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

Le 1er transfert de brin, étape cruciale de la transcription inverse impliquant la protéine de nucléocapside du VIH-1 (NC), repose sur l’appariement de la séquence r de l’ADN « strong stop » (ADNss) avec la séquence 3’ R de l’ARN viral (3’UTR) qui forme les tiges-boucles TAR et polyA. La séquence r est supposé former les tiges-boucles cTAR et cpolyA. Le transfert repose donc probablement sur l’hybridation de molécules structurées. La structure secondaire de l’ADNss n’a jamais été déterminée. L’objectif a été d’identifier les interactions et structures gouvernant l’hybridation de l’ADNss avec l’ARN 3’UTR. Les outils de la biologie moléculaire et trois sondes de structure ciblant l’ADN ont été utilisés pour atteindre cet objectif. Nos résultats sont les suivants : 1) l’ADN cTAR nu se replie sous la forme de deux conformations différentes qui sont en équilibre ; 2) la NC peut déplacer l’équilibre vers l’une des conformations et se fixer préférentiellement sur la boucle interne du cTAR ; 3) la NC est exigée pour former un hétéroduplex constitué de l’intégralité de l’ADNss et du 3’ UTR ; 4) l’hybridation ADNss-3’UTR peut être initiée à partir de plusieurs sites dans 0,2 mM MgCl2 ; 5) l’ADNss forme deux conformations en équilibre dans 0,2 mM MgCl2 et principalement une seule dans 2 mM MgCl2 ; 6) dans l’ADNss, la NC se fixe préférentiellement au niveau de la région simple-brin qui relie les tiges-boucles cTAR et cpolyA. Cette fixation joue probablement un rôle important dans l’hybridation des tiges-boucles ARN et ADN complémentaires. Notre étude permet de mieux comprendre la transcription inverse et la recombinaison qui dépend du transfert de brin interne. / The 1st strand transfer, a crucial step of reverse transcription involving the HIV-1 nucleocapsid protein (NC), relies on base pairing of the r sequence of strong-stop DNA (ssDNA) with the 3’ R sequence of viral RNA (3’ UTR) which forms the TAR and polyA stem-loops. The r sequence can form the cTAR and cpolyA stem-loops. Therefore, the transfer relies probably on annealing of folded molecules. This process is not well known at the molecular and structural level. The tools of molecular biology and three DNA-targeted probes were used to get insights into the annealing process. Our results were the following: 1) in the absence of NC, the cTAR DNA folds into two distinct conformations in equilibrium; 2) NC slightly shifts the equilibrium toward one conformation and binds tightly the internal loop of the cTAR hairpin; 3) NC is required for the formation of heteroduplex of the full-length ssDNA and 3’ UTR; 4) the annealing of ssDNA to 3’ UTR can be initiated from different sites in the presence of 0.2 mM MgCl2; 5) the full-length ssDNA folds into two conformations in equilibrium in 0.2 mM MgCl2 but mainly into one conformation in 2 mM MgCl2 ; 6) NC preferentially binds to the single-stranded region between the cTAR and cpolyA hairpins in ssDNA. This binding site probably plays an important role in the annealing of complementary DNA and RNA hairpins. This study helps us to gain insights into the reverse transcription process and the associated genetic recombination.

Le travail retranscrit dans cette thèse regroupe l'étude de différents processus biologiques impliquant les ARN de transfert. Premièrement, dans le cadre de l'étude du rôle de la protéine de nucléocapside (NC) dans la formation du complexe d'initiation de la transcription inverse du VIH-1, un site de fixation fort et spécifique de la NC a été identifié sur le bras D de l'ARNtLys3 — l'ARNt servant d'amorce à la transcriptase inverse lors de la synthèse du brin d'ADNc(-). Cette fixation permet d'une part la fusion des interactions tertiaires entre les bras T et D de l'ARNtLys3 et pourrait d'autre part être l'un des facteurs déplaçant l'équilibre vers la formation de l'hybride ARNtLys3/ARN viral. L'étude structurale par RMN du complexe NC/bras D s'est heurtée à des problèmes d'échange chimique dans la gamme intermédiaire–rapide de l'échelle de temps spectrale. L'utilisation de séquences de type CPMG–HSQC a permis d'améliorer le rapport signal/bruit des expériences RMN, et particulièrement celui des signaux des résidus de l'interface. Ceci nous a permis d'identifier les résidus de la NC impliqués dans la reconnaissance du bras D. Deuxièmement, la structure de la m1A58 méthyltransférase de T. thermophilus (TrmI) — une enzyme de modification des ARNt — a été résolue par cristallographie et affinée à 1.7 Å. Ceci a permis d'identifier trois résidus potentiellement impliqués dans la catalyse et/ou la reconnaissance du substrat ARNt (D170, Y78 et Y194). La production de variants de TrmI au niveau de ces résidus ainsi que des études d'amarrage moléculaire d'une adénine au site actif ont permis de confirmer cette hypothèse et de proposer un rôle catalytique pour chacun d'eux. Parallèlement, des études par gel natif et par spectrométrie de masse en conditions non dénaturantes ont montré une stoechiométrie 1/2 pour le complexe entre l'enzyme TrmI tétramérique et le substrat ARNt. Troisièmement, la résolution de la structure cristallographique de l'ARNtfMet initiateur d'E. coli a révélé une conformation unique de la région de l'anticodon. Cette conformation unique est associée au paires GC de la tige anticodon, caractéristiques des ARNt initiateurs. Cette conformation particulière — dans laquelle la base A37 ne vient pas s'empiler entre les bases 36 et 38, comme dans tous les ARNt élongateurs — permet de mettre en lumière de nombreux résultats biochimiques de la littérature et suggère un mécanisme par lequel la machinerie de l'initiation de la traduction pourrait discriminer l'ARNt initiateur de tous les ARNt cellulaires.

