OCL1 (Outer Cell Layer 1) est le membre fondateur, chez le maïs, de la famille multigénique regroupant les facteurs de transcription HD-ZIP IV. La plupart de ces gènes s’exprime préférentiellement dans l’épiderme, et chez Arabidopsis l’étude de mutants a montré que certains HD-ZIP IV étaient essentiels pour la différenciation de cette couche cellulaire. Lors de ma thèse je me suis intéressée à la régulation du gène OCL1 par un petit ARN non codant. En effet, la conservation au sein des 3’UTR de plusieurs gènes HD-ZIP IV d’un motif de 21 nucléotides (nt) suggérait l’existence d’un tel mécanisme. J’ai mis en évidence que ce motif de 21 nt était conservé des Bryophytes aux Angiospermes et qu’il était toujours couplé à un second motif conservé d’une taille de 19 nt avec lequel il peut s’apparier pour former une structure secondaire de type tige-boucle. J’ai démontré l’existence d’un petit ARN ayant une séquence (quasi) complémentaire au site de 21 nt. La biogenèse de ce petit ARN de 24 nt que nous avons nommé small1, dépend de RDR2/ MOP1, DCL3 et Pol IV/ RMR6, composants normalement requis pour le mécanisme de RdDM. A l’aide d’un système GFP sensor, j’ai cependant mis en évidence que small1 régulait l’expression de son gène cible par inhibition de la traduction et non par RdDM. Ces expériences ont par ailleurs démontré qu’OCL1 n’est pas régulé uniquement par small1, mais également via un second mécanisme dans lequel pourrait intervenir la structure secondaire de type tige-boucle. Enfin, j’ai montré que small1 possède une extrémité 5’modifiée, expliquant ainsi son absence des banques de données et définissant aussi une nouvelle classe de petits ARN chez les plantes. / Small non-coding RNAs are versatile riboregulators that control gene expression at the transcriptional or post-transcriptional level, governing many facets of plant development and stress responses. We previously suggested the possible regulation of OCL1 (Outer Cell Layer1) by a small RNA based on the intriguing presence of two conserved motives of 19 and 21nt in its 3’UTR. ZmOCL1 is a founding member of the HD-ZIP IV gene family encoding plant specific transcription factors mainly involved in epidermis differentiation and specialization. Here we present evidence for the existence of a 24 nt small RNA complementary to ZmOCL1 3’UTR which accumulates preferentially in maize reproductive organs but also in Arabidopsis flowers and inflorescences. The biogenesis of this 24 nt small RNA (that we named small1) depends on MOP1/RDR2 and RMR6/POLIV and DCL3, components normally required for RNA-dependent DNA-methylation. Unexpectedly GFP-sensor experiments showed that small1 may regulate its target at the post-transcriptional level, mainly through translational inhibition. These experiments further highlighted the importance of additional 3’UTR sequences required for efficient target repression, possibly implicating a secondary stem-loop structure. Finally, we showed that small1 is modified at its 5’ end, which not only explains its absence from the current databases but also defines a novel class of plant small RNAs.

La Enhanced Cyan Fluorescent Protein (ECFP) est un variant spectral de la Green Fluorescent Protein extraite de la méduse Aequaria Victoria (GFPav). La ECFP, émettant dans le cyan, est un des donneurs les plus utilisés dans les études de transfert résonnant d’énergie d’excitation et est integré dans de nombreuses constructions de biosenseurs. Pourtant, elle souffre de nombreux inconvenients. Notamment elle pésente des propriétés photophysiques complexes et une forte sensibilité environnementale qui sont des freins à une interprétation quantitative de ses signaux de fluorescence en imagerie cellulaire. Notre objectif vise à mettre au point, grâce à l’introduction d’un minimum de mutations, un dérivé de la ECFP présentant des propriétés d’émission simplifiées et performantes ainsi qu’une faible sensibilité environementale. Des mutations ont été introduites, par mutagenèse dirigée, à deux positions clefs de la séquence peptidique de la ECFP ce qui a permis de générer des dérivés présentant des propriétés photophysiques et une sensibilité au pH modulées. En particulier, nous avons réussit à générer une protéine fluorescente, l’Aquamarine, aux propriétés photophysiques quasi-idéales caractérisée par un rendement quantique de l’ordre de 0,9 et des déclins d'émission de fluorescence quasi-monexponentiels. Elle présente également une sensibilité au pH fortement réduite avec un pH de demi-transition acide de 3,3.Ce manuscrit présente l’étude détaillée des propriétés d’émission de fluorescence des diverses protéines générées. Plusieurs paramètres présentant un intérêt particulièrement important pour une utilisation adéquate en imagerie de fluorescence ont été évalués. Outre la sensibilité au pH établie sur une large gamme de pH (2,5-11), une attention particulière a été portée sur les performances photophysiques (monoexponentialité du déclin d'émission de fluorescence, durée de vie moyenne, rendement quantique, brillance,…) de ces dérivés. De