Le présent travail de thèse décrit le développement d'un protocole d'irradiation stéréotaxique combinée à une radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité. Ce projet a été initiée dans le service de radiothérapie-oncologie du Centre Hospitalier Lyon Sud. La première partie de ce travail fait état d'une revue de littérature sur les techniques d'irradiation du cancer de la prostate. Trois grands thèmes de recherche ont été identifiés et developpés : un premier thèse de recherche portant sur la définition optimale des volumes à irradier lors d'une irradiation stéréotaxique de la prostate et la fiabilité d'uin repérage de l'oragane par des marqueurs intra-prostatiques. La deuxième thématique de recherche était dédiée à la planification du traitement stéréotaxique de la prostate avec pour principal objectif une protection optimale de la paroi rectale avec deux approches différentes : a) une augmentation focalisée de la dose d'irradiation uniquement sur la tumeur macroscopiquement visible, ou b) l'utilisation d'un gel injecté entre la paroi du rectum et la prostate. Le nombre optimal de faisceaux à utiliser ainsi que l'énergie la mieux adaptée ont été évalués dans le cadre de la première approche avec uin boost intégré.. La trosième thématique portait sur les contrôles qualité à réaliser dans le cadre de la mise en route de cette technique d'irradiation. Trois détecteur dédiés aux contrôles de la distribution de dose sous l'accélarateur ont été évalués. L'ensemble de ces travaux serviront de supports à la réalisation d'une étude de phase II intégrant une irradiation stéréotaxique des cancers de la prostate avec injection de gel d'acide hyaluronique entre le rectum et la prostate / The current work decribes the implementation of a protocol for stereotactic body radiotherapy (SBRT) combined with an intensity-modulated radiation therapy technique (IMRT). the project was initiated in the Department of Radiation-Oncology from Lyon Sud Hospital. The first part summarizes the state of the art of prostate cancer with a literature review on irradiation techniques. Three research themes were described and developped : The first theme discusses the optimal definition of the volumes to be irradiated during a prostate SBRT and the accuracy of the target localization using intraprostatic markers. The second theme of research describes the treatment planning for prostate SBRT having as main purpose an optimal protection of the rectal-wall with two different approaches: a) an augmentation of the dose with simultaneous integrated boost only into visible macroscopic tumor, or b) the use of a gel injected between the rectal-wall and the prostate. The optimal number of fields, as well as the most favorable energy, was evaluated in the context of the first approach with a simultaneous integrated boost. The third theme discusses the quality assurance (QA) that needs to be performed for an IMRT-SBRT technique. Three detectors that ara dedicated to the QA of dose distribution under accelerator were evaluated. The results of all these studies will be used for the implementation of a phase II study for prostate SBRT with an injection of hyaluronic acid between the rectum and the prostate.

