Globally, breast cancer is the leading cause of death in the female population aged 45 and below with a breast cancer incidence reaching 18.1 million in the year 2018. Triple negative breast cancer (TNBC) is part of a group of cancers that lack the expression of Progesterone receptor (PR), Estrogen receptor (ER) and Human epidermal growth factor receptor 2 (HER2). TNBC is commonly associated with early stage metastasis with low survival rates as well as a high frequency of recurrence and proves to be problematic in both the young and elderly female populations. Conventional diagnostic methods for TNBCs include mammography, magnetic resonance imaging (MRI) and ultrasound while therapeutic methods include mastectomy and breast conserving surgery (coupled with radiation therapy). The lack of effective therapeutic options, poor prognostic value and high rates of metastasis, has made treatment of TNBC difficult. The major focus of this work was on the following tumour associated antigens (TAAs): CSPG4 (a transmembrane protein found in 50% of TNBC cases), EGFR (which is overexpressed in 13-76% of TNBCs), and MSLN (which is overexpressed in 67% of TNBCs) as potential targets for monospecific therapy. The evolution of antibody-based immunotherapy strategies has led to applications of single chain variable fragment (scFv) & single domain/nanobody (VHH) antibody formats for diagnostic and therapeutic purposes. In this work, these recombinant antibody fragments have been combined with SNAP-tag, a modified version of the human DNA repair enzyme O6-alkylguanine-DNA-alkyltransferase (AGT), which autocatalytically binds benzyl-guanine modified substrates such as fluorophores or small molecule toxins covalently in a 1:1 stoichiometry. In this study, the primary aim was the comparison of different antibody formats fused to SNAPtag and the potential of these biopharmaceuticals towards immunodiagnosis and therapy of TNBCs. First functionalities of two scFv SNAP fusion proteins and one VHH SNAP fusion protein previously not having been described are provided through binding analyses on receptor positive tumour cell lines. This was achieved by in-silico design and molecular cloning of genetically fused antiCSPG4(scFv), -MSLN(scFv), -MSLN(VHH), -EGFR(scFv) & -EGFR(VHH) to SNAP-tag. The final constructs were confirmed by Sanger sequencing and subsequently transfected into a mammalian vector system (HEK293T) for transient expression of the engineered fusion proteins. Full length protein purified from cell culture supernatant was analysed for diagnostic/therapeutic activities dependant on the substrate attached in the form of a fluorophore or small molecule toxin resulting in recombinant antibody-drug conjugates (ADCs). The study shows promise in providing new immunodiagnostic and therapeutic agents that are specific and less harmful than the current state of the art procedure

Le radiomarquage des macro-biomolécules au fluor-18 représente un défi majeur en radiochimie vu leur importance en imagerie moléculaire. Les macro-biomolécules et en particulier les peptides offrent une diversité moléculaire et un ciblage in vivo souvent plus spécifiques et sélectifs que les molécules de plus faibles poids moléculaires. Cependant, les conditions standards de radiomarquage au fluor-18 seraient destructrices pour de tels composés et ne peuvent être utilisées directement. Peu de méthodes directes de radiomarquage existent et présentent certains inconvénients (température encore élevée, activité molaire faible, méthodes peu versatiles…). C’est pourquoi, le radiomarquage par approche prosthétique en deux étapes reste une méthode de choix. Cette stratégie séquentielle implique tout d’abord la préparation d’une molécule radiofluorée, appelée groupe prosthétique, puis sa conjugaison à la macro-biomolécule dans des conditions chimiques biocompatibles. