Cystic Fibrosis (CF) is a life-threatening autosomal recessive disease affecting 1:3600 children born in Canada. CF is caused by mutations in the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) chloride channel. The most common disease causing mutation is a deletion of residue F508, resulting in a structurally compromised protein which is retained in the endoplasmic reticulum and targeted for proteasomal degradation. Therapeutic strategies currently being pursued to alleviate the afflictions caused by this and other mutants include the use of corrector compounds to modify the surface expression of the channel, and potentiator compounds to increase cAMP-mediated channel activity. Despite the discovery of a number of small molecules affecting CFTR, much is still unknown about the nature of these interactions. This thesis contains the investigation of two potentiators: VRT-532 and VX-770, and two correctors VX-809 and C18. We assessed the consequences of interactions with these drugs on CFTR channel activity, ATPase activity and phosphorylation. We demonstrated that VRT-532 binds directly to mutant CFTR to modify its channel and ATPase activity. VX-770, known to bind directly to CFTR, can stimulate channel activity in the absence of cAMP stimulation in baby hamster kidney (BHK) cells. Correctors VX-809 and C18, based off the same molecular scaffold, are both capable of acutely augmenting cAMP-stimulated channel activity, providing evidence for potentiator activities in these compounds. Quantitative mass spectrometry (MS) techniques demonstrate a defect in phosphorylation at Ser-660 in the regulatory (R) domain in the major mutant. Treatment with C18 was unable to repair this defect. These novel findings regarding interactions between several small molecules and CFTR contributes to the understanding of the mechanism of action of these compounds, and will help identify how they may be modified for greater efficacy to improve the treatment of CF disease.

Cystic Fibrosis (CF) is a life-threatening autosomal recessive disease affecting 1:3600 children born in Canada. CF is caused by mutations in the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) chloride channel. The most common disease causing mutation is a deletion of residue F508, resulting in a structurally compromised protein which is retained in the endoplasmic reticulum and targeted for proteasomal degradation. Therapeutic strategies currently being pursued to alleviate the afflictions caused by this and other mutants include the use of corrector compounds to modify the surface expression of the channel, and potentiator compounds to increase cAMP-mediated channel activity. Despite the discovery of a number of small molecules affecting CFTR, much is still unknown about the nature of these interactions. This thesis contains the investigation of two potentiators: VRT-532 and VX-770, and two correctors VX-809 and C18. We assessed the consequences of interactions with these drugs on CFTR channel activity, ATPase activity and phosphorylation. We demonstrated that VRT-532 binds directly to mutant CFTR to modify its channel and ATPase activity. VX-770, known to bind directly to CFTR, can stimulate channel activity in the absence of cAMP stimulation in baby hamster kidney (BHK) cells. Correctors VX-809 and C18, based off the same molecular scaffold, are both capable of acutely augmenting cAMP-stimulated channel activity, providing evidence for potentiator activities in these compounds. Quantitative mass spectrometry (MS) techniques demonstrate a defect in phosphorylation at Ser-660 in the regulatory (R) domain in the major mutant. Treatment with C18 was unable to repair this defect. These novel findings regarding interactions between several small molecules and CFTR contributes to the understanding of the mechanism of action of these compounds, and will help identify how they may be modified for greater efficacy to improve the treatment of CF disease.