Des pathologies telles que la myopathie et certains types de cancer, peuvent être causées par une mauvaise formation de l’enveloppe nucléaire (EN), processus se produisant lors de chaque division cellulaire mais aussi lors de la formation du pronoyau mâle. Un modèle in vitro, dérivé de gamètes d’oursins, a été utilisé afin d’étudier les différentes étapes de formation de l’EN et a permis de révéler plusieurs informations essentielles. Un des points critiques est que des membranes fortement enrichies en phosphoinositides polyphosphorylés (PPIs) sont essentielles à la formation de l’EN, notamment lors des étapes de fusion membranaire. Ces membranes proviennent du cytoplasme de l’ovocyte fécondé (MV1) et des noyaux de spermatozoïdes (NERs). Nous avons construit des modèles membranaires mimant les compositions lipidiques de ces membranes, puis étudié leur structure, leur dynamique ainsi que leur morphologie par spectroscopie de RMN des solides et microscopie électronique. Nous avons montré que les PPIs induisent une courbure membranaire positive, conduisant à la formation de petites vésicules ou de micelles allongées. Plus important encore, dans le modèle « MV1», les membranes sont très fluides. Le modèle « NERs » est constitué de membranes globalement ordonnées, semblables aux phases dites « liquides ordonnées » avec une modulation apportée par la PPIs. Nous avons également construit un modèle membranaire minant la composition lipidique des vésicules MV2, membranes non-enrichies en PPIs mais représentant 90 % des vésicules participant à la formation de l’EN. Ce modèle membranaire présente une dynamique intermédiaire à celle observée pour les modèles MV1 et NERs. Ces propriétés nouvelles ont permis de proposer un mécanisme décrivant le rôle des PPIs lors de la fusion membranaire conduisant à la formation de l’enveloppe nucléaire. / Diseases, such as myopathies and some types of cancer, can be caused by abnormal nuclear envelope (NE) assembly, a process that takes place at each cell division and during male pronuclear formation. A cell-free assay from sea urchin gametes, that mimics the in vivo male pronucleus formation, has been used to dissect the various stages of NE assembly. This in vitro assay has revealed several novel features. One of the critical aspects is that membranes highly enriched in polyphosphorylated phosphoinositides (PPIs), are essential for NE formation, especially during the stage of membrane fusion. Theses membranes are extracted from the cytoplasm of the fertilised oocyte (MV1) and sperm nuclei (NERs). We made model membranes with similar lipid composition to MV1 and NERs and studied their structure, dynamics and morphologies by solid-state NMR spectroscopy and electron microscopy. We show that PPIs have a positive membrane curvature, inducing small vesicles and elongated micelles. More importantly, we illustrate that “MV1-like” membranes are very fluid. “NERs-like” membranes are globally ordered and belong to the family of liquid ordered phases. We also evidenced that PPIs can counterbalance in part the ordering effect of cholesterol. Moreover we made model membranes with similar lipid composition to MV2, non-enriched in PPIs membranes which constitute 90% of the vesicles forming the NE. This model membrane shows an in-between dynamics compared to MV1 and NERs. We therefore propose a mechanism describing the role of PPIs during membrane fusion leading to nuclear membrane assembly.

Un nouveau modèle de biomembrane de type liposome a été développé à partir de lipides synthétisés comportant une unité biphényle sur leur chaînes sn2 et une chaîne aliphatique sn1 de longueur et insaturation variables. L'anisotropie de susceptibilité magnétique positive de ces molécules induit une déformation en oblate de ces liposomes dits " biphényles " dans le champ magnétique B0. Cette déformation spécifique a été caractérisée par RMN des solides 31P et 2H en faisant varier différents paramètres : l'intensité de B0, l'élasticité membranaire, la température et la taille des liposomes (Helfrich, 1973). Ces vésicules déformées ont pu être observées par microscopies optiques et électroniques et la rémanence de la déformation en dehors de B0 a pu être analysée par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). Enfin, les premières applications des liposomes biphényles comme nouveau modèle de biomembrane pour analyser la structure et l'orientation (par RMN des solides 15N) de peptides ou protéines membranaires, ont été étudiées.