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à développer de nouvelles méthodes générales de radiomarquage de macro-biomolécules visant in fine des applications de radiomarquage direct in vivo. Les enjeux principaux ont été la diminution du temps de marquage pour améliorer les procédés de radiosynthèse compte tenu de la demi-vie du fluor-18 (109,8 min), le besoin d’automatisation ainsi que la vitesse et la bioorthogonalité des réactions de conjugaison pour des applications en milieu complexe et dilué. Tout d’abord, l’étude de trois réactions de chimie click, CuAAC, SPAAC et SPSAC, de vitesse et de biocompatibilité croissantes a été considérée. Le développement de groupes prosthétiques spécifiques de chacune d’entre elles ainsi que leur conjugaison sur des composés modèles ont ensuite été étudiés. Par la suite, une étude méthodologique sur la radiofluoration de pyridines substituées a été initiée afin d’obtenir des entités radiomarquables dans des conditions suffisamment douces permettant la « pré-conjuguaison » à la macro-biomolécule avant l’étape de radiofluoration. Enfin, l’utilisation d’un étiquetage enzymatique, le SNAP-tag, a également été explorée et un substrat radiofluoré spécifique synthétisé. Ces différentes approches ont permis d’élargir le panel des méthodes permettant un radiomarquage efficace et biocompatible de macro-biomolécules. / Fluorine-18 radiolabeling of biologics is a challenge in radiochemistry due to their increasing interest in molecular imaging. Biologics, and particularly peptides, offer molecular diversity and often higher specific and selective in vivo targeting compared to low molecular weight molecules. However, fluorine-18-radiolabeling standard conditions could not be used directly because biologics would suffer from these drastic conditions. Only a few direct radiolabeling methods are available and present some drawbacks (high temperature, low molar activity, lack of versatility…). Therefore, a two-steps prosthetic radiolabeling approach remains the method of choice. This sequential strategy involves the preparation of a fluorine-18-labeled molecule, called prosthetic group, which is then conjugated with the macromolecule in biocompatible chemical conditions. The aim of this PhD work was to develop new general methods for the radiolabeling of biologics directed toward in vivo radiolabeling applications. Major issues were time and radiosynthesis processes with regard to the fluorine-18 half life, automatization as well as constant rate and bioorthogonality of conjugation reactions for applications in complex and diluted environment.The first part is devoted to the study of three click chemistry reactions, CuAAC, SPAAC and SPSAC leading to enhanced reaction rates and biocompatibility. Specific prosthetic groups were developed for each reaction and their conjugation was studied with model compounds. Furthermore, a methodological study involving the radiofluorination of substituted pyridines was initiated for the production of entities for mild radiolabeling conditions compatible with a “pre-conjugation” to the biologics before radiofluorination. Finally, an enzymatic labeling approach using the SNAP-tag self-labeling enzyme was explored and a specific radiofluorinated substrate was synthesized. These different approaches allowed an extent of the panel of methods for effective and biocompatible radiolabeling of biologics.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de récepteurs transmembranaires. Ils sont impliqués dans une large variété de processus physiologiques et par conséquent ils représentent une cible thérapeutique d'intérêt pour le développement de médicaments. Plusieurs études ont démontré que les RCPGs sont capables d'interagir entre eux pour former des complexes oligomériques. Cependant, leur existence in vivo et leur rôle fonctionnel reste sujet à débats. Afin de mieux appréhender ce phénomène, nous avons utilisé un RCPG de classe C comme modèle d'étude, le récepteur de l'acide γ-aminobutyrique (GABAB), qui est impliqué dans une grande variété de désordres neurologiques et psychiatriques. Son originalité réside dans le fait qu'il est un hétérodimère obligatoire composé de deux sous-unités : GABAB1 et GABAB2 (GB1 et GB2). La liaison de l'agoniste sur GB1 conduit à l'activation de GB2. Au cours de ma thèse, nous avons montré en utilisant une nouvelle approche biophysique basée sur un marquage fluorescent enzymatique appelé Snap-tag que, contrairement aux récepteurs métabotropiques du glutamate, le récepteur GABAB forme des dimères de dimères (tétramères). Cette organisation hétéro-oligomérique est assurée par des contacts stables entre les domaines extracellulaires des sous-unités GB1. De plus, nous avons apporté des données en faveur de l'existence physiologique de cet assemblage en utilisant des membranes de cerveau de rat et de souris. Dans une seconde partie, nous avons souhaité déterminer les conséquences fonctionnelles de cette organisation. Nos