Dans notre groupe, nous nous intéressons au développement de peptides contenant des acides γ-aminés. Comme d’autres peptides contenant des acides aminés non naturels, ils ont montré leur capacité à posséder des conformations stables et/ou des propriétés biologiques intéressantes. De plus, ces peptides sont généralement résistant à la protéolyse. Dans l’objectif de synthétiser des acides -diaminés sous la forme d’un seul stéréoisomère, nous avons développé une voie de synthèse reposant sur une réaction de Blaise suivie d’une réduction diastéréosélective. En appliquant cette méthode, nous avons synthétisé des acides β,γ-diaminés dérivés de la D-phénylalanine et de l’acide L-glutamique. Le premier a été utilisé pour concevoir des analogues d’un peptide antimicrobien, la gramicidine S. Comparé à la molécule parent, les analogues ont montré une cytotoxicité beaucoup moins importante pour les cellules hôtes tout en conservant une activité antibactérienne intéressante. Cette étude nous a donné de meilleures connaissances pour développer d’autres analogues de la gramicidine S ainsi que d’autres peptides antimicrobiens. Nous avons également effectué de nombreuses optimisations pour synthétiser de façon efficace des acides β,γ-diaminés cycliques à partir de l’acide L-glutamique. Les oligomères incorporant ces acides β,γ-diaminés et des acides α-aminés ont montré un fort potentiel pour l’adoption de conformations stables. Ces études vont être poursuivies. / In our group, we are interested in developing peptides containing β,γ-diamino acids . Along with many other peptides containing unnatural amino acids, they have shown the ability to possess stable conformations and/or interesting biological activities. Moreover, those peptides are usually more resistant to proteolysis. In order to synthesize stereopure γ-amino acids, we have developed a synthetic route using Blaise reaction and subsequent diastereoselective reduction as key reactions. Through applying this method, we have synthesized β,γ-diamino acids derived from D-phenylalanine and L-glutamic acid. The former β,γ-diamino acid was used for designing antimicrobial peptide gramicidin S analogues. Compared with mother molecule, the analogues exerted much less host cell cytotoxicity while remaining interesting antibacterial activity. Meanwhile, it gave us more knowledge for further developing analogues of gramicidin S as well as other antimicrobial peptides. We also paid lots of effort to efficiently synthesize cyclic β,γ-diamino acids starting from L-glutamic acid. Interestingly, when oligomers incorporating this β,γ-diamino acids and α-amino acids, they have shown the potential to adopt stable conformations. The following studies will be continuously investigated.

La reconnaissance moléculaire joue un rôle central dans tous les processus biologiques ainsi que dans le développement de nouvelles biotechnologies. Depuis les 60 dernières années, deux mécanismes de reconnaissance moléculaire ont permis de décrire le couplage entre la liaison et le changement conformationnel observé chez les biomolécules. Le mécanisme par ajustement induit a lieu lorsque le ligand se lie à l'état inactif de la biomolécule et induit un changement de conformation vers la forme active. Le mécanisme par sélection conformationnelle, quant à lui, a lieu lorsque le ligand se lie directement à l'état spontanément actif de plus faible population et le stabilise, déplaçant ainsi la population de biomolécule vers cet état. Bien que nous connaissons des exemples de protéines qui fonctionnent selon chacun de ces mécanismes, nous ne comprenons pas encore les différences entre les performances de ces mécanismes ni les déterminants moléculaires qui leur donnent lieu. Une compréhension approfondie de ces mécanismes nous permettrait de mieux comprendre pourquoi certaines protéines ont évolué selon un mécanisme en particulier ainsi que de s'inspirer de ces mécanismes pour le développement de biotechnologies finement régulées. Jusqu'à aujourd'hui, ces deux mécanismes ont exclusivement été étudiés dans le contexte des biomolécules naturelles, principalement des protéines, dont la complexité dynamique et structurale rend difficile la comparaison et la manipulation individuelle des différents paramètres thermodynamiques. Il est donc particulièrement ardu de caractériser le rôle de chacun de ces paramètres quant à la sélection et la performance de ces mécanismes. Pour contourner ces limitations expérimentales, nos travaux de recherche se sont intéressés à recréer ces mécanismes à l'aide d'interrupteurs d'ADN fluorescents pour lesquels il est possible de prédire et de modifier la structure et les propriétés thermodynamiques ainsi que d'en mesurer l'activation en temps réel. Ce faisant, il a été possible d'observer que le mécanisme par ajustement induit est obtenu lorsque le site de liaison est partiellement accessible dans l'état inactif. Nous avons aussi observé que ce mécanisme permet une activation et une désactivation jusqu'à 10 000 fois plus rapide que la sélection conformationnelle, qui par contraste, donne lieu à une activation plus lente ainsi