanes du cartilage (fonction ammonium quaternaire) et une partie chélatante affine de l’ion cuivrique (polyazamacrocycle). Nos études préliminaires montrent que ces radiotraceurs pourraient permettre un diagnostic précoce et un suivi longitudinal des pathologies du cartilage. / Pathologies altering the integrity of the cartilaginous matrix (osteoarthritis, arthritis, intervertebral discs diseases, chondrosarcoma…) are characterized by a delayed diagnosis due to the absence of a specific marker of cartilage. Since several years, our research unit developed a radiotracer based on 99mTc able of binding proteoglycans, one of the essential constituents of the cartilage. Its use in single photon emission tomography (SPECT) had enabled to demonstrate its ability to specifically target the cartilage proteoglycans. Works reported in this thesis are a follow-up to this study. New radiotracers based on copper-64 were synthesized with the aim to achieve functional and quantifiable cartilage imaging in positron emission tomography (PET). The basic structure of these radiotracers combines a carrier function specifically targeting cartilage proteoglycan (quaternary ammonium function) and a chelating moiety for cupric ion (polyazamacrocycle). Our preliminary studies show that these radiotracers could allow early diagnosis and a longitudinal follow-up of cartilage diseases.

Ce travail de thèse a eu pour thème principal le protéoglycane syndecan-1 au cours du myélome multiple, une hémopathie maligne caractérisée par la présence d'un clone de plasmocytes tumoraux au sein de la moelle osseuse. Syndecan-1 est un élément majeur de la physiopathologie du myélome multiple, ce protéoglycane étant au coeur d'un réseau complexe d'interactions moléculaires conditionnant le devenir des cellules plasmocytaires tumorales.Les chaînes de glycosaminoglycanes présentes sur le core protéique de syndecan-1sont responsables d'une grande partie de son activité. Nous avons ainsi caractérisé, par une approche transcriptomique, 100 gènes codant les protéines impliquées dans la synthèse et la modification de ces chaînes. Nous avons de cette manière identifié des cibles moléculairesen vue de moduler, voire d'inhiber leur activité.Dans le but d'identifier les métalloprotéinases des familles ADAM et ADAMTS susceptibles d'interagir avec syndecan-1, nous avons réalisé l'étude du profil d'expression des gènes codant ces reprolysines et leurs inhibiteurs dans les cellules de la différentiation lymphocytaire B, les cellules plasmocytaires normales et tumorales ainsi que dans l'environnement médullaire.Dans une dernière partie, nous avons évalué l'efficacité d'une approche d'inhibitiondes chaînes héparanes sulfates via l'utilisation de l'héparine. Nous observons que certaines lignées myélomateuses sont inhibées par l'héparine et ses dérivés et que ces mêmes lignées sont stimulées par l'antidote de l'héparine, le sulfate de protamine. Les mécanismes mis enjeu sont en relation avec la modulation de la biodisponibilité des facteurs permettant la croissance des cellules. / Multiple myeloma is a hematological malignancy characterized by the expansion of aclone of malignant plasma cells in the bone marrow compartment. Syndecan-1 is a majorproteoglycan involved in a complex network of molecular interactions in multiple myelomaphysiopathology. As heparan sulfate and chondroitin sulfate chains are the bioactive components ofsyndecan-1, we first analysed the signature of genes encoding 100 proteins involved in thesynthesis of these chains, from precursor uptake to post-translational modifications, usingAffymetrix microarrays.In order to identify the metalloproteinases belonging to ADAM and ADAMTS familiespotentially implicated in the interactions with syndecan-1, we performed a gene expressionprofile focused on the genes encoding these reprolysines and their inhibitors.In a last part, we evaluated the efficacy of an inhibitory approach based on theutilization of heparin in human myeloma cell lines in vitro, inhibitory effects being in relationwith a modulation of the biodisponibility of heparin-binding factors.This work led us to identify targets of interest in relation with syndecan-1 biology inmultiple myeloma. They could be used to design new therapeutic strategies.

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293. / With the aim to express a protein of interest, the transfer of exogenous genetic material into host cells was established in early 70s with the development of genetic engineering. Approximately ten years later, insulin was the first human recombinant protein (r-protein) produced at large scale in Escherichia coli and commercialized. Challenges associated with the production of more complex and glycosylated r-proteins brought the pharmaceutical industry to develop mammalian expression platforms. Thus, the expressed r-proteins are correctly folded and biologically actives. As a means to transfer genetic materials of interest into mammalian cells, the synthetic vector polyethylenimine (PEI) is probably the most popular due to its efficacy, ease of use, cost-effectiveness and stability in solution. Consequently, PEI is largely employed for the production of r-proteins by large scale and extensively studied in the context of non-viral gene therapy. PEI is capable to efficiently condense plasmid DNA (expression vector containing the gene of interest) to form small nanoparticles termed polyplexes. The latter must circumvent several steps to deliver the gene of interest to the cell nucleus. When formed at the optimum conditions, polyplexes exhibit a net positive charge which can interact electrostatically with negatively charged heparan sulfate proteoglycans (HSPG) located at the cell surface. There are two major families of HSPG that are largely expressed at the surface of mammalian cells: the syndecans (4 members, SDC1-4) and the glypicans (6 members, GPC1-6). Although it is generally accepted that HSPG are involved in the binding of polyplexes, their individual role toward polyplex binding and the subsequent phases of gene transfer need to be confirmed. Following optimization of the mammalian CHO and HEK293 cells transfection conditions, we undertook an in-depth study of polyplexes uptake, internalization kinetics, as well as transgene expression kinetics with the aim to better understand the mechanisms underlying gene transfer. We observed several contrasting differences between the two cell lines and the type of PEI used. Our results presented as a scientific article, establish strong basis of the gene transfer process over-time. Every cell type possesses its own expression profile of HSPG which can display individual potency toward gene transfer. Indeed, a preliminary study conducted in our laboratory showed that SDC1 and SDC2 have distinct features with regard to gene transfer. While both are capable to bind polyplexes at the cell surface, the expression of SDC1 enhances polyplexes internalization whereas the expression of SDC2 drastically inhibits it. Furthermore, when SDC1 is expressed at the surface of HEK293 cells, the transfection efficiency is increased by twelve percent compared to control cells. By using the ability of SDC1 to mediate efficient internalization of polyplexes, we have studied the intracellular traffic of SDC1 / polyplexes complexes. Our conclusions lead to new insights concerning the path by which polyplexes can mediate efficient transfection. In the context of gene transfer, HSPG have been essentially studied in their entirety. Although the role of syndecans is the subject of some studies, that of glypicans is unexplored. Thanks to a series of chemical and enzymatic treatments leading to « loss of functions », the importance of sulfation as post-translational modification, the effect of HS chains and of glypicans on the attachment, internalization of polyplexes as well as transgene expression were investigated in CHO and HEK293 cells. Taken together, our observations indicate clearly that the role of HSPG should be investigated individually instead of collectively. Consequently, the individual potency of each HSPG member regarding gene transfer remains to be defined. We demonstrated that, in fact, the transient expression of some HSPG in CHO cells have a beneficial effect on polyplexes uptake while others have a negative effect. Unfortunately, this method did not allow concluding about their effect on transfection efficacy. However, when present in the culture medium, the extracellular domain of HSPG decreases transfection efficacy of CHO cells without inducing polyplexes dissociation. Strangely, when each HSPG is stably expressed in CHO cells, only subtle modulations of the gene expression level were observed. This study contributed to a better understanding of the mechanisms underlying PEI mediated gene transfer in CHO and HEK293 cells and clarify the role of HSPG in gene transfer.