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is an ABC transporter family protein that acts as an ion channel. Mutations in CFTR cause the most common genetic disease in Caucasian populations, cystic fibrosis (CF). The high-resolution X-ray crystal structure of CFTR is now needed to aid the design of CFTR-targeted drugs for CF treatment and also to elucidate the molecular mechanisms behind its unique function as an ATP-ligand gated ion channel. However, until now, such structural studies have been severely limited by the lack of sufficient quantities of purified full-length CFTR protein. This thesis reports the novel over-expression and purification of milligram quantities of the chicken orthologue of CFTR protein from a Saccharomyces cerevisiae (yeast) expression system. A green fluorescent protein (GFP) tag fused to the CFTR C-terminus allowed rapid detection of the protein throughout the purification procedure. CFTR was expressed under an inducible promoter and appeared localised at, or near to, the plasma membrane, where it represented around 1 % of total protein after isolation in yeast microsomes. CFTR was solubilised from microsomes and purified using the detergents dodecylmaltoside (DDM) and lyso-phosphatidyl glycerol (LPG), by nickel affinity and size exclusion chromatography (SEC) to yield 1-2 mg of CFTR protein per 18 L fermentation culture. CFTR thermal stability was probed using fluorescent measurements to reveal a two-state cooperative unfolding transition around 40 °C for the DDM-purified protein, but no such transition was observed for the LPG-purified material. Light scattering and electron microscopy techniques revealed that, in LPG, CFTR was a homogenous population of monomeric particles around 60-Å in length that were soluble up to 8 mg/ml protein concentration. In DDM, CFTR was only soluble below 0.4 mg/ml protein concentration where is existed as a very heterogenous population of different sized amorphous particles, including dimeric particles around 180-Å in length. The DDM-purified CFTR protein could be crystallised as monomers in two-dimensional (2D) crystals with similar lattice parameters to 2D crystals of CFTR purified from mammalian cells. The ATPase activity of DDM-purified and reconstituted CFTR was similar to already published rates, at around 13 nmol Pi/min/mg integrated over a reaction time of 60 min, with an apparent affinity Km for ATP of 0.14 mM. Such a low ATPase rate compared to other ABC transporters may be due to the observed rapid run-down of activity with time and correlation with published CFTR channel gating kinetics. CFTR showed reduced ATPase activity after purification in LPG, suggesting a structural destabilisation in this detergent. The protocols presented here can now be used to provide sufficient quantities of purified CFTR protein for novel biochemical and biophysical studies. The tendency of CFTR to aggregate in a mild detergent remains a major obstacle towards 3D crystallisation trials and a high-resolution structure.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is one of the most studied membrane protein models because of its clear clinical significance. Mutations within the CFTR gene lead to cystic fibrosis, the most common autosomal recessive genetic disorder in the Caucasian population. CFTR, a large 160 kDa glycoprotein, is a chloride ion channel in the ABC superfamily of transporter proteins. Due to low natural abundance of CFTR and difficulties producing sufficient amounts in heterologous systems, the exact protein function/structure relationship is unknown. Expression of CFTR in E. coli is lethal and mammalian culture systems are expensive and low yielding. However, successful bioproduction of many complex human proteins has been shown in transgenic plants. Our research objective is to develop tobacco as a model system for expressing human CFTR. Constructs of full-length CFTR fused to the 35S double enhanced promoter could not be propagated in E. coli, suggesting that the CFTR product generated by "leaky" expression was detrimental to bacteria. Two strategies were undertaken to address the problem: 1) a plant intron was introduced into CFTR sequence and 2) a more tightly regulated wound-inducible promoter MeGATM was used. Tobacco was transformed with all constructs. CFTR presence was determined by polymerase chain reaction (PCR). Expression and intron splicing was analyzed by reverse transcriptase-PCR. Splicing did not occur presumably due to intron /exon contexts. In tobacco expressing MeGA:CFTR, however, novel high-molecular-weight membrane-associated proteins were immunodetected using anti-CFTR antibodies suggesting that tobacco may be capable of producing human CFTR. / Master of Science

