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

Le 134Cs et le 137Cs, isotopes radioactifs du césium relâchés entre autres à la suite des accidents de Tchernobyl et Fukushima, sont des sources de préoccupations majeures pour la sécurité sanitaire et la protection des écosystèmes. La contamination des plantes est liée en partie à leur capacité à absorber le césium présent dans la solution du sol via des transporteurs. Le césium emprunte en effet, au moins en partie, le système de transport potassique sans disposer de transporteurs qui lui sont spécifiques. Il existe une grande diversité de transporteurs potassiques et la part du flux total qu’ils prennent en charge dépend du niveau de potassium fourni à la plante. Nous avons fait varier ce niveau et étudié son impact sur l’absorption et la distribution du césium dans la plante. Outre les phénomènes de compétition existant entre les deux éléments, le type de transporteurs dominant à un niveau de potassium donné a également une influence sur le transport du césium. Nous avons ainsi pu mettre en évidence des familles de transporteurs potassiques ayant de plus fortes chances d’être impliquées dans le transport de césium. Ainsi, les résultats produits pendant cette thèse mettent en évidence le rôle in planta du transporteur KUP9, jusque-là peu étudié, dans les flux de césium chez Arabidopsis thaliana. Nous n’observons pas de modifications de l’absorption du potassium chez les mutants invalidés sur ce transporteur : il serait donc possible de le manipuler pour moduler l’absorption de césium sans que la nutrition potassique ne soit altérée. / 134Cs and 137Cs, two radioactive isotopes unintentionally released after the Chernobyl and the Fukushima accidents, are of major concern for ecosystems protection and human health. Plants contamination is due to their ability to absorb cesium from the soil solution via transporters. Indeed, cesium which is supposed to have no role in plants can pass through potassium transporters. Proteins involved in potassium transport are diverse and the part of fluxes covered by each of them depends on the level of potassium supplied to the plant. We tested the effects of this level on uptake and distribution of cesium into the plant. Beside competition between the two elements, transporters which are dominant for a given potassium supply condition modify the cesium transport. Making the link between these modifications and knowledge on identity and properties of potassium transporters, we highlighted candidates with high potential for cesium transport. Hence, results produced during my thesis demonstrate in planta the role of KUP9 transporter, which has received little attention so far, in cesium fluxes in Arabidopsis thaliana. Changing in potassium uptake has not been observed in mutant lines disrupted in this KUP9 transporter suggesting interestingly that it could be possible to modulate cesium uptake without alteration of potassium nutrition.

Le soufre est un macronutriment essentiel contribuant à l’élaboration du rendement et de la qualité des graines. Chez les espèces modèles M. truncatula et Arabidopsis, les gènes associés à la réduction du sulfate et à la biosynthèse des acides aminés soufrés sont exprimés dans l’embryon lors du remplissage de la graine, soulignant l’importance du transport de sulfate jusqu’à ce tissu. Chez M. truncatula, trois gènes codant des transporteurs de sulfate putatifs, MtSultr3;5, MtSultr2;2, et MtSultr4;1, sont fortement exprimés dans la graine. Le criblage des populations de mutants disponibles a permis d’identifier des mutants Tnt1 et EMS pour ces gènes. Cette étude a parallèlement été élargie à la caractérisation de mutants ADN-T d’Arabidopsis pour les cinq transporteurs de sulfate du groupe 3 (de la membrane plasmique) et pour SULTR4;1 (vacuolaire), dont les gènes s’expriment dans la graine en développement. Un rôle des transporteurs du groupe 3 dans les échanges de sulfate à l’intérieur de la graine a été mis en évidence. En particulier, l’analyse du protéome des graines de ces mutants a révélé un défaut d’accumulation des formes processées des protéines de réserve au sein de l’embryon (sultr3;5) et des modulations spécifiques de la composition protéique suggérant l’utilisation de sources alternatives de soufre (sultr3;4). Enfin, les résultats contrastés obtenus pour le mutant sultr4;1 suggèrent un rôle de l’efflux de sulfate des vacuoles pour le maintien de l’homéostasie redox lors du développement de la graine. / Sulfur is an essential macronutrient contributing to crop yield and seed quality. In the model species M. truncatula and Arabidopsis, genes involved in sulfate reduction and sulfur amino acid biosynthesis are expressed in the embryo during seed filling, underlying the importance of sulfate transport until this tissue. In M. truncatula, three genes encoding putative sulfate transporters, MtSultr3;5, MtSultr2;2, et MtSultr4;1, are strongly expressed in seeds. By screening mutant collections, we identified Tnt1 and EMS mutants for these genes. In parallel, this study was extended to the characterization of Arabidopsis T-DNA mutants for the five sulfate transporters belonging to group 3 (plasmalemma-located) and SULTR4;1 (vacuolar), whose genes are expressed in developing seeds. A role of the group 3 sulfate transporters in sulfate exchange between seed tissue was revealed. In particular, seed proteome analysis for these mutants revealed a reduced accumulation of storage protein processing within the embryo (sultr3;5), and specific modulations of protein composition suggesting the utilization of alternative sulfur sources (sultr3;4). Finally, contrasted results obtained for the sultr4;1 mutant suggest a role of sulfate efflux from vacuole for maintaining redox homeostasis during seed development.