La génération contrôlée et à haut débit de gouttes de volume caractéristique un nanolitre dans des canaux microfluidiques permet le suivi simultané de réactions dans des centaines de microréacteurs. En particulier, l'encapsulation d'une cellule par goutte ouvre la voie de l'étude de populations hétérogènes d'organismes biologiques au niveau de la cellule unique. Cette thèse décrit, dans une première partie, le développement d'un microsystème dédié à la mesure haut débit de l'expression de gênes d'intérêt de cellules individuelles isolées dans des gouttes, par la méthode de transcription inverse suivie d'une réaction de polymérisation en chaîne en temps réel. Dans une deuxième partie, la technologie de gouttes est mise à profit pour une étude fondamentale originale des transferts de masse entre une phase dispersée et une phase porteuse. Nous illustrons ce chapitre par deux applications de l'extraction liquide-liquide dans des microgouttes : la première concerne l'extraction du zinc sous forme ionique, la deuxième présente les premières étapes de la purification de l'ARN. Enfin, la dernière partie constitue une ouverture sur les applications potentielles de la génération d'émulsions micrométriques complexes pour la vectorisation de médicaments ou de vaccins par phagocytose.

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

La qPCR est actuellement la technique de référence en matière de quantification d'ADN. Elle peut être définie comme une amplification exponentielle, cyclique et ciblée de la séquence d'ADN cible. Le caractère exponentiel de la qPCR est à la fois à l'origine de la sensibilité de la méthode mais aussi d'une potentielle variabilité inter-échantillons. Cette variabilité est compensée par le caractère cyclique de la méthode qui entraine une synchronisation de la réaction pour tous les échantillons à chaque cycle. L'amplification ciblée de la séquence choisie traduit quand à elle la spécificité de la méthode. Néanmoins, cette dernière propriété de la PCR reste la moins vérifiée. La spécificité de la qPCR est indiscutable lorsque la cible à détecter se trouve en quantité suffisante (>100 copies environ). En revanche, pour des quantités plus faibles ou en présence d'inhibiteurs, la spécificité diminue ou disparaît (limites de détection et de quantification). Cette perte de spécificité retentit de façon significative sur la précision et la reproductibilité du dosage à réaliser. Cependant, si l'hybridation non spécifique est inéluctable dans ces conditions, l'amplification non spécifique consécutive peut être limitée, voire supprimée au moyen d'amorces de PCR soit plus spécifiques, soit moins susceptibles de générer des différences inter-échantillons. La RT-qPCR, grâce à une étape initiale de transcription inverse (conversion d'un ARN en un ADN complémentaire) permet la quantification des ARN. Cependant, la transcription inverse reste moins reproductible que la PCR, générant des différences inter-échantillons délétères en diagnostic comme en recherche. Au cours de ces travaux, je propose des méthodes originales améliorant de façon significative différentes étapes de ces techniques. Premièrement, je propose une amélioration de la standardisation de l'étape de transcription inverse capable de diminuer de façon significative la variabilité inter-échantillons ; l'utilisation d'un volume constant d'extrait d'ARN pour chaque échantillon améliore considérablement la précision de la quantification d'ARN messagers. Deuxièmement, je propose une modification des amorces par incorporation de résidus d'acides nucléiques bloqués (LNA) ; cette modification permet d'augmenter la spécificité des amorces aux limites de la détection. Enfin, je propose une méthode simple et économique permettant la mesure directe de la température de fusion (Tm) dans les conditions réelles de la PCR. Ce paramètre, considéré comme capital pour la réalisation des dosages par qPCR, est généralement obtenu par des méthodes prédictives peu précises. De plus, cette méthode doit permettre de déterminer précisément les paramètres thermodynamiques des amorces (∆G, ∆H et ∆S) et ainsi avoir accès d'une part au pourcentage réel d'amorces hybridées en fonction de la température et d'autre part d'identifier la susceptibilité des amorces aux inhibiteurs.