La mucoviscidose est une maladie génétique due à des mutations du gène CFTR, conduisant à une altération de la fonction de canal à ions chlorure de la glycoprotéine transmembranaire CFTR associée à une atteinte pulmonaire sévère. Plusieurs études récentes ont amené à reconsidérer l’utilisation des vecteurs adénoviraux (Ad) de sérotype 5 (Ad5) dans la mucoviscidose, lesquels induisent non seulement des réactions immunes anti-adénovirales mais aussi des effets cytopathiques indésirables. (1) Dans une première partie de notre étude, nous avons étudié l’entrée et le transit intracellulaire de l’Ad5/F35, vecteur chimérique portant les fibres de l’Ad sérotype 35 sur une capside de sérotype 5. Nous avons montré que la protéine fibre est déterminante dans l’internalisation et le trafic intracellulaire de ce vecteur. Le vecteur Ad5/F35 exprimant la fusion GFP-CFTR s’est révélé (i) être dépourvu de cytotoxicité, (ii) transduire efficacement les cellules épithéliales pulmonaires par voie apicale, et (iii) restaurer l’activité de canal à chlorure dans les cellules CFTR(-). Il constitue donc un vecteur de transfert du gène CFTR potentiellement utilisable en thérapie génique de la mucoviscidose. (2) Dans une seconde partie, nous avons exploré une stratégie alternative de transfert de la protéine CFTR par trogocytose. Nous avons fait l’hypothèse que le canal CFTR pouvait être véhiculé par des microvésicules ou microparticules membranaires (MP) émanant de la membrane cellulaire et libérées dans le milieu de culture. En utilisant un système d’expression stable de la protéine CFTR étiquetée par la protéine fluorescente GFP (GFP-CFTR) dans des cellules donneuses, nous avons pu démontrer que les MP sont capables de prendre en charge et délivrer la protéine GFP-CFTR à des cellules réceptrices, mais ce transfert n’est assuré que par une population réduite de MP (≤ 8 %), et la durée de vie du GFP-CFTR n’est que transitoire (≤ 24h). En fait, la majorité des MP transfèrent des molécules d’ARN messager ou polysomal GFP-CFTR. La protéine GFP-CFTR néosynthétisée à partir de ces ARNm est exprimée plus tardivement (> 48h) mais de façon prolongée (≥ 10 jours). La fonctionnalité du canal CFTR ainsi néosynthétisé est en cours d’évaluation. Les MP constituent donc un nouveau type de vecteurs de transfert non génique du CFTR qui pourraient être employés en thérapie de la mucoviscidose. / The cystic fibrosis (CF) is a genetic disease due to mutations of the CFTR gene, resulting in the alteration of the Cl channel function carried by the transmembranal glycoprotein CFTR, and associated with severe pulmonary complications. Several recent studies led the medical and scientific community to reconsider the use of adenovirus serotype 5 (Ad5)-based vectors as CFTR gene transfer vectors in CF gene therapy. Not only immune response against the vector itself and the ansduced cells have been observed, but also Ad5-induced nondesired cytopathic effects. (1) In the first part of our study, we analyzed the cell entry and traficking of Ad5/F35, a chimeric vector consisting of serotype 5 capsid carrying serotype 35 fibers. We showed that the fibre protein is the major, if not only, determinant of the internalisation and entry pathway of Ad5/F35. Ad5/F35-GFP-CFTR, expressing the fusin protein GF-CFTR, was found (i) to be devoid of detectable cytopathic effect, (ii) efficiently transduced airway epithélial cells via the apical pole, and (iii) restore the Cl channel function in CF cells. Ad5/F35 therefore represents a CFTR gene transfer vector with a great potential for gene therapy of CF. (2) In the second part of our study, we have investigated an alternative strategy based on the transfer of the mature CFTR protein via trogocytosis. We hypothesized that microvesicles or microparticules (MP) issued from the cell membranes and released into the culture medium could transport and achieve the cell-to-cell transfer of CFTR channel cargo. We engineered donor cells for stable expression of GFP-tagged CFTR protein (GFP-CFTR), and showed that donor cell-issued MP were capable of delivering GFP-CFTR protein to recipient cell. However, the GFP-CFTR protein was only transferred by a limited population of MP (≤ 8 %), and was only transient (≤ 24h). In fact, the major population of MP transferred mRNAGFP-CFTR or polysomal thereof. Interestingly, the GFPCFTR protein newly synthesized from this mRNAGFP-CFTR was expressed at late times after transfer (≥ 48 h) but in a prolonged manner (≥ 10 jours). The Cl canal function after MP-mediated CFTR transfer is being evaluated. MP represent a novel type of CFTR vectors which can be produced by specifically designed autologous donor cells, and which would overcome most of the inconveniences of gene therapy using viral or nonviral vectors.