plus, grâce à des expériences de dichroïsme circulaire, des informations sur les changements structuraux, dont ces dérivés sont le siège à pH très acide, ont été obtenues. Enfin, l’examen détaillé des données spectroscopiques stationnaires et résolues en temps a permis de mettre en lumière l’existence de plusieurs espèces émissives contribuant à la photophysique de ces protéines et à l’origine de leur transition acide. L’ensemble de ces résultats constitue une première approche pour une meilleure compréhension de la relation structure-photophysique-dynamique de la ECFP et de ces dérivés. / The Enhanced Cyan Fluorescent Protein (ECFP) is a variant of Green Fluorescent Protein extracted from the jellyfish Aequaria Victoria (GFPav). The ECFP, emitting in the cyan, is one of the most donors used in studies of resonant transfer excitation energy and is integrated in many constructions of biosensors. However, it suffers from several drawbacks. In particular, it presents a complex photophysical properties and high environmental sensitivity that are obstacles to its quantitative interpretation of fluorescence signals in cellular imaging. Our goal is to develop, through the introduction of minimum mutations, a derivative of the ECFP with simplified emission properties and low environmental sensitivity.Mutations were introduced by site-directed mutagenesis, into two positions in the peptide sequence of ECFP which helped to generate derivatives with modulated photophysical properties and low pH sensitivity. In particular, we have managed to generate a fluorescent protein, Aquamarine, with almost ideal photophysical properties characterized by a quantum yield of about 0.9 and pure single exponential fluorescence decay. It also has a greatly reduced sensitivity to the pH with half transition point near 3.3.This manuscript presents a detailed study of fluorescence properties of various proteins generated. Several parameters for proper use in fluorescence imaging were evaluated. In addition to the pH sensitivity based on a wide range of pH (2.5 to 11), particular attention was paid to the photophysical performance (simpler fluorescence emission decay, average lifetime, quantum yield, brightness, ...) of these derivatives. In addition, we studied structural changes on these derivatives at acidic pH by circular dichroism. Finally, a detailed examination of the steady state fluorescence and time-resolved fluorescence helped to highlight the existence of several emissive species contributing to the photophysics of these proteins and the origin of their acid transition. These results constitute a first approach to a better understanding of the structure-photophysical dynamics of ECFP-and these derivatives

De nombreux systèmes biologiques présentent une organisation complexe. Par exemple, les biopolymères peuvent posséder une structure très hiérarchisée responsable de leur fonction particulière. Comprendre la complexité de cette organisation permet de décrire des phénomènes biologiques et de prédire les fonctions des molécules. En outre, en supposant que la structure primaire du polymère est formée aléatoirement, nous pouvons essayer de caractériser ce phénomène par des grandeurs probabilistes (variances, moyennes, etc). Cette formulation est propre aux problèmes d'évolution.Les réseaux biologiques sont d'autres objets communs de la physique statistique possédant de riches propriétés fonctionnelles. Pour décrire un mécanisme biologique, on utilise différents types de réseaux biomoléculaires. Le développement de nouvelles approches peut nous aider à structurer, représenter et interpréter des données expérimentales, comprendre les processus cellulaires et prédire la fonction d'une molécule.L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes pour l'étude d'objets statiques ou dynamiques, ayant une architecture complexe. Ici, nous nous intéressons à deux problèmes.La première partie est consacrée à l'analyse statistique des biopolymères aléatoires. Nous étudions une transition de phase présente dans les séquences aléatoires de l'ARN. On met alors en évidence deux modes : le régime où presque toutes les bases qui composent l'ARN sont couplées et la situation où une fraction finie de ces bases restent non complémentaires.La deuxième partie de cette thèse se concentre sur les propriétés statistiques des réseaux. Nous développons des méthodes pour l'identification d'amas de gènes co-expressifs sur les réseaux et la prédiction de gènes régulateurs novateurs. Pour cela, nous utilisons la fonction du plus court chemin et l'analyse du profil des motifs formés par ces amas. Ces méthodes ont pu prédire les facteurs de transcription impliqués dans le processus de longévité. Enfin, nous discutons de la formation de motifs stables sur les réseaux due à une évolution sélective. / Complex organization is found in many biological systems. For example, biopolymers could possess very hierarchic structure, which provides their functional peculiarity. Understating such, complex organization allows describing biological phenomena and predicting