qu'à un maintien prolongé de l'activation. Ces différences cinétiques suggèrent ainsi un rôle évolutif distinct pour chacun et laissent envisager des applications en biotechnologies pour l'optimisation de la cinétique. / Molecular recognition plays a central role in almost every biological and biotechnological process. Over the last 60 years, two molecular recognition mechanisms have been used to appropriately describe the coupling between binding and conformational change in biomolecules. The induced fit mechanism takes place when ligand binding to the inactive state of the biomolecule induces the conformational change leading to the active state. On the other hand, in the conformational selection mechanism, where active and inactive states exist in equilibrium, the ligand binds selectively to the active state of the biomolecule and shifts the equilibrium towards this state by stabilizing it. Even though these mechanisms have been widely studied, it is still unclear if they differ in performance or how each mechanism can be modulated. Such a fundamental understanding of the differences between these mechanisms would shed light on the reasons for an apparent selective pressure driving the use of a specific mechanism for a given biomolecule and would also allow us to engineer new biomolecules which would benefit from the strengths of these mechanisms. To date, both mechanisms have been exclusively studied in the context of naturally occurring biomolecules, mainly proteins, whose structural and dynamic complexity as well as diversity seem to prevent comparison and manipulation of specific and individual thermodynamic parameters. Consequently, only little progress has been made towards characterizing the role of certain key thermodynamic parameters on the selection and performance of the mechanism. To circumvent this limitation, we have reproduced these mechanisms using simple fluorescent DNA constructs allowing for reliable prediction and variation of both structure and thermodynamics as well as real time monitoring of the activation process in presence of a DNA target. These DNA "switches" allowed us to determine that an induced fit mechanism occurs when the binding site is partially available in the inactive state and that this mechanism allows for a faster activation and deactivation (up to four orders of magnitude) compared to a conformational selection mechanism, which in contrast corresponds to a slower activation and deactivation, leading to a longer activation period. The observed kinetic differences between these mechanisms points towards potential uses for both in different areas of biotechnology as well as some rationale behind evolution favoring one mechanism over the other for a given protein.

Ce travail a pour objectif d’augmenter la diversité des foldamères par le développement d’une nouvelle classe d’architectures abiotiques mimant le repliement des feuillets β protéiques. La stratégie employée repose sur des processus de structuration qui diffèrent de ceux observés au sein du vivant. Les deux éléments essentiels des systèmes naturels, à savoir la boucle courte et flexible d’acides aminés et les brins β liés entre eux par des liaisons hydrogènes, sont ici substitués respectivement par un coude rigide formé de noyaux aromatiques et par des oligoarylamides plans interagissant par empilement aromatique.Ces objets ont été conçus pour adopter des structures repliées caractérisables en solution par spectroscopie RMN et à l’état solide par diffraction des rayons X. Dans une première partie, l’optimisation du pseudo-coude β et de la séquence des brins, ainsi que l’exploration des premières architectures en feuillet seront étudiées à travers la conception, la synthèse et les études structurales de ces oligoamides et oligoamines aromatiques. Dans une seconde partie, le concept mis en oeuvre sera étendu à la synthèse de foldamères plus élaborés à brins courbés, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes vers l’obtention d’architectures toujours plus complexes. / The purpose of this work is to expand foldamer diversity by developing a novel class of abiotic β-sheet-like architectures. Our strategy uses inter-strand π-π aromatic stacking between sequences of aromatic oligoamides and oligoamines to mimic the natural stabilization of β-strands, which occurs through a network of regularly spaced hydrogen bonds. These oligamide and oligoamine sequences are connected by a rigid U-shaped moiety that creates a turn and initiates strand formation.These molecules have been designed to adopt compact folded structures that can be studied in solution by NMR spectroscopy and in the solid state by X-ray crystallography. In the first part of this dissertation, we report our stepwise approach in the development of β-sheet-like aromatic amide-based foldamers: from the optimization of the design elements and the use of macrocycles, to the synthesis of multi-turn structures. In the second part, the concept will be extented to the synthesis of more elaborate curving strand β-sheet-like foldamers, opening up new perspectives for more complex architectures.