résultats suggèrent une efficacité de couplage à la protéine G réduite du récepteur GABAB lorsqu'il est associé en dimères de dimères. Collectivement, nos données rapportent pour la première fois, l'existence de larges complexes allostériques de RCPGs dans le cerveau. / The G-protein coupled receptors (GPCR) constitute the main family of transmembrane receptors. They are involved in many physiological processes and, as a consequence, they represent a therapeutic target of interest for the development of new drugs. Few studies have demonstrated that GPCRs are able to interact with each other to form oligomeric complexes. However, the existence in vivo and the functional interest of these oligomers remain a subject of intense debates. To address this issue, we have used a class C GPCR as a model, the γ-aminobutyrate B receptor (GABAB), which is involved in a wide variety of neurological and psychiatric disorders. This receptor has the particularity to be an obligatory heterodimer composed of two subunits GABAB1 and GABAB2 (GB1 and GB2). Agonist binding on GB1 leads to G-protein activation by GB2. During my thesis, we developed a new biophysical approach based on an enzyme-mediated fluorescent labeling calle d Snap-Tag and showed that, unlike metabotropic glutamate receptors, GABAB forms dimers of dimers (tetramers). This oligo-heterodimers organization is mediated via stable contacts between extracellular domains of GB1 subunits. Furthermore, we brought evidence of the physiological reality of this assembly using rat and mouse brain membranes. Then, we aimed at assessing what would be the functional rational of the GABAB dimer of heterodimers. Our results suggest that the GABAB receptor has a lower G protein-coupling efficacy when associated into dimers of dimers. Altogether, our data report for the first time, the existence of large allosteric GPCR complexes in the brain.

Le trafic rétrograde permet le transport des protéines de la membrane plasmique vers le réticulum endoplasmique, via l'appareil de Golgi, évité la dégradation des lysosomes. Des études antérieures ont montré que le transport rétrograde est crucial pour les fonctions cellulaires telles que la signalisation, l'homéostasie ionique, et l'établissement de gradients du morphogène Wnt. Par ailleurs, le transport rétrograde joue un rôle essentiel dans l'internalisation cellulaire des facteurs pathogènes comme les toxines protéiques et les protéines de virus. Toutefois, la liste actuelle des protéines cargos est limitée, et il est probable que de nombreuses fonctions cellulaires du transport rétrograde restent encore à découvrir. De toute évidence, un fort besoin existe pour une caractérisation plus poussée de cette voie de transport. Dans cette étude, quatre différentes approches protéomiques ont été développées visant à identifier les protéines membranaires prenant la route du transport rétrograde: SNAP-tag, sulfatation, la FKBP, et la streptavidine. Parmi ceux-ci, l'approche SNAP-tag s'est avéré être la stratégie la plus efficace pour identifier les candidats du fret de la voie rétrograde. Cette stratégie est basée sur la modification covalente du protéome de la membrane plasmique avec un benzylguanine (BG) dérivés. Seules les protéines membranaires BG-taggées qui sont ensuite transportés par voie rétrograde peuvent coupler covalentement à une protéine de fusion de SNAP-tag localisée dans la TGN. L'approche a été validée, étape par étape, en utilisant une protéine cargo rétrograde bien étudiée, toxine Shiga sous-unité B (STxB). Nous avons pu montrer que les STxB peuvent être capturés et identifiées par l'approche SNAP-tag. Par ailleurs, couplé à la LC-MS, les candidats des nouvelle protéines de la voie rétrograde ont été identifiés. Les trois autres approches ont guidé notre choix vers la stratégie la plus efficace en protéomique, en apportant des possibilités d'expérimentation et de défauts dans les domaines de la chimie organique et en biologie cellulaire. Généralement, ce travail de thèse a permis de développer une nouvelle stratégie protéomique qui pourraient être appliquée pour identifier les nouvelles candidats de la route rétrograde. Nous avons mis au point une approche dynamique en protéomique qui complète la protéomique traditionnelle. Par ailleurs, le concept d'utiliser des outils chimiques pour étudier le transport rétrograde peut également être appliqué à d'autres voies d'endocytose.