Depuis plusieurs décennies, l’étude des conséquences des mutations pathogéniques a permisnon seulement de définir l’origine de nombreuses maladies génétiques humaines, héréditaires ou non,mais également de contribuer à l’interprétation de la variabilité phénotypique inter-individus au seind’une pathologie donnée. Les mutations induisant une perte de fonction de la protéine synthétisée ouune protéine incomplète ont été et sont encore les plus étudiées. Avec l’introduction des technologiesde séquençage à haut-débit, le nombre de variants faux-sens, silencieux ou introniques détectés auniveau des gènes humains augmente de façon continue. Distinguer les variations nucléotidiques quivont modifier significativement un phénotype de celles qui seront neutres est un véritable défi pour larecherche.De nombreuses variations nucléotidiques à signification clinique inconnue ont été identifiéesparmi les près de 2000 mutations décrites au niveau du gène CFTR (Cystic Fibrosis Transmembraneconductance Regulator) responsables de la mucoviscidose. Certaines de ces variations vont avoir unimpact sur les transcrits ARN modifiant leur qualité et leur quantité et par conséquent l’expression dugène CFTR. Elles vont notamment affecter l’épissage de l’ARN pré-messager en altérant des signauxreconnus par la machinerie cellulaire et perturber la fidélité de ce mécanisme. Malgré un recul de plusde 20 ans dans la description de la corrélation génotype-phénotype dans cette maladie, de nombreuxphénotypes inattendus et atypiques sont observés. Ils peuvent être dus à des facteurs autres que desvariations génotypiques, mais sans l’accès direct aux transcrits des individus porteurs de tels variants,il est difficile de mesurer les conséquences de ces variations sur la synthèse et la maturation de l’ARN.L’objectif de ce travail de thèse a été de montrer, par des approches in vitro etbioinformatiques, comment des variations nucléotidiques au sein du gène CFTR peuvent impacter surl’épissage de l’ARN pré-messager. Ce travail a permis dans un premier temps la découverte demécanismes d’épissage inattendus modificateurs de phénotypes sévères attendus pour une mutationnon-sens. En effet, par un épissage alternatif subtil de trois nucléotides au niveau d’un site d’épissageen tandem, le codon stop se retrouve délété et aboutit à des transcrits fonctionnels expliquant lesphénotypes modérés. Dans un second temps, nous avons montré que plusieurs mutations non-sensportées par le même exon 15 impactaient différemment sur l’épissage de l’ARN en modifiantsignificativement le taux d’inclusion de cet exon. La connaissance préalable des ratios de transcritsincluant ou non l’exon peut améliorer l’efficacité des traitements correcteurs de codons stopprématurés en les combinant avec des traitements modulateurs de l’épissage augmentant le taux detranscrits correctibles. Dans un troisième et dernier temps, une combinaison d’analyses in silico et invitro des exons du gène CFTR a permis de détecter des exons porteurs de signaux d’épissage plusfaibles les rendant plus sensibles à des mutations exoniques d’épissage. Des mutations faux-sens auniveau de l’exon 3 ont par exemple été montrées comme favorisant l’exclusion de cet exon, diminuantle taux de transcrits fonctionnels.L’ensemble de ces travaux a contribué à comprendre les conséquences de mutations au niveaude l’épissage du gène CFTR sur les variations du phénotype. La connaissance améliorée des variationspossibles du phénotype rattaché à un génotype donné permettra non seulement de prédire l’évolutionde la maladie, mais également d’ajuster et de proposer des thérapies personnalisées selon la mutationportée par le patient. / Over the past decades, studying the consequences of pathogenic mutations has allowed not only todefine the origin of several genetic diseases, but also to contribute to understand the phenotypicvariability between individuals within a disease. The CFTR gene was extensively analyzed since 1989,but among the over 1,900 mutations identified, the current challenge is to classify them as diseasecausingor neutral. These variants of unknown clinical significance (UVs) can alter multiple processes,from gene transcription to RNA splicing or protein function. The CFTR gene needs to include intactversions of all its 27 exons to be functional, and any mutation affecting its splicing process will reducethe amount of functional full-length transcripts. Previous studies have shown that mutations withinsome CFTR exons increase exon skipping. We hypothesized that a number of UVs occurring in otherCFTR exons could indeed affect splicing. By combining in vitro and bioinformatics approaches, weshowed how nucleotide variations within the CFTR gene could impact on the splicing