Le travail de cette thèse a permis tout d’abord d’aboutir à un protocole simplifié pour la synthèse des p-tert-butylcalix[7] et [9]arènes, composés jusqu’à lors difficilement préparables. Ces macrocycles ont été obtenus en grosse quantité, de l’ordre de la dizaine de gramme. Il faut également noter que cette synthèse sur grande échelle permet d’obtenir les p-tert-butylcalix[10] et [12]arènes avec des rendements modestes mais une simplicité remarquable. A partir de ces calixarènes, deux voies principales de per-fonctionnalisation ont été mises en oeuvre : La réaction de Williamson, consistant à former des éthers, et l’estérification via l’utilisation d’anhydrides. Au total, ce sont 10 nouveaux calixarènes fonctionnalisés qui ont été obtenus. Le comportement dynamique et conformationnel des calix[9]arènes originaux a été évalué en solution et à l’état solide. Dans le cas où cela a été possible, la détermination des constantes de vitesse et d’énergie libre des mouvements conformationnels a montré que ces calix[9]arènes fonctionnalisés étaient très mobiles. En outre, trois nouvelles structures RX ont été obtenues et ont confirmé que ces macrocycles adoptaient une conformation désordonnée. En l’état, ces nouveaux calixarènes ne sont pas des candidats de choix pour devenir des hôtes moléculaires efficaces. Toutefois, ce travail a permis d’améliorer nos connaissances sur des structures dérivées de p-tert-butylcalix[n]arènes (n = 7, 9, 10 et 12) peu étudiés jusqu’à présent / The work of this thesis allowed to propose a simplified procedure for the synthesis of p-tertbutylcalix[ 7] and [9]arenes, which were hardly synthesizable until now. Those macrocycles were obtained in a large amount, about a dozen of grams. It’s important to emphasize that this large scale synthesis allow to obtain the p-tert-butylcalix[10] and [12]arenes with moderate yields but in a straight and simple procedure. From these calixarenes, two main ways of per-functionalization were attempted: Williamson reaction, consisting in forming ethers and esterification by using anhydrides. Totally, 10 new functionalized calixarenes were obtained. Their dynamic and conformational behaviors in solution as well as in the solid state were explored. The determination of the rate constants and of the free energy barrier of the conformational motion has shown that those compounds were mobile. Moreover, three original X-Ray structures were obtained and have revealed that those macrocycles adopted a disordered conformation. At this point, those new calixarenes are not well designed to act as efficient molecular host. However, this work allowed to improve our knowledges on structures made from the p-tert-butylcalix[n]arene (n = 7, 9, 10 and 12), a skeleton rarely described and studied up to now

Les dépôts amyloïdes sont des dépôts fibrillaires extracellulaires associés à la maladie d'Alzheimer, dont le constituant principal est le peptide amyloïde (Aβ). La fibrillogenèse d'Aβ s'accompagne d'une transconformation du peptide, depuis une structure secondaire principalement en hélice au voisinage des membranes ou non structurée en milieu aqueux vers une structure en feuillet β. Cette transconformation est couplée à une oligomérisation. Les plaques amyloïdes renferment une quantité importante de cations métalliques, en particulier Zn2+, et le peptide amyloïde y est caractérisé par une grande hétérogénéité de sa partie N-terminale qui présente des troncations et des isomérisations/racémisations. Ces modifications et l'interaction d'Aβ avec les cations ont été proposées comme des facteurs contribuant à la déposition amyloïde.<br />Afin de caractériser ces différents mécanismes moléculaires, nous avons examiné la région N-terminale 1-16 du peptide amyloïde, Aβ(1-16), qui apparaît impliquée dans l'interaction du peptide avec les cations métalliques et renferme plusieurs sites susceptibles de subir des modifications liées au vieillissement protéique. Du fait de son accessibilité au sein des fibrilles amyloïdes, ce domaine d'Aβ constitue une cible thérapeutique potentielle, notamment pour un traitement immunologique.