L’étude de l’assemblage et de l’acheminement à la membrane plasmique des complexes de signalisation des RCPGs va jouer un rôle crucial dans le développement de nouveaux médicaments ayant moins d’effets secondaires. Des outils permettant l’étude de ces phénomènes existent déjà, mais un outil polyvalent qui permettrait d’étudier plusieurs aspects pourrait grandement faciliter et accélérer ces études. L’étiquette SNAP est un candidat intéressant puisqu’avec cette étiquette il est possible de marquer une seule construction avec une variété de différents substrats. Une construction encodant pour le récepteur β2AR avec une étiquette SNAP à son extrémité C-terminale a été ingénérée. Cette construction est apte à lier son ligand, à être acheminée à la membrane plasmique et à homodimériser. La protéine exprimée a été marquée avec le fluorophore BG-430. De la fluorescence non spécifique a été détectée dans la cellule (même en absence de l’étiquette SNAP sur le récepteur). Un essai BRET a été développé, utilisant la construction HA-β2AR-SNAP en tant qu’accepteur et est fonctionnel. L’étiquette SNAP, comme utilisée ici, ne présente pas un aussi bon candidat qu’attendu, puisque le substrat n’ayant pas réagi demeure coincé dans la cellule. Le facteur activateur de plaquette (PAF) et son récepteur (PAFR) jouent un rôle critique dans plusieurs réponses inflammatoires et le récepteur FP est impliqué dans l’accouchement prématuré. Une meilleure compréhension des complexes de signalisation associés à ces récepteurs pourrait être la première étape dans la compréhension de leur signalisation dans des situations normales ou de maladies. Des expériences de BRET étudiant des interactions de bases entre les récepteurs et leurs partenaires d’interactions connus ont été réalisées. Elles ont permis de déterminer que : les récepteurs PAF et FP homodimérisent, que les récepteurs PAF et FP hétérodimérisent, que les protéines Gβγ interagissent de manière constitutive avec ces récepteurs et qu’aucun signal de BRET n’a été détecté avec la protéine Gα et ce, en présence ou en absence de stimulation par un agoniste (suggérant qu’il est nécessaire d’optimiser le système présentement utilisé). / Studies of the assembly and plasma membrane trafficking of G protein-coupled receptor (GPCR) signalling complexes will play an important role in the development of new drugs with fewer side effects. Tools for this purpose have already been developed, but a more versatile tool which would allow assessment of multiple aspects of GPCR trafficking and protein/protein interaction could greatly facilitate and expedite these studies. The SNAP tag is without doubt an interesting candidate for this task. Using this tag, it is possible to label one receptor construct, with a variety of different substrates. A construct encoding the β2AR receptor was engineered with a C-terminal SNAP tag. This construct, when expressed in HEK 293 cells, was able to bind ligand, to traffic to the plasma membrane and to form homodimers. The expressed protein was then labelled with the BG-430 fluorophore. Non-specific fluorescence was detected in the cell, even in the absence of the SNAP tag. A BRET assay was developed using the HA-β2AR-SNAP as a BRET acceptor. The SNAP tag as used in this initial study was not as good as thought previously because uneacted substrate remains trapped in cells (i.e. the background was too high). Platelet-activating factor (PAF) and its receptor (PAF-R) play a critical role in many inflammatory responses and the receptor for prostaglandin F (FP) plays a role in pre-term labour. A better understanding of signalling complexes associated with these receptors might be the first step in a better understanding of their signalling in health and disease. As an initial step in this direction, we used BRET to study basic interactions between these receptors and known signalling partners. PAF-R and FP receptors homodimerize. A heterodimer between the FP and PAF receptors was also detected. Gβγ subunits interact with these receptors in a constitutive way. In the case of the Gα, no BRET signal was detected with or without agonist stimulation suggesting more work is required to optimize the system.