Le cerveau et la moelle épinière adultes sont câblés pour traiter l’information sensorielle et la transformer en patrons d’activité cohérents qui forment la base de la perception du monde extérieur et de la motricité. Ces connexions très précises, loin d’être complètement établies à la naissance, sont affinées par l’activité électrique. Des activités spontanées (AS) peuvent être générées en l’absence de stimulation extrinsèque au système considéré. Au niveau de la moelle épinière, les AS sont responsables des mouvements spontanés et des tremblements myocloniques observés chez tous les mammifères immatures y compris chez l’humain. Elles constituent en quelque sorte les premiers pas du réseau locomoteur, ce qui signifie d’une part, qu’elles apparaissent avant l’émergence d’une activité de type locomotrice, et d’autre part, qu’elles participent à la mise en place et au raffinement d’un réseau moteur fonctionnel. La locomotion est générée par des réseaux de neurones localisés au niveau de la moelle épinière lombaire. Ces neurones constituent le générateur de rythme locomoteur (ou CPG, pour « central pattern generator »). Contrairement aux AS, l’activité locomotrice est déclenchée par une stimulation du réseau. Le patron locomoteur de décharges rythmiques est alterné de chaque côté de la moelle spinale, et entre les racines lombaires qui innervent des muscles extenseurs et fléchisseurs. / The mature brain and spinal cord are precisely wired to process sensory information into coherent patterns of activity that form the basis of our perception and motor behaviors. This precise wiring is not fully developed at birth. The pattern of connections that emerges during prenatal development only roughly approximates the final wiring. This initially coarse pattern of connections is subsequently refined by activity-dependent mechanisms that match precisely the presynaptic neurons to their appropriate target cells. In spinal cord, spontaneous activity (SA) is responsible for spontaneous limb movements and myoclonic twitching observed in all immature mammals, including human babies. SA can be seen as the first steps of the locomotor network since its participates in the development of the locomotor system.Locomotion is produced by neural networks located in the spinal cord (Central Pattern Generators (CPGs). Activation of CPGs, evokes a fictive locomotor pattern consisting of alternation between the motor bursts on the left and right sides of the spinal cord, as well as alternation between flexor and extensor bursts on the same side. Operation of neural networks depends on the balance between excitation and inhibition. At early stages of development, neuronal assemblies are hyperexcitable mainly because of GABA and glycine, the major inhibitory neurotransmitters in adults,that are depolarizing. GABA and glycine action depends on the intracellular concentration of chloride ([Cl-]i) which is finely regulated by specific cation-chloride co-transporters, called KCC2 and NKCC1.