molecule functions. Besides, we can try to characterize the specific phenomenon by some probabilistic quantities (variances, means, etc), assuming the primary biopolymer structure to be randomly formed according to some statistical distribution. Such a formulation is oriented toward evolutionary problems.Artificially constructed biological network is another common object of statistical physics with rich functional properties. A behavior of cells is a consequence of complex interactions between its numerous components, such as DNA, RNA, proteins and small molecules. Cells use signaling pathways and regulatory mechanisms to coordinate multiple processes, allowing them to respond and to adapt to changing environment. Recent theoretical advances allow us to describe cellular network structure using graph concepts to reveal the principal organizational features shared with numerous non-biological networks.The aim of this thesis is to develop bunch of methods for studying statistical and dynamic objects of complex architecture and, in particular, scale-free structures, which have no characteristic spatial and/or time scale. For such systems, the use of standard mathematical methods, relying on the average behavior of the whole system, is often incorrect or useless, while a detailed many-body description is almost hopeless because of the combinatorial complexity of the problem. Here we focus on two problems.The first part addresses to statistical analysis of random biopolymers. Apart from the evolutionary context, our studies cover more general problems of planar topology appeared in description of various systems, ranging from gauge theory to biophysics. We investigate analytically and numerically a phase transition of a generic planar matching problem, from the regime, where almost all the vertices are paired, to the situation, where a finite fraction of them remains unmatched.The second part of this work focus on statistical properties of networks. We demonstrate the possibility to define co-expression gene clusters within a network context from their specific motif distribution signatures. We also show how a method based on the shortest path function (SPF) can be applied to gene interactions sub-networks of co-expression gene clusters, to efficiently predict novel regulatory transcription factors (TFs). The biological significance of this method by applying it on groups of genes with a shared regulatory locus, found by genetic genomics, is presented. Finally, we discuss formation of stable patters of motifs in networks under selective evolution in context of creation of islands of "superfamilies".

L’utilisation d’oligomères d’α-amino-γ-lactame (Agl-αAA) comme vecteurs de pénétration intracellulaire est décrite dans ce manuscrit. Nous avons montré que ces oligomères structurés en ruban sont capables de traverser la membrane plasmique pour atteindre le cytosol et y délivrer un cargo biologiquement actif. A la différence des séquences peptidiques, ces oligomères ont une très bonne résistance enzymatique. Une nouvelle famille de foldamères d’α-amino-γ-lactame (Agl-βAA) obtenus à partir de séquences /β peptidiques est également décrite. La structure secondaire de ces composés a été étudiée par RMN, IR-TF, CD et DRX. Nous avons montré que ces oligomères sont capables d’adopter une structure stable en hélice 12. De façon remarquable, ces oligomères sont solubles en milieux aqueux malgré une absence totale de chaînes latérales hydrophiles. / The use of α-amino-γ-lactam oligomers (Agl-αAA) as cell penetrating vectors are described in this work. These ribbon structured oligomers are able to cross the cell membrane to reach the cytosol and deliver a biologically active cargo. Unlike peptide sequences, these oligomers display a strong enzymatic resistance. A new family of α-amino-γ-lactam oligomers (Agl-βAA) obtained from conversion of /β peptide sequences are also described. Secondary structure of these molecules have been studied by NMR, FTIR, CD and XRD. These oligomers are able to adopt a stable 12-helix structure. Unexpectedly, these oligomers are soluble in aqueous mediums without any hydrophilic side chains

Le VIH-1 bourgeonne sous forme immature et doit subir l’étape de maturation afin d’acquérir son caractère infectieux. La maturation protéolytique du précurseur Pr55Gag induit le réarrangement morphologique de la particule alors que le dimère d’ARNg acquiert une compaction optimale. Ces réarrangements conformationnels restent encore inconnus et sont facilités par l’activité chaperonne de la protéine NCp7. Notre but a été de déterminer les différentes étapes menant à l’obtention d’un dimère d’ARNg mature. Nous avons donc étudié la structure des 550 premiers nucléotides du génome par cartographie chimique, à la fois 1. in vitro en présence des protéines Pr55Gag, GagΔp6, intermédiaires contenant le domaine NC et NCp7 et 2. in viro par l’approche hSHAPE-Seq que nous avons développé. Les particules matures et bloquées aux différentes étapes de maturation de Pr55Gag ont été analysées ainsi que des particules