Le but de cette thèse est de montrer la réponse de la membrane mitochondriale au cours la régulation de l’apoptose en étudiant l’effet de domaines clés sur la dynamique membranaire et l’importance de la composition phospholipidiques des modèles utilisés. Le domaine BH4 est la partie spécifique anti-apoptotique de la famille Bcl-2. La première étape a été de synthétiser le peptide par voie chimique en utilisant la synthèse peptidique en phase solide. Un protocole décrivant les étapes de purification par chromatographie liquide et de caractérisation par spectroscopie de masse, garantissant une pureté indispensable pour des études biophysiques, a été établi. La modification de la structure secondaire du peptide interagissant avec des vésicules a été étudiée par spectroscopie infrarouge ainsi que par dichroïsme circulaire. Le peptide s’agrège à la surface et s’insère peu profondément dans la partie hydrophobe de la membrane. En utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN) et la calorimétrie, il a été montré que le peptide BH4 modifie l’organisation et la dynamique des liposomes mimant la surface mitochondriale. La deuxième étude a porté sur la première hélice de la protéine pro-apoptotique Bax (Bax-a1) qui a la propriété de diriger la protéine cytosolique vers la mitochondrie. Un protocole de synthèse et purification a été à nouveau établi. Le but de cette étude est de démontrer le rôle de l’interaction spécifique entre la cardiolipine, un phospholipide uniquement présent dans la mitochondrie et le peptide Bax-a1. Les études RMN ont montré que Bax-a1 n’interagissait uniquement que si la cardiolipine était présente, produisant un fort effet électrostatique piégeant le peptide à la surface de la membrane. Enfin, un nouveau protocole permettant d’étudier la réponse des lipides de mitochondries isolées toujours actives par RMN est présenté. Le but est de pouvoir directement observer les modifications subies par chaque phospholipide de la mitochondrie. . / The aim of this thesis was the investigation of the mitochondrial response mechanisms upon apoptotic stimuli. The specific objectives were the biophysical characterization of membrane dynamics and the specific roles of lipids in the context of apoptotic regulation occurring at the mitochondrion and its complex membrane systems. The BH4 domain is an anti-apoptotic specific domain of the Bcl-2 protein. Solid phase peptide synthesis was used to produce large amount of the peptide for biophysical studies. A protocol has been established and optimized, guarantying the required purity for biophysical studies. In detail the purification by high performance liquid chromatography and the characterisation via mass spectroscopy are described. The secondary structure of BH4 changes significantly in the presence of lipid vesicles as observed by infrared spectroscopy and circular dichroism. The BH4 peptide aggregates at the membrane surface and inserts slightly into the hydrophobic part of the membrane. Using nuclear magnetic resonance (NMR) and calorimetry techniques, it could even be shown that the BH4 domain modifies the dynamic and organization of the liposomes which mimic a mitochondrial surface. The second study was on the first helix of the pro-apoptotic protein Bax. This sequence called Bax-a1 has the function to address the cytosolic Bax protein to the mitochondrial membrane upon activation. Once again a protocol has been established for the synthesis and purification of this peptide. The aim was to elucidate the key role of cardiolipin, a mitochondria-specific phospholipid, in the interaction of Bax-a1 with the mitochondrial membrane system. The NMR and circular dichroism studies showed that Bax-a1 interacts with the membrane models only if they contain the cardiolipin, producing a strong electrostatic lock effect which is located at the membrane surface. Finally, a new NMR approach was developed which allows the investigation of the lipid response of isolated active mitochondria upon the presence of apoptotic stimuli. The goal was there to directly monitor lipid specific the occurring changes during these physiological activities.