of its premRNA.This work enabled us to provide the first experimental evidence of a premature terminationcodon removal by alternative splicing at a NAGNAG acceptor splice site. This unexpected phenotypemodifyingmechanism explains the much milder phenotype severity than expected for a nonsensemutation. The correction of premature termination codons (PTCs) by agents that promote readthroughrepresents a promising emerging tool for the treatment of many genetic diseases. Having demonstratedthat nonsense mutation could cause aberrant splicing, we postulated that the efficiency of thereadthrough treatment could be due not only to the stop codon itself but also to the amount ofcorrectible transcripts. We showed that a subset of nonsense mutations within the CFTR exon 15 has adifferent impact on the splicing efficiency by modifying the inclusion rate of this exon anddemonstrated that the total amount of transcripts together with the splicing profile should be assessedto anticipate and improve efficacy of readthrough therapy in CF patients. Finally, in order to anticipatethe occurrence of “splicing-causing” mutations, we used a combination of in silico and in vitroanalyses of all CFTR exons and pinpointed those harboring weak splicing signals, which render themmore sensitive to exonic splicing mutations.All these studies contribute to expand our knowledge on the phenotypic variability due to alternativesplicing of the CFTR gene. These studies will lead not only to predict the evolution of a disease, butalso to adjust therapy according to the mutation of each patient.

La mucoviscidose est une maladie causée par des mutations du gène cftr entraînant des défauts importants de la protéine CFTR. La mutation la plus fréquente (F508del) est caractérisée par un repliement incorrect conduisant à la rétention de la protéine dans le RE.L’accumulation de CFTR-F508del dans le RE, l’inflammation et les infections vont déclencher un stress du RE dans les cellules épithéliales ainsi que l’UPR. Cette dernière est une réponse adaptative déclenchée par le stress du RE et permet de rétablir l’homéostasie de ce compartiment. L’UPR est constituée de trois voies majeures dont l’une d’entre elles est activée dans les cellules exprimant un CFTR-F508del. Il s’agit de la voie ATF6 qui est de plus responsable de la répression transcriptionnelle du CFTR, ce qui en fait une cible thérapeutique potentielle. Nous avons montré que son inhibition conduit à l’amélioration de la fonction duCFTR-F508del et à l’augmentation de sa présence à la membrane des cellules.Nous nous sommes également intéressés au Mg2+ et au TRPM7, le régulateur principal de la [Mg2+]i dans les cellules. Nous avons émis l’hypothèse que TRPM7 était en partie responsable de l’activation d’ATF6 dans les cellules exprimant un CFTR-F508del. Le but de cette seconde partie du projet était donc tout d’abord d’étudier la relation existante entre le Mg2+, TRPM7 et le CFTR. Nous avons montré qu’il existait des différences de [Mg2+]i selon le type de mutation du CFTR exprimé par les cellules. Ces différences sont en partie dues à un défaut d’activation de TRPM7, lui-même probablement lié à un défaut du CFTR. En augmentant l’activité de TRPM7 par du Naltriben, nous avons pu montrer un effet potentialisant sur leCFTR-G551D. / Cystic fibrosis is caused by mutations in the cftr gene resulting in several defaults on the CFTR protein. The most frequent mutation is F508del which is characterized by an incorrect folding causing its retention within the ER. CFTR-F508del protein accumulation in the ER, inflammation and infections will trigger the ER stress in epithelial cells, as well as UPR. UPR constitutes an adaptive response of the ER in order to restore ER’s homeostasis. UPR consists in three major pathways. Among them, one is activated in cells expressing CFTR-F508del protein. The ATF6 pathway of UPR is responsible of the transcriptional repression of CFTR, which makes of it a potential therapeutic target. We showed that the inhibition of ATF6 leads to the improvement of CFTR-508del function, as well as its increased presence in the cellular membrane. We were also interested in Mg2+ and TRPM7, the main regulator of [Mg2+]i. We suspected that TRPM7 is, at least in part, responsible for the activation of ATF6 in cells expressing the mutant CFTR-F508del. Thus, the second part of my work was focused on the study of the relationship between Mg2+, TRPM7 and CFTR. We showed the existence of [Mg2+]I differences according to CFTR mutant expressed in cells. These differences are the result of an altered TRPM7 activation, probably in link with the mutated CFTR’s malfunction. We proved that increasing TRPM7 activity by Naltriben treatment potentiates CFTR-G551D.