matures et totalement immatures traitées avec l’éjecteur de zinc AT-2. Ce traitement permet d’identifier les sites de protection de Pr55Gag et NCp7 ainsi que leur activité déstabilisatrice. / The HIV-1 particle buds from the infected cell as an immature particle and has to undergo a maturation process to become infectious. Proteolytic processing of Pr55Gag triggers morphological rearrangements of the particle whereas the gRNA dimer becomes more stable. Genomic rearrangements remain poorly understood and are facilitated by the RNA chaperone activity of the NCp7 protein. Our goal was to determining the different steps leading to the formation of the mature dimeric gRNA. To this end, the structure of the first 550 nucleotides of the HIV-1 genome was assessed by chemical probing 1. in vitro with Pr55Gag, GagΔp6, NC-containing intermediates and NCp7 proteins and 2. in viro with the hSHAPE-Seq approach we developed. Wild type and mutant viruses mimicking the sequential processing of Pr55Gag were analysed, as well as immature PR- and mature particles treated with the AT-2 zinc ejector, in order to identify the Pr55Gag and NCp7 binding sites and their gRNA destabilising activity.

Dans ce mémoire, je présente mes études sur la synthèse, la caractérisation et l’évaluation biologique de différentes séries d’analogues du D-heptapeptide appelé 101.10, un modulateur négatif allostérique du récepteur de l’interleukine-1β (IL-1β). Sachant que les peptides ont généralement de faibles propriétés pharmacologiques, le but de ce projet portait sur l’examen des structures nécessaires à la bioactivité, la conformation tridimensionnelle de ces derniers afin d’améliorer la droguabilité du peptide parent. Les stratégies d’optimisation du 101.10 utilisées furent : la coupure N- et C-terminale; la substitution par la proline, α-amino-γ-lactame (Agl), β-amino-γ-lactame (Bgl) et α-amino-β-hydroxy-γ-lactame (Hgl); et la rigidification du squelette à l’aide d’un bicycle, l’indolozidin-2-one (I2aa). Afin de clarifier certaines relations de structure-activité, quelques modifications furent apportées au peptide, incluant l’échange de la thréonine pour la valine, la permutation de la stéréochimie de certains résidus clés ainsi que le remplacement de certaines chaînes latérales par un méthyle. Pour pallier aux difficultés de reproductibilité des résultats avec des échantillons provenant de différentes sources, des études sur l’identité du contre-anion et la pureté du peptide furent conduites. Afin d’évaluer l’effet des modifications sur la conformation aqueuse et l’activité biologique du peptide, des analyses de dichroïsme circulaire et des tests in vitro mesurant l’inhibition de certains effets de l’IL-1β furent effectués. Ces essais cellulaires comportaient l’inhibition de la prolifération de cellules immunes et de l’activation des voies de signalisation inflammatoires du facteur nucléaire κB (NF-κB) et de la protéine kinase activée par mitogène (MAPK), toutes deux stimulées par l’IL-1β. La compilation de ces données a permis de déceler certaines tendances entre la structure, la conformation et l’activité anti-IL-1β des peptidomimétiques. / In this thesis, I present my studies toward the synthesis, characterisation and biological evaluation of different series of analogues of the D-heptapeptide called 101.10, a negative allosteric modulator of the interleukin-1β (IL-1β) receptor. Considering that peptides generally exhibit poor pharmacological properties, the objective of this project consisted in: the examination of the peptidic structures essential to elicit bioactivity; the investigation of the three-dimensional arrangement of these moieties; and the improvement of the “drug-like” properties of the parent peptide. The optimisation strategies that were used include: N- and C-terminal truncation; positional scanning using monocycles such as proline, α-amino-γ-lactam (Agl), β-amino-γ-lactam (Bgl) and α-amino-β-hydroxy-γ-lactam (Hgl); and backbone rigidification with indolizidin-2-one (I2aa). Moreover, in order to validate certain structure-activity relationships, further modifications were performed on the peptide: substitution of threonine for valine, exchange of stereochemistry, and substitution of certain side-chain for a methyl group. Lastly, due to divergent behaviour between peptide samples obtained from different sources, studies on the identity of the counter-anion and on the sample purity were conducted. In order to evaluate the influence of these modifications on the aqueous conformation and on the biological activity of the peptide, circular dichroism analyses and in vitro tests measuring the inhibition of certain IL-1β-mediated effects were performed. These cellular assays comprised the inhibition of IL-1β-stimulated proliferation of immune cells, as well as activation of the inflammatory pathways of nuclear factor κB (NF-κB) and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways. Compiling these data revealed certain trends existing between the structure, conformation and anti-IL-1β activity of the peptidomimetics.