ABCB4/MDR3 est le transporteur canaliculaire de la phosphatidylcholine. Il est exprimé à la membrane canaliculaire des hépatocytes et est essentiel à la sécrétion biliaire. Un défaut d’ABCB4 entraîne des pathologies hépatobiliaires, dont la PFIC3 (cholestase intrahépatique familiale progressive de type 3), caractérisée par une cholestase précoce qui progresse vers la cirrhose et l’insuffisance hépatique avant l’âge adulte. Dans la majorité des cas, la seule thérapie efficace est la transplantation hépatique. Cette thèse s’intéresse aux rôles de l’extrémité C-terminale dans la régulation de la stabilité et l’expression de ce transporteur au canalicule biliaire. Nous avons délété le motif Q-N-L de cette extrémité et montré que cette délétion affecte la stabilité d’ABCB4/MDR3 en augmentant son endocytose. Son interaction avec des protéines à domaines PDZ est alors étudiée. Nous avons montré une interaction par le motif Q-N-L avec la protéine à domaines PDZ, EBP50. Cette interaction est nécessaire pour l’expression canaliculaire et la stabilité du transporteur. / ABCB4 is a phosphatidylcholine translocator specifically expressed at the bile canalicular membrane of hepatocytes. Mutations of the ABCB4 gene cause progressive familial intrahepatic cholestasis type 3 (PFIC3), a rare genetic disease characterized by early onset of cholestasis and evolution to cirrhosis and liver failure before adulthood. Little is known regarding the molecular mechanisms which control the canalicular expression and membrane stabilization of ABCB4 in hepatocytes. The aim of this work was to study the role of the C-terminal domain of ABCB4 for its expression and stability. potential interaction with EBP50, a PDZ protein highly expressed in hepatocytes. The experimental approach consisted in the deletion of the QNL motif at the C-terminus of ABCB4. The truncation of the QNL motif leds to a reduction of ABCB4 stability by increasing its endocytosis. ABCB4 co-precipitated with EBP50, an interaction that required the QNL motif. This interaction plays a critical role in the canalicular expression and stabilization of ABCB4.

L’appréhension des mécanismes d’action biologiques des protéines membranaires nécessite de comprendre les interactions des xénobiotiques avec ces protéines et avec les membranes lipidiques. Les méthodes expérimentales sont parfois coûteuses et ne permettent d’obtenir que des informations partielles sur les interactions xénobiotiques-membrane-protéine. La modélisation moléculaire est une sérieuse alternative. Les simulations de dynamique moléculaire et de dynamique biaisées ont ouvert de nombreuses perspectives en permettant de décrire ces interactions moléculaires à l’échelle atomique. Grâce à des simulations de dynamique moléculaire, nous avons été capables de construire un modèle de transporteur humain ABC : ABCC4/MRP4. Cette protéine a été choisie pour sa présence dans le rein, notamment, et son importance clinique. Nous avons évalué l’influence du cholestérol sur cette protéine. L’étude de domaines spécifiques et l’impact d’un polymorphisme a été reliée à l’activité de transport de cette protéine. Nous avons également étudié l’interaction de xénobiotiques avec ce transporteur humain. Le cycle de transport des transporteurs ABC a été examiné afin de comprendre leur fonctionnement. L’incorporation de cholestérol a montré un impact significatif sur la protéine humaine ABCC4/MRP4 et sur les xénobiotiques étudiés. L’importance de domaines constituant la protéine ABCC4/MRP4 ainsi que l’importance de résidus individuels a clairement été prouvée. Nous avons également pu observer des intermédiaires du cycle de transport d’un transporteur ABC conjointement avec des changements structuraux. / Understanding the biological mechanisms of action of membrane proteins requires the comprehension of the interactions of xenobiotics with these proteins and with lipid membranes. Experimental methods are often demanding and only partially respond to xenobiotic-membrane-protein interactions. In silico molecular modeling is a serious alternative to tackle these issues. Molecular dynamics (MD) and biased dynamics simulations have opened many perspectives by providing an atomistic description of these intermolecular interactions. Using MD simulations, we built a model of the human ABC ABCC4/MRP4 transporter. We explored the influence of cholesterol on this protein as well as the impact of a polymorphism known to shut down the transport activity of this protein. We also studied the interaction of xenobiotics with this human transporter. The transport cycle of the ABC transporters was investigated in an attempt to better understand how it works.Interactions between lipid membranes and xenobiotics were explored by examining their ability to incorporate lipid membranes. Lipid mixtures with cholesterol showed a significant impact on the human protein ABCC4/MRP4 and on the xenobiotics studied. The importance of regions, domains constituting the ABCC4/MRP4 protein as well as the importance of specific residues has been clearly demonstrated. We also observed intermediates in the transport cycle of an ABC transporter in conjunction with structural changes occurring during this cycle.