<br />Au cours de ce travail, nous avons mis en évidence la plasticité conformationnelle d'Aβ(1-16) par dichroïsme circulaire (DC) et RMN et nous avons caractérisé la structure qu'adopte ce peptide en milieu aqueux et en milieu mimant un environnement membranaire. Nous avons également identifié les formes produites par vieillissement in vitro. Le complexe Aβ(1-16)/Zn2+ a été examiné par DC, RMN et ESI-MS, ce qui a conduit à établir un modèle d'attachement du cation Zn(II) au peptide Aβ(1-16). Ce modèle implique une coordination tétraédrique de Zn(II), les résidus H6, E11, H13 et H14 étant identifiés comme ligands. Nous avons de plus montré que l'interaction Aβ(1-16)/Zn2+ modifie le profil de vieillissement protéique et exerce un effet agoniste sur la reconnaissance de la région 1-16 d'Aβ par des anticorps spécifiques. La conformation de deux peptides isomères issus du vieillissement d'Aβ(1-16), Aβ(1-16)-L-IsoAsp7 et Aβ(1-16)-D-Asp7 a été examinée par RMN. Un changement conformationnel local est observé dans la région H6-S8 par rapport à Aβ(1-16), mais pas de remaniement conformationnel global. L'étude de l'interaction Aβ(1-16)-L-IsoAsp7/Zn2+ par RMN a suggéré la participation du résidu IsoAsp7 à la coordination du cation Zn(II).<br />Enfin, une étude complémentaire entreprise sur Aβ(1-40) a mis en évidence l'absence de fibrillogenèse du peptide en présence d'ions Zn2+ ou d'anticorps ciblant la région N-terminale d'Aβ, au profit de la formation de différents types d'agrégats. Ces résultats suggèrent que les différentes interactions établies entre la région N-terminale 1-16 d'Aβ et Zn2+ ou des anticorps anti-Aβ inhiberaient la fibrillogenèse du peptide amyloïde pleine longueur.

Le traitement des cancers par radiothérapie externe met en .uvre un environnement complexe. L'irradiation doit être le plus possible limitée au volume tumoral, en évitant au maximum les tissus et organes sains avoisinants. L'utilisation de logiciels dosimétriques en trois dimensions permet d'adapter exactement la balistique d'irradiation à la forme de la tumeur. Le patient est replacé à chaque séance de son traitement dans la même position pour permettre de reproduire avec précision la balistique d'irradiation. Un système de contention assure son immobilisation, un appareil de contrôle permet de vérifier sa position, et un collimateur multi-lames adapte la forme du faisceau d'irradiation au profil de la tumeur. La radiothérapie externe traditionnelle devient la radiothérapie conformationnelle Cette étude présente une procédure de repositionnement du patient par mise en correspondance d'informations issues de différentes sources d'imagerie médicale. En début de séance, des images de contrôle sont acquises par un système adapté au type et à la localisation de la tumeur. Les informations fournies par les images de contrôle sont fusionnées avec des informations de référence corrrespondant à la position attendue du patient. Le décalage entre les deux informations donne l'erreur d'installation en translation et en rotation. Une correction est calculée et appliquée à l'environnement de traitement (position et orientation du patient, position et orientation de la source d'irradiation). Le système de contrôle permet de déterminer directement ou indirectement la position précise du volume tumoral. L'échographie, associé à un localisateur optique tridimensionnel, permet de déterminer la position d'un organe comme la prostate, qui peut changer de place en fonction des réplétions vésicale et rectale. Le capteur de surface est utilisé pour localiser les tumeurs de la face ou du cerveau, par rapport à la position du visage, l'acquisition et le traitement de l'information ne prennent que quelques minutes. L'imageur par rayons X s'applique à la localisation de structures osseuses.