L’étude de l’assemblage et de l’acheminement à la membrane plasmique des complexes de signalisation des RCPGs va jouer un rôle crucial dans le développement de nouveaux médicaments ayant moins d’effets secondaires. Des outils permettant l’étude de ces phénomènes existent déjà, mais un outil polyvalent qui permettrait d’étudier plusieurs aspects pourrait grandement faciliter et accélérer ces études. L’étiquette SNAP est un candidat intéressant puisqu’avec cette étiquette il est possible de marquer une seule construction avec une variété de différents substrats. Une construction encodant pour le récepteur β2AR avec une étiquette SNAP à son extrémité C-terminale a été ingénérée. Cette construction est apte à lier son ligand, à être acheminée à la membrane plasmique et à homodimériser. La protéine exprimée a été marquée avec le fluorophore BG-430. De la fluorescence non spécifique a été détectée dans la cellule (même en absence de l’étiquette SNAP sur le récepteur). Un essai BRET a été développé, utilisant la construction HA-β2AR-SNAP en tant qu’accepteur et est fonctionnel. L’étiquette SNAP, comme utilisée ici, ne présente pas un aussi bon candidat qu’attendu, puisque le substrat n’ayant pas réagi demeure coincé dans la cellule. Le facteur activateur de plaquette (PAF) et son récepteur (PAFR) jouent un rôle critique dans plusieurs réponses inflammatoires et le récepteur FP est impliqué dans l’accouchement prématuré. Une meilleure compréhension des complexes de signalisation associés à ces récepteurs pourrait être la première étape dans la compréhension de leur signalisation dans des situations normales ou de maladies. Des expériences de BRET étudiant des interactions de bases entre les récepteurs et leurs partenaires d’interactions connus ont été réalisées. Elles ont permis de déterminer que : les récepteurs PAF et FP homodimérisent, que les récepteurs PAF et FP hétérodimérisent, que les protéines Gβγ interagissent de manière constitutive avec ces récepteurs et qu’aucun signal de BRET n’a été détecté avec la protéine Gα et ce, en présence ou en absence de stimulation par un agoniste (suggérant qu’il est nécessaire d’optimiser le système présentement utilisé). / Studies of the assembly and plasma membrane trafficking of G protein-coupled receptor (GPCR) signalling complexes will play an important role in the development of new drugs with fewer side effects. Tools for this purpose have already been developed, but a more versatile tool which would allow assessment of multiple aspects of GPCR trafficking and protein/protein interaction could greatly facilitate and expedite these studies. The SNAP tag is without doubt an interesting candidate for this task. Using this tag, it is possible to label one receptor construct, with a variety of different substrates. A construct encoding the β2AR receptor was engineered with a C-terminal SNAP tag. This construct, when expressed in HEK 293 cells, was able to bind ligand, to traffic to the plasma membrane and to form homodimers. The expressed protein was then labelled with the BG-430 fluorophore. Non-specific fluorescence was detected in the cell, even in the absence of the SNAP tag. A BRET assay was developed using the HA-β2AR-SNAP as a BRET acceptor. The SNAP tag as used in this initial study was not as good as thought previously because uneacted substrate remains trapped in cells (i.e. the background was too high). Platelet-activating factor (PAF) and its receptor (PAF-R) play a critical role in many inflammatory responses and the receptor for prostaglandin F (FP) plays a role in pre-term labour. A better understanding of signalling complexes associated with these receptors might be the first step in a better understanding of their signalling in health and disease. As an initial step in this direction, we used BRET to study basic interactions between these receptors and known signalling partners. PAF-R and FP receptors homodimerize. A heterodimer between the FP and PAF receptors was also detected. Gβγ subunits interact with these receptors in a constitutive way. In the case of the Gα, no BRET signal was detected with or without agonist stimulation suggesting more work is required to optimize the system.