PHARMACOLOGIE DU CANAL CFTR : SYNTHESE DE NOUVEAUX COMPOSES ACTIVATEURS DE L'EFFLUX DES IONS CHLORURE.Après la découverte dans notre laboratoire d'une nouvelle réaction entre le méthylglyoxal et les α-aminoazahétérocycles aromatiques, une nouvelle famille de modulateurs de l'activité de la protéine CFTR (« Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator ») a été mise en évidence en collaboration avec l'équipe de F. Becq à Poitiers. Les dysfonctionnements de cette protéine transmembranaire résultent de différentes mutations du gène correspondant et sont responsables de plusieurs pathologies dont la mucoviscidose. Les perspectives thérapeutiques de cette maladie grave impliquent l'utilisation et la recherche d'activateurs du canal CFTR.En nous basant sur la structure des composés ayant présenté les meilleurs effets activateurs de la protéine, nous avons conçu et synthétisé une série d'analogues du composé activateur le meilleur mis en évidence précédemment, GPact-11a. Les nouveaux composés préparés sont issus des réactions du méthylglyoxal ou de nouvelles voies de synthèse utilisant des acides aminés. La réactivité de GPact-11a a ensuite été étudiée et exploitée pour préparer des prodrogues potentielles et réaliser la séparation des quatre énantiomères formés lors de la préparation de GPact-11a. Un travail de modélisation des interactions des modulateurs synthétisés avec un modèle de la protéine CFTR construit par homologie de séquences par I. Callebaut, J.-P. Mornon et P. Lehn a également été développé afin de concevoir rationnellement de nouveaux activateurs et de comprendre les effets observés. / PHARMACOLOGY OF CFTR CHANNEL: SYNTHESIS OF NEW ACTIVATORS OF CHLORIDE ION EFFLUX.After the discovery in our laboratory of a new reaction of methylglyoxal with α-aromatic aminoazaheterocycles, a novel family of CFTR modulators (“Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator”) has been identified in collaboration with the group of F. Becq in Poitiers. The dysfunctions of this transmembranar protein that result from different genetic mutations lead to several pathologies and among them to the genetic disease Cystic Fibrosis. In the search for more efficient CFTR activators from the structure of the best activator GPact-11a identified previously, a series of GPact-11a analogues was designed and synthesised through reaction of adenine derivatives with methylglyoxal or amino acids. The GPact-11a reactivity was also studied and used for the preparation of potential prodrugs and for the separation of the four enantiomers formed in the reaction leading to GPact-11a. Works were also developed to model the interactions between the synthesised derivatives and a CFTR model built through sequence by I. Callebaut, J.-P. Mornon and P. Lehn in order to design more rationally new activators and understand the biological effects.