La qPCR est actuellement la technique de référence en matière de quantification d'ADN. Elle peut être définie comme une amplification exponentielle, cyclique et ciblée de la séquence d'ADN cible. Le caractère exponentiel de la qPCR est à la fois à l'origine de la sensibilité de la méthode mais aussi d'une potentielle variabilité inter-échantillons. Cette variabilité est compensée par le caractère cyclique de la méthode qui entraine une synchronisation de la réaction pour tous les échantillons à chaque cycle. L'amplification ciblée de la séquence choisie traduit quand à elle la spécificité de la méthode. Néanmoins, cette dernière propriété de la PCR reste la moins vérifiée. La spécificité de la qPCR est indiscutable lorsque la cible à détecter se trouve en quantité suffisante (>100 copies environ). En revanche, pour des quantités plus faibles ou en présence d'inhibiteurs, la spécificité diminue ou disparaît (limites de détection et de quantification). Cette perte de spécificité retentit de façon significative sur la précision et la reproductibilité du dosage à réaliser. Cependant, si l'hybridation non spécifique est inéluctable dans ces conditions, l'amplification non spécifique consécutive peut être limitée, voire supprimée au moyen d'amorces de PCR soit plus spécifiques, soit moins susceptibles de générer des différences inter-échantillons. La RT-qPCR, grâce à une étape initiale de transcription inverse (conversion d'un ARN en un ADN complémentaire) permet la quantification des ARN. Cependant, la transcription inverse reste moins reproductible que la PCR, générant des différences inter-échantillons délétères en diagnostic comme en recherche. Au cours de ces travaux, je propose des méthodes originales améliorant de façon significative différentes étapes de ces techniques. Premièrement, je propose une amélioration de la standardisation de l'étape de transcription inverse capable de diminuer de façon significative la variabilité inter-échantillons ; l'utilisation d'un volume constant d'extrait d'ARN pour chaque échantillon améliore considérablement la précision de la quantification d'ARN messagers. Deuxièmement, je propose une modification des amorces par incorporation de résidus d'acides nucléiques bloqués (LNA) ; cette modification permet d'augmenter la spécificité des amorces aux limites de la détection. Enfin, je propose une méthode simple et économique permettant la mesure directe de la température de fusion (Tm) dans les conditions réelles de la PCR. Ce paramètre, considéré comme capital pour la réalisation des dosages par qPCR, est généralement obtenu par des méthodes prédictives peu précises. De plus, cette méthode doit permettre de déterminer précisément les paramètres thermodynamiques des amorces (∆G, ∆H et ∆S) et ainsi avoir accès d'une part au pourcentage réel d'amorces hybridées en fonction de la température et d'autre part d'identifier la susceptibilité des amorces aux inhibiteurs. / QPCR is currently the gold standard for DNA quantification of DNA. It can be defined as an exponential, cyclic and targeted amplification of a known DNA sequence. The exponential character of qPCR is both the cause of the sensitivity of the method but also a potential variability between samples. This variability is offset by the cyclical nature of the method that causes a synchronization of the reaction for all samples in each cycle. The targeted amplification of the selected sequence translates the specificity of the method. Nevertheless, this last property of PCR remains the least tested. The specificity of qPCR is unquestionable when the target to detect is sufficient (> 100 copies). However, for smaller quantities or in the presence of inhibitors, the specificity decreases or disappears (limits of detection and quantification). This loss of specificity will have a significant effect upon the accuracy and reproducibility of the assay to be performed. However, if non-specific hybridizations are unavoidable in these conditions, consecutive nonspecific amplification may be limited or eliminated using more specific PCR primers or less likely to produce inter-sample differences. RT-qPCR allows RNA quantification because of an initial step of reverse transcription (conversion of an RNA into a complementary DNA). However, reverse transcription is less reproducible than PCR, generating harmful inter-sample differences both in diagnosis and in the research field. In this work, I propose innovative methods improving significantly different steps of these techniques. First, I propose an improved standardization of the reverse transcription step that can significantly reduce the variability between samples; using a constant volume of RNA extract for each sample substantially improves mRNA quantification accuracy. Second, I propose a primers modification by incorporating Locked Nucleic Acid residues (LNA); this modification increases the specificity of the primers to the limits of detection. Finally, I propose a simple and economical method for direct measurement of the melting temperature (Tm) in real PCR conditions. This essential parameter in the achievement of qPCR assays is generally obtained by predictive methods with low accuracy. Furthermore, this method should determine the thermodynamic parameters of the oligonucleotide sequence (∆G, ∆H and ∆S), on the one hand allowing access to the actual percentage of annealed primers according to the temperature and on the other hand, to identify the primers susceptibility in the presence of inhibitors.