Les azacycles tels que les morpholines ou les pyrrolidines, sont très répandus dans le domaine de l’organocatalyse et de la chimie médicinale. Cette thèse traitera d’analogues contraints de ces azacycles, qui peuvent moduler de par leurs structures, les propriétés de certains médicaments ou la sélectivité de certaines réactions. Le cas de l’halopéridol, qui est connu pour son activité sur les récepteurs dopaminergiques D2 et D4, est au centre de la première partie de cette thèse, dans laquelle de nouveaux analogues contraints de type 2-oxa-5-azabicyclo[2.2.2]octane ont été développés pour pallier ses problèmes de stabilité métabolique. Dans une seconde partie, la synthèse de deux nouvelles chimères morpholine-proline pontées est rapportée. Leurs structures rigides et conformationnellement verrouillées permettent aux doublets d’électrons non liants sur les atomes d'azote et d'oxygène d’être respectivement orientés dans des directions « Est-Ouest » et « Nord-Est » spatialement différentes. En combinaison avec la présence d'un acide carboxylique, les propriétés électroniques de ces composés peuvent être utiles dans le contexte de la conception peptidomimétique de composés biologiquement pertinents. Des estimations quantitatives de la basicité des atomes d'azote ont été obtenues en utilisant une analyse DFT conceptuelle. Dans la troisième partie de cette thèse, la synthèse de nouvelles pyrrolidines oxabicycliques sera développée. Les cyclopentan[c]pyrroles sont très répandus dans la littérature, et connus pour leurs propriétés analgésiques. Des dérivés fonctionnalisés en positions 4 et 5, synthétisés par Servier, ont notamment présenté de bonnes activités en tant que ligands nicotiniques 7, mais aussi des problèmes d’inhibition de hERG. Afin d’obtenir des composés moins lipophiles et donc de pallier les problèmes d’inhibition hERG, de nouveaux analogues oxygénés de type furo[2,3-c]pyrroles ont été développés par différentes voies de synthèse. Ces nouveaux composés pourront notamment être obtenus sous formes énantiomériquement enrichies, grâce à une étape clé de résolution enzymatique. La proline a été largement utilisée ces dernières années comme organocatalyseur au sein d’importantes transformations asymétriques comme les aldolisations ou les additions de Michael. Cependant, malgré le succès de ce motif, plusieurs de ses dérivés ont été rapportés dans la littérature. C’est notamment le cas des 4,5-méthanoprolines qui furent rapportées pour la première fois par Hanessian en 1997, dont l’efficacité en tant qu’organocatalyseur pour la réaction de Hajos-Parrish ainsi que plusieurs autres types de réaction fut par la suite établie. Les dernières parties de cette thèse viennent compléter ces études. La synthèse de nouvelles 4,5-ethanoprolines a été développée, ainsi que leurs utilisations comme catalyseur lors de réactions de Hajos-Parrish et d’addition catalytique asymétrique de nitroalcanes sur des énones cycliques. Une étude DFT a été effectuée afin d’expliquer l’inversion de sélectivité observée pour ces nouveaux catalyseurs lors des réactions de Hajos-Parrish, le mécanisme de formation des énamines réactives a aussi été investigué. / Azacycles such as morpholines and pyrrolidines, are very widespread in chemistry, especially in the fields of organocatalysis and medicinal chemistry. This thesis will deal with constrained analogues of those azacycles, which, depending on their structures, can modulate the properties of certain drugs or the selectivity of certain reactions. The case of haloperidol, which is known for its activity on the dopamine D2 and D4 receptors, is at the center of the first part of this thesis, in which new constrained analogs of the 2-oxa-5-azabicyclo type [2.2.2] octane have been developed to overcome its metabolic stability problems. In a second part, the synthesis of two new bridged morpholine-proline chimeras are reported. Their rigid structures allow the lone pairs on the nitrogen and oxygen atoms to be oriented in spatially different "East-West" and "North-East" directions, respectively. In combination with the presence of a carboxylic acid, the electronic properties of these compounds could be useful in the context of the design of biologically relevant peptidomimetics. Quantitative estimations of the basicity of the nitrogen atoms were obtained using DFT analysis. In the third part of this thesis, the synthesis of new oxabicyclic pyrrolidines is described. Cyclopentan[c]pyrroles are widely encountered and known