Le gène CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator) a été identifié en 1989. Vingt-cinq ans après, les mécanismes contrôlant sa fine expression, sont encore mal compris. Bien qu’environ 1980 mutations aient été découvertes, il reste des patients pour qui le génotype n’a pas été établi. Les éléments de régulation, décrits au sein du promoteur, ne peuvent à eux seuls expliquer cette complexe régulation tissu spécifique. Des éléments de régulation à distance, en cis ou en trans, sont certainement impliqués dans ce contrôle d’expression. L’objectif de ce projet est de mieux décrypter les mécanismes de régulation à distance du gène CFTR en identifiant des séquences régulatrices éloignées, mais pouvant, par des mécanismes de repliement, interagir spécifiquement avec celui-ci. Afin d’étudier ces contacts chromosomiques, nous avons, dans un premier temps, mis au point la technique de Capture de Conformation Chromosomique (3C). Suite à cette technique, nous sommes passés à une approche à plus grande échelle, la technique de Copie Conforme de 3C (5C), qui permet de mesurer des milliers d’interactions chromatiniennes en une analyse. L’organisation spatiale d’une région d’environ 790 kb recouvrant le gène CFTR, a été analysée dans des cultures primaires de cellules épithéliales nasales, exprimant le gène CFTR et des fibroblastes de peau, ne l’exprimant pas ou très peu. Les interactions entre les régions de ce locus et le promoteur CFTR ont été étudiées par séquençage nouvelle génération sur Ion PGM™. Nous avons comparé ces conformations chromatiniennes afin d’identifier des éléments de régulation spécifiques d’une expression de CFTR. Notre approche a été validée par l’identification de régions régulatrices précédemment décrites. De plus, nous avons mis en évidence de nouveaux contacts chromatiniens avec le promoteur CFTR. Ces régions semblent fortement impliquées dans la régulation de l’expression du gène CFTR. Grâce à la technique 3C et ses variantes, l’identification de nouvelles mutations à distance du gène pourraient expliquer des dérégulations de son expression. / The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene was identified in 1989. Twenty five years later, the regulatory mechanisms controlling its complex expression are still not fully understood. Although, almost 1980 mutations have been identified, many cases of cystic fibrosis or CFTR Related Disorders remain still of unknown origin. The promoter which binds transcription factors and drives some aspects of CFTR gene expression, cannot alone account for tissue specific control. This implicates other distal cis- or trans-acting elements in cell-type-specific regulation of CFTR expression. The aim of our project is to study long-range regulatory elements of the CFTR gene, which could interact specifically with the CFTR promoter by tri-dimensional folding mechanism. We first developed the Chromosome Conformation Captures (3C) approach to map these chromosomal contacts. Subsequently, we enhanced our analyses with a high-throughput adaptation of 3C: the 3C-Carbon Copy (5C) technology. This approach allows the analysis of millions chromatin interactions. Thus, we have analyzed the spatial organization of a ～790kb region, comprising the CFTR gene, in primary nasal epithelial cells, which express the gene, and primary skin fibroblasts, which do not express the gene. Interactions between this locus and the CFTR promoter have been analysed by next generation sequencing with the Ion PGM™. We have compared chromatin conformation in order to identify uncharacterized regulatory elements that act especially in CFTR-expressing cells. Our approach has been validated by the identification of previously characterized regulatory elements. Moreover, we identify novel chromatin contacts of the CFTR promoter with chromosomal regions, which could potentially be involved in CFTR gene expression regulation. Thanks to 3C and 3C-derivated analyses, we could identify new possible mutations far from the gene, which may lead to its dysfunction by modifying the chromatin conformation or regulatory elements.