Du fait de sa haute conservation et de ses fonctions clés dans le virus VIH-1, la protéine de la nucléocapside NC est une cible de choix pour développer de nouveaux anti-viraux. Bien que la compréhension mécanistique des propriétés chaperonnes de NC vis-à-vis des acides nucléiques ait connu d’importants progrès, les aspects dynamiques de ces propriétés restent mal comprises, faute notamment d’outils appropriés pour les suivre au niveau moléculaire. L’objectif de ce travail de thèse a été de caractériser au niveau moléculaire la dynamique des interactions de NC avec les acides nucléiques, à l’aide d’outils fluorescents développés au laboratoire ou en collaboration. En utilisant des peptides NC et des oligonucléotides marqués en différentes positions par des analogues fluorescents d’acides aminés et de nucléosides, respectivement, nous avons pu donner une image complète du processus dynamique sous-tendant le mécanisme chaperon de NC dans le second transfert de brins de la transcription inverse du cycle du VIH-1. Cette compréhension est fondamentale pour concevoir des stratégies rationnelles afin de cibler le rôle spécifique de NC dans ses interactions avec ses cibles nucléiques. / Due to its high conservation and key functions in the HIV-1 virus, the nucleocapsid protein NC is a potential target for the development of new anti-viral drugs. Although the mechanistic understanding of the NC nucleic acid chaperone properties has achieved a significant progress, the dynamic aspects of these properties remain poorly understood, mainly due to the lack of the appropriate tools to monitor them at the molecular level. The objective of this thesis was to characterize the dynamic interactions of NC with nucleic acids at the molecular level using new fluorescent tools developed in the laboratory or in collaboration. Using NC peptides and its target oligonucleotides labeled in different positions by fluorescent amino acid and nucleoside analogs, respectively, we were able to give a complete picture of the dynamic processes underlying the chaperone activity of NC in the second strand transfer of HIV-1 reverse transcription. This understanding is fundamental to design rational strategies in order to target the specific role of NC in interaction with its nucleic acid targets.

La protéine de nucléocapside du VIH-1 (NCp7) joue un rôle important dans plusieurs étapes du cycle viral. Ses interactions dans l’environnement intracellulaire dans les conditions proches d’une vraie infection sont peu décrites. L’objectif de ce projet de thèse a été de développer des approches d’imagerie permettant de suivre la NCp7 au cours des étapes précoces du cycle viral directement dans les cellules infectées. En analysant l’intensité des pseudovirus fluorescents nous avons montré un effet de « dequenching » de fluorescence témoignant d’une diminution de la concentration en NCp7 au sein des particules virales, résultant très probablement du relargage des molécules de nucléocapside à partir des complexes viraux. Ces résultats montrent pour la première fois la libération de la NCp7 dans le cytoplasme lors de la transcription inverse. Les pseudovirus NCp7-TC ont ensuite été imagés en haute résolution par microscopie PALM. Les images de distribution de la NCp7 marquée ont révélé la présence de la NCp7-TC à l'intérieur du noyau. Nous avons mis en evidence par microscopie électronique la presence de la NCp7-TC à proximité de pores nucléaires. / The nucleocapsid protein of HIV-1 (NCp7) plays an important role in several stages of the viral cycle. Its interactions in the intracellular environment under conditions close to true infection are not well described. The objective of this thesis project was to develop imaging approaches to monitor NCp7 during the early stages of the viral cycle directly in infected cells. By analyzing the intensity of the fluorescent pseudoviruses, we showed a fluorescence "dequenching" effect indicating a decrease in the NCp7 concentration within the virus particles, most likely resulting from the release of the nucleocapsid molecules from the viral complexes. These results show for the first time the release of NCp7 into the cytoplasm during reverse transcription. The pseudoviruses NCp7-TC were then imaged in high resolution by PALM microscopy. The distribution images of labeled NCp7 revealed the presence of NCp7-TC within the nucleus. We have demonstrated the presence of NCp7-TC in the vicinity of nuclear pores by electron microscopy.