for their analgesic properties. The Servier laboratories have synthesized derivatives with substituents at positions 4 and 5, exhibiting good activities as 7 nicotinic ligands, but problems of hERG inhibition. In order to obtain less lipophilic compounds and therefore overcome the problems of hERG inhibition, new oxygenated analogs of the furo[2,3-c]pyrrole type have been developed by different synthetic routes. These new compounds were obtained in enantiomerically enriched forms, using enzymatic resolution. Proline has been widely used in recent years as an organocatalyst in asymmetric transformations such as aldolizations or Michael additions The success of this motif, has inspired synthesis of derivatives, such as 4,5-methanoprolines, which were first reported by Hanessian in 1997, and shown to be effective as organocatalysts in the Hajos-Parrish and other reactions. The last parts of this thesis develop further these studies by the synthesis of new 4,5-ethanoprolines which act as a catalysts in the Hajos-Parrish reaction and the asymmetric catalytic addition of nitroalkanes to cyclic enones. A DFT study was carried out to explain the reversal of selectivity observed for the new catalysts in Hajos-Parrish reaction and to investigate formation of a reactive enamine in the mechanism.

L’objectif de cette thèse est d’analyser et prédire les conformations d’un système moléculaire en combinant la théorie des graphes et la chimie computationnelle.Dans le cadre des simulations de dynamique moléculaire, une molécule peut avoir une ou plusieurs conformations au cours du temps. Dans les trajectoires de simulation de dynamique moléculaire, on peut avoir des trajectoires n’explorant qu’une seule conformation ou des trajectoires explorant plusieurs conformations, donc plusieurs transitions entre conformations sont observées. L’exploration de ces conformations dépend du temps de la simulation et de l'énergie (température) fixée dans le système. Pour avoir une bonne exploration des conformations d’un système moléculaire, il faut générer et analyser plusieurs trajectoires à différentes énergies. Notre objectif est de proposer un algorithme universel qui permet d’analyser la dynamique conformationnelle de ces trajectoires d’une façon rapide et automatique. Les trajectoires fournissent les positions cartésiennes des atomes du système moléculaire à des intervalles de temps réguliers. Chaque intervalle contenant un ensemble de positions est appelé image. L’algorithme utilise des règles de géométrie (distances, angles, etc.) sur les positions pour trouver les liaisons (liaisons covalentes, liaisons hydrogène et interactions électrostatiques) créées entre les atomes, permettant par la suite d’obtenir le graphe mixte qui modélise une conformation. Nous ne considérons un changement conformationnel que s’il y a un changement dans les liaisons calculées à partir des positions données. L’algorithme permet de donner l’ensemble des conformations explorées sur une ou plusieurs trajectoires, la durée d’exploration de chaque conformation, ainsi que le graphe de transitions qui contient tous les changements conformationnels observés.Les conformations se caractérisent par une énergie appelée énergie potentielle. Cette énergie est représentée par une courbe appelée surface d’énergie potentielle. En chimie théorique et computationnelle, certains s’intéressent à trouver des points particuliers sur cette surface. Il s'agit des minima qui représentent les conformations les plus stables et des maxima ou états de transition qui représentent les points de passage d'une conformation à une autre. En effet, d'une part, la conformation la plus stable est celle de plus basse énergie. D'autres part, pour aller d’une conformation à une autre il faut une énergie supplémentaire, le point maximum représente l'état de transition. Les méthodes développées pour calculer ces points nécessitent une connaissance de l’énergie potentielle ce qui est coûteux en temps et en calculs. Notre objectif est de proposer une méthode alternative en utilisant des mesures ah doc basées sur des propriétés des graphes qu’on a utilisées dans le premier algorithme et sans faire appel à la géométrie ni aux calculs moléculaires. Ces mesures permettent de générer des conformations avec un classement énergétique ainsi de définir le coût énergétique de chaque transition permise. Les conformations possibles avec les transitions représentent respectivement les sommets et les arcs de ce qu’on appelle le “graphe des