Ce travail de thèse a pour objectif de développer des voies d’administrations moins contraignantes pour le patient que la voie injectable traditionnellement utilisée pour la délivrance de peptides et de protéines thérapeutiques. Nous nous sommes donc intéressés dans ce travail à la formulation de ces peptides et protéines par la réalisation de systèmes colloïdaux formés de vecteurs amphiphiles, les lipoamino acides (LAAs). Ces systèmes colloïdaux protéines/LAAs sont destinés à l’administration de peptides et protéines par voie nasale et par voie cutanée. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec une industrie bordelaise spécialisée dans la formulation de principes actifs. La première partie de la thèse décrit la formation colloïdale de LAAs et de protéines thérapeutiques pour l’administration par voie nasale. Des études en dichroïsme circulaire nous ont donné des informations sur la structure secondaire des protéines dans le colloïde formé. L’analyse en diffusion dynamique de la lumière nous a apporté des informations sur la taille des complexes colloïdaux protéine-LAAs. La modélisation moléculaire nous a permis d’étudier la structure atomique de ces complexes colloïdaux. Enfin, pour évaluer la perméabilité membranaire de ces colloïdes, des études in vitro sur cellules nasales et des études précliniques ont été réalisées. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés au développement d’une formulation colloïdale à base de LAAs et de cyclosporine en vue du traitement par voie locale du psoriasis. L’efficacité de la formulation a été testée par RMN du deutérium grâce au développement et à la validation de modèles lipidiques de peau saine et psoriasique. / The aim of this thesis is to develop less constraining administration pathways than the injectable way traditionnaly used for the delivery of therapeutic peptides and proteins. In this work we focus in the formulation of these peptides and proteins by formation of colloidal system with amphiphilic vectors, the lipoamino acids (LAAs). These colloidal systems proteins/LAAs are intended for the administration of peptides and proteins by nasal and cutaneous pathways. This work was completed in collaboration with an industry located in Bordeaux and in the formulation of active ingredients. The first part of the thesis describes the colloidal formation of LAAs and therapeutic proteins for an administration by nasal route. Studies with circular dichroism gave information on the secondary structure of proteins in the colloid. Analysis using dynamic light scattering brought information on the size of the protein-LAAs colloidal complexes. Molecular modeling enabled us to study the atomic structure of these colloidal complexes. Finally, to evaluate the membrane permeability of these colloids, in vitro studies on nasal cells and preclinical studies were performed. In the second part, we developed a colloidal formulation containing LAAs and cyclosporine for treatment of psoriasis by local/topical administration. The effectiveness of the formulation was tested by solid state deuterium NMR on original lipidic models of healthy and psoriatic skin developed in the laboratory.

Un nouveau modèle de biomembrane de type liposome a été développé à partir de lipides synthétisés comportant une unité biphényle sur leur chaînes sn2 et une chaîne aliphatique sn1 de longueur et insaturation variables. L’anisotropie de susceptibilité magnétique positive de ces molécules induit une déformation en oblate de ces liposomes dits « biphényles » dans le champ magnétique B0. Cette déformation spécifique a été caractérisée par RMN des solides 31P et 2H en faisant varier différents paramètres : l’intensité de B0, l'élasticité membranaire, la température et la taille des liposomes (Helfrich, 1973). Ces vésicules déformées ont pu être observées par microscopies optiques et électroniques et la rémanence de la déformation en dehors de B0 a pu être analysée par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). Enfin, les premières applications des liposomes biphényles comme nouveau modèle de biomembrane pour analyser la structure et l’orientation (par RMN des solides 15N) de peptides ou protéines membranaires, ont été étudiées. / A new model of biomembrane (liposome) was developed from synthesized lipids containing a biphenyl unit on the sn2 aliphatic chain and possessing a sn1 aliphatic chain which varies in length and unsaturation. The positive magnetic susceptibility anisotropy of these molecules induces an oblate deformation of these «biphenyls » liposomes under the magnetic field B0. This particular deformation has been characterized by 31P and 2H solid state NMR by varying different parameters: the intensity of B0, the membrane elasticity, the temperature and the size of the liposomes (Helfrich, 1973). These deformed vesicles were observed by optical and electron microscopy and the remanence of the deformation outside B0 has been analyzed by Small angles X-ray scattering (SAXS).Finally, the first applications of biphenyls liposomes as new biomembrane model to analyze the structure and orientation of membrane proteins or peptides were studied by 15N solid state NMR