Dans ce mémoire, je présente mes études sur la synthèse, la caractérisation et l’évaluation biologique de différentes séries d’analogues du D-heptapeptide appelé 101.10, un modulateur négatif allostérique du récepteur de l’interleukine-1β (IL-1β). Sachant que les peptides ont généralement de faibles propriétés pharmacologiques, le but de ce projet portait sur l’examen des structures nécessaires à la bioactivité, la conformation tridimensionnelle de ces derniers afin d’améliorer la droguabilité du peptide parent. Les stratégies d’optimisation du 101.10 utilisées furent : la coupure N- et C-terminale; la substitution par la proline, α-amino-γ-lactame (Agl), β-amino-γ-lactame (Bgl) et α-amino-β-hydroxy-γ-lactame (Hgl); et la rigidification du squelette à l’aide d’un bicycle, l’indolozidin-2-one (I2aa). Afin de clarifier certaines relations de structure-activité, quelques modifications furent apportées au peptide, incluant l’échange de la thréonine pour la valine, la permutation de la stéréochimie de certains résidus clés ainsi que le remplacement de certaines chaînes latérales par un méthyle. Pour pallier aux difficultés de reproductibilité des résultats avec des échantillons provenant de différentes sources, des études sur l’identité du contre-anion et la pureté du peptide furent conduites. Afin d’évaluer l’effet des modifications sur la conformation aqueuse et l’activité biologique du peptide, des analyses de dichroïsme circulaire et des tests in vitro mesurant l’inhibition de certains effets de l’IL-1β furent effectués. Ces essais cellulaires comportaient l’inhibition de la prolifération de cellules immunes et de l’activation des voies de signalisation inflammatoires du facteur nucléaire κB (NF-κB) et de la protéine kinase activée par mitogène (MAPK), toutes deux stimulées par l’IL-1β. La compilation de ces données a permis de déceler certaines tendances entre la structure, la conformation et l’activité anti-IL-1β des peptidomimétiques. / In this thesis, I present my studies toward the synthesis, characterisation and biological evaluation of different series of analogues of the D-heptapeptide called 101.10, a negative allosteric modulator of the interleukin-1β (IL-1β) receptor. Considering that peptides generally exhibit poor pharmacological properties, the objective of this project consisted in: the examination of the peptidic structures essential to elicit bioactivity; the investigation of the three-dimensional arrangement of these moieties; and the improvement of the “drug-like” properties of the parent peptide. The optimisation strategies that were used include: N- and C-terminal truncation; positional scanning using monocycles such as proline, α-amino-γ-lactam (Agl), β-amino-γ-lactam (Bgl) and α-amino-β-hydroxy-γ-lactam (Hgl); and backbone rigidification with indolizidin-2-one (I2aa). Moreover, in order to validate certain structure-activity relationships, further modifications were performed on the peptide: substitution of threonine for valine, exchange of stereochemistry, and substitution of certain side-chain for a methyl group. Lastly, due to divergent behaviour between peptide samples obtained from different sources, studies on the identity of the counter-anion and on the sample purity were conducted. In order to evaluate the influence of these modifications on the aqueous conformation and on the biological activity of the peptide, circular dichroism analyses and in vitro tests measuring the inhibition of certain IL-1β-mediated effects were performed. These cellular assays comprised the inhibition of IL-1β-stimulated proliferation of immune cells, as well as activation of the inflammatory pathways of nuclear factor κB (NF-κB) and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways. Compiling these data revealed certain trends existing between the structure, conformation and anti-IL-1β activity of the peptidomimetics.

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