La fumée de cigarette peut endommager plusieurs organes de notre organisme, causant des maladies chroniques sévères et divers types de cancers. Elle interagit notamment avec les enzymes de métabolisme des médicaments de phase I et II, et contribue ainsi à la perturbation de la pharmacocinétique de divers médicaments chez les fumeurs. Les transporteurs membranaires sont des acteurs majeurs de l'absorption, la distribution et l'élimination de médicaments, et certains sont impliqués dans les interactions médicamenteuses. De plus, ils assurent le flux des molécules endogènes physiologiques vitales, et l'élimination de divers xénobiotiques toxiques non seulement chez les mammifères mais aussi chez les êtres unicellulaires, comme les levures. Ces transporteurs sont des cibles potentielles de la fumée de cigarette. D’où l'importance d'étudier l'interaction de la fumée de cigarette et de ses composés avec les transporteurs membranaires. Nos résultats démontrent que le condensat de fumée de cigarette (CSC) modifie l'activité fonctionnelle et/ou l'expression de plusieurs transporteurs hépatiques et rénaux in vitro dans des modèles cellulaires hépatiques et/ou non-hépatiques, notamment les OATPs (organic anion transporting polypeptide), l'OCT1 (organic cation transporter 1), la BCRP (breast cancer resistance protein) et l'OAT3 (organic anion transporter 3). Une implication remarquable du récepteur Ah (AhR) est mise en évidence dans la régulation de l'expression de certains transporteurs comme la MRP4 (multidrug resistance-associated protein), la BCRP, l'OAT2 et l'OCT1 dans des cellules HepaRG exposées au CSC. De plus, chez la levure Saccharomyces cerevisiae, le CSC inhibe l'activité d'efflux notamment des transporteurs de la rhodamine 123 et de la caféine, et induit, après trois heures, leur expression avec d'autres gènes qui sont aussi impliqués dans la résistance aux xénobiotiques comme les transporteurs de la membrane plasmique le Pdr5, le Snq2, le Pdr10, le Pdr15 et le Tpo1. Enfin, un effet inhibiteur remarquable des amines aromatiques hétérocycliques (AAH) est mis en évidence in vitro, notamment celui de Trp-P-1 et de Trp-P2 sur l'activité des transporteurs OCT1 et OCT2. De plus, les données in silico suggèrent que des descripteurs moléculaires des AAH comme l'AMW (average molecular weight), la qnmax (maximum negative charge) et le SPP (submolecular molarity parameter), sont des paramètres cruciaux de l'inhibition commune des OCT1, OCT2 et OCT3 par les AAH. Le CSC est donc un modulateur bifonctionnel, qui peut intervenir dans la régulation de l'activité et de l'expression des transporteurs membranaires hépatiques et rénaux, ainsi que ceux chez la levure. De telles interactions peuvent contribuer à l'altération de la pharmacocinétique des médicaments et des composés endogènes chez les fumeurs, d’où l'évaluation de l'exposition hépatique et rénale au CSC demeure indispensable. / Cigarette smoke can damage every part of our body, causing severe chronic diseases and various types of cancers. It also interacts with drug metabolizing enzymes of phase I and II, and thus contributes to pharmacokinetics disruption of various drugs in smokers. Membrane drug transporters are major actors involved in drugs absorption, distribution and elimination, and some are involved in drug-drug interactions. In addition, membrane drug transporters ensure the flow of vital physiological endogenous molecules, and the elimination of various toxic xenobiotics, not only in mammals but also in unicellular organisms, especially in yeasts. Therefore, this indicates the importance of studying the interaction of cigarette smoke and its contained chemicals with drug transporters. Our results demonstrate that cigarette smoke condensate (CSC) modifies the functional activity and / or expression of several hepatic and renal transporters in vitro in hepatic and / or non-hepatic cellular models, including OATPs (organic anion transporting polypeptide), OCT1 (organic cation transporter 1), BCRP (breast cancer resistance protein) and OAT3 (organic anion transporter 3). A remarkable implication of Ah receptor (AhR) was also demonstrated in MRP4 (multidrug resistance-associated protein), BCRP, OAT2 and OCT1 expression regulation in HepaRG cells exposed to CSC. In addition, in Saccharomyces cerevisiae, CSC inhibits the efflux activity of at least the rhodamine 123 and caffeine transporters, and induces, after three hours, their expression and that of others involved in xenobiotic resistance such as plasma membrane transporters Pdr5, Snq2, Pdr10, Pdr15 and Tpo1. Finally, a remarkable inhibitory effect of heterocyclic aromatic amines (HAA) is demonstrated in vitro, in particular that of Trp-P-1 and Trp-P-2 on the activity of OCT1 and OCT2. In addition, in silico data suggest that molecular descriptors of HAA such as AMW (average molecular weight), qnmax (maximum negative charge) and SPP (submolecular molarity parameter), may represent crucial parameters for common inhibition of OCT1, OCT2 and OCT3 transporters by HAA. Thus, CSC acts as bifunctional modulator, which can regulate activity and expression of hepatic and renal drug transporters as well as some membrane transporters in yeasts. Such interactions may contribute to the alteration of the pharmacokinetics of drugs and endogenous compounds in smokers, hence the evaluation of hepatic and renal exposure to CSC remains essential.