Les niveaux de chlorure sont rigoureusement régulés par des canaux de chlorure tels que le régulateur transmembranaire de mucoviscidose (CFTR), la famille de canaux CLC ou les canaux de chlorure activés par le calcium. Un dérèglement des concentrations de chlorure ou du transport de ce dernier a été rapportée pour être lié à plusieurs maladies telles que la mucoviscidose, la myotonie, l'épilepsie, l'hyperekplexie ou la surdité. Toutes ces maladies appartiennent à la famille des pathologies qui présentent un déficit de la fonction lysosomale et qui sont caractérisées par un défaut du processus autophagique.Les cellules épithéliales pulmonaires des malades atteints de mucoviscidose montrent également un défaut d’autophagie. L’association de deux produits : la cysteamine et l’epigallocathecin gallate (EGCG) permet de restaurer la fonction autophagique de ces cellules et améliore les symptômes de la maladie. Nous avons tenté d'améliorer cette combinaison en criblant des inducteurs de l'autophagie pour leur capacité d’interaction avec la cystéamine et pour une meilleure efficacité de traitement. Nous avons ainsi trouvé que l'amiodarone, de manière similaire à l'EGCG, était capable d'engager une interaction coopérative avec la cystéamine pour stimuler l'autophagie dans les lignées cellulaires. De plus, l'amiodarone s’est révélé relativement efficace pour restaurer l'expression d’une protéine Del 508 CFTR mature et fonctionnelle dans les cellules épithéliales.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons exploré les relations entre la modulation des concentrations intracellulaires des ions chlorure et l'autophagie. Trois approches complémentaires ont été utilisées (i) l’appauvrissement / réduction du chlorure dans le milieu de culture des cellulaires (ii) la réduction de l'expression du gène CLCN7 codant pour le seul transporteur de chlorure connu pour être présent dans les lysosomes et (iii) l’utilisation de transporteurs synthétique des ions chlorure. Nous avons montré que la modulation de la concentration des ions Cl- régulait l'autophagie. Cela a été observé lorsque nous avons déplété le chlorure du milieu de culture cellulaire ou lorsque nous avons aboli le gradient de chlorure en utilisant des transporteurs de chlorure synthétique (SCTs). Nous avons également montré que les STCs modifiaient la structure et la fonction des mitochondries. De plus, nous avons montré que les antioxydants restauraient la fonction mitochondriale et inhibaient la stimulation de l'autophagie, ce qui permet de voir sous un jour nouveau le rôle que le chlorure pourrait jouer dans la signalisation de différentes voies cellulaire de réponse au stress. / Chloride levels are stringently regulated by chloride channels such as cystic fibrosis transmembrane regulator (CFTR), the CLC family of channels or calcium activated chloride channels. A dysregulation of chloride concentrations or transport has been reported to be linked to several diseases including cystic fibrosis (CF), myotonia, epilepsy, hyperekplexia or deafness. All these diseases belong to the family of lysosomal storage pathologies which are characterized by a defect in the autophagic process.The pulmonary epithelial cells of CF patients show a defect of autophagy. The combination of two products: cysteamine and epigallocathecin gallate (EGCG) has been shown to restore the autophagic function of these cells and to improve the symptoms of the disease. We have tried to enhance this combination by screening inducers of autophagy for their ability to interact with cysteamine and for better treatment efficacy. We found that amiodarone, similarly to EGCG, was able to engage in a cooperative interaction with cysteamine to stimulate autophagy in cell lines. In addition, amiodarone has been found to be relatively effective in restoring expression of a mature and functional Del F508 CFTR protein in epithelial cells.In the second part of this thesis, we explored the relationships between the modulation of intracellular chloride concentration and autophagy. Three complementary approaches were used (i) the depletion/reduction of chloride in the cell culture medium (ii) the reduction of the expression of the CLCN7 gene encoding the only chloride transporter known to be present in lysosomes and (iii) the use of synthetic carriers of chloride ions. We have shown that the modulation of the concentration of Cl- modulates autophagy. This was observed when we depleted chloride from the cell culture medium or when we abolished the chloride gradient using Synthetic Chloride Transporters (SCTs). We have also shown that SCTs modify the structure and function of mitochondria. In addition, we have shown that anti-oxidants restore mitochondrial function and inhibit the stimulation of autophagy, allowing us to see in a new light the role that chloride could play in different stress response pathways.