Les transporteurs membranaires jouent un rôle primordial dans la pharmacocinétique de médicaments mais aussi dans le transport de composés endogènes. La maîtrise de modèle in vitro permettant d’évaluer leur implication dans des interactions médicamenteuses, notamment au niveau hépatique, est donc primordiale. L’utilisation de ces modèles permettra aussi de déterminer l’impact potentiel de contaminants environnementaux, comme les particules diesel, sur l’expression fonctionnelle de transporteurs. Nos résultats démontrent la fiabilité de modèles hépatocytaires (hépatocytes et cellules d’hépatome HepaRG) en culture monocouche pour l’étude du transport membranaire de médicaments. Grâce à ces modèles, nous avons mis en évidence que des extraits de particules diesel (DEPe) peuvent modifier l’expression et/ou la fonction de transporteurs membranaires hépatiques, les Organic Anion Polypeptide Transporter (OATP) et les Multidrug Resistance associated Protein (MRP). Au niveau pulmonaire, les DEPe peuvent aussi augmenter l’expression du complexe LAT1/CD98hc, un complexe protéique de transport d’acides aminés souvent associé à de mauvais pronostics dans les cas de cancer du poumon. En conclusion, nos résultats mettent en évidence que les DEPe peuvent intervenir dans la régulation de l’activité et de l’expression de transporteurs membranaires tant au niveau hépatique qu’au niveau pulmonaire. / Membrane transporters play a major role in the pharmacokinetic of drugs and in the transport of endogenous compounds. The development of in vitro models for the study of their expression and activity is therefore important to consider, notably for analyzing their interactions with drugs or environmental contaminants such as diesel exhaust particles. Our results demonstrated the reliability of hepatocytic cells (hepatocytes and highly differentiated hepatoma HepaRG cells) in monolayer culture for the study of membrane transport of drugs. Using these models allowed us to demonstrate that extracts of diesel exhaust particles (DEPe) can alter the expression and / or function of major liver transporters such as organic anion transporting polypeptides (OATP) and Protein Multidrug associated Resistance (MRP). In lung cells, DEPe can increase the expression of complex LAT1 / CD98hc a protein complex, that is associated with poor prognosis in lung cancer. In conclusion, our results demonstrated that DEPe can regulate activity and expression of membrane transporters at hepatic and lung level.

Le glioblastome (GBM) est le cancer du cerveau le plus fréquent et grave chez l’adulte. Son pronostic sombre est en partie dû à la résistance de ces tumeurs aux chimiothérapies. L’une des principales causes de ces résistances est l’incapacité des chimiothérapies à pénétrer dans le cerveau depuis le sang à cause de la barrière hémato-encéphalique (BHE), une spécificité des vaisseaux sanguins cérébraux. Par l’injection de microbulles et l’envoi d’ultrasons dans le cerveau, il est possible d’ouvrir cette BHE pour permettre à des chimiothérapies d’entrer dans le cerveau. Nous avons montré quela chimiothérapie carboplatine gagnait en efficacité lorsqu’elle était injectée après ce procédé. Les GBM peuvent aussi montrer une résistance aux chimiothérapies par des mécanismes génétiques intrinsèques à la tumeur. Nous avons étudié l’expression et l’impact sur le pronostique des patients atteints de GBM des gènes de la famille des transporteurs ABC, dont le membre ABCA13 s’est avéré important. / Glioblastoma (GBM) is the most frequent and severe brain cancer for adults. Its dark prognosis in partly due to the resistance of these tumors to chemotherapies. One of the main causes of these resistances is the incapacity of chemotherapies to enter the brain from the blood circulation because of the bloodbrain barrier (BBB), a specificity of cerebral blood vessels. By the injection of microbubbles and the delivery of ultrasound into the brain, it is possible to open this BBB to allow chemotherapies to enter the brain. We have showed that the chemotherapeutic agent carboplatin gained efficacy when it was injectedafter this procedure. GBM can also exhibit resistance to chemotherapies by genetic mechanisms intrinsic to the tumor. We studied the expression and the impact on prognosis for GBM patients of the genes of the ABC transporters family, which member ABCA13 appeared important.

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