possibles”. Les hypothèses utilisées dans le modèle proposé est que seules les liaisons hydrogène peuvent changer entre les conformations et que le nombre de liaisons hydrogène présentes dans le système permet de déterminer son coût énergétique.L’algorithme d'analyser des trajectoires a été testé sur trois types de systèmes moléculaires en phase gazeuse de taille et de complexité croissantes. Bien que la complexité théorique de l’algorithme est exponentielle (tests d’isomorphisme) les résultats ont montré que l’algorithme est rapide (quelques secondes). De plus, cet algorithme peut être facilement adapté et appliqué à d’autres systèmes. Pour la prédiction conformationnelle, le modèle proposé a été testé sur des peptides isolés. / This PhD is part of transdisciplinary works, combining graph theory and computational chemistry.In molecular dynamics simulations, a molecular system can adopt different conformations over time. Along a trajectory, one conformation or more can thus be explored. This depends on the simulation time and energy within the system. To get a good exploration of the molecular conformations, one must generate and analyse several trajectories (this can amount to thousands of trajectories). Our objective is to propose an automatic method that provides rapid and efficient analysis of the conformational dynamics explored over these trajectories. The trajectories of interest here are in cartesian coordinates of the atoms that constitute the molecular system, recorded at regular time intervals (time-steps). Each interval containing a set of positions is called a snapshot. At each snapshot, our developed algorithm uses geometric rules (distances, angles, etc.) to compute bonds (covalent bonds, hydrogen bonds and any other kind of intermolecular criterium) formed between atoms in order to get the mixed graph modelling one given conformation. Within our current definitions, a conformational change is characterized by either a change in the hydrogen bonds or in the covalent bonds. One choice or the other depends on the underlying physics and chemistry of interest. The proposed algorithm provides all conformations explored along one or several trajectories, the period of time for the existence of each one of these conformations, and also provides the graph of transitions that shows all conformational changes that have been observed during the trajectories. A user-friendly interface has been developed, that can de distributed freely.Our proposed algorithm for analysing the trajectories of molecular dynamics simulations has been tested on three kinds of gas phase molecular systems (peptides, ionic clusters). This model can be easily adapted and applied to any other molecular systems as well as to condensed matter systems, with little effort. Although the theoretical complexity of the algorithm is exponential (isomorphism tests), results have shown that the algorithm is rapid.We have also worked on computationally low cost graph methods that can be applied in order to pre-characterize specific conformations/points on a potential energy surface (it describes the energy of a system in terms of positions of the atoms). These points are the minima on the surface, representing the most stable conformations of a molecular system, and the maxima on that surface, representing transition states between two conformers. Our developed methods and algorithms aim at getting these specific points, without the prerequisite knowledge/calculation of the potential energy surface by quantum chemistry methods (or even by classical representations). By avoiding an explicit calculation of the potential energy surface by quantum chemistry methods, one saves computational time and effort. We have proposed an alternative method using ad doc measures based on properties of the graphs (already used in the first part of the PhD), without any knowledge of energy and/or molecular calculations. These measures allow getting the possible conformations with a realistic energy classification, as well as transition states, at very low computational cost. The algorithm has been tested on gas phase peptides.

Les protéines d’échafaudage de la famille Elmo forment des complexes avec les facteurs d’échange de nucléotides de la guanine (GEF) de la famille des protéines Dock. Globalement, le complexe Elmo/Dock est caractérisé par une régulation conformationnelle, où au niveau basal il se retrouve dans un état fermé, en raison de la présence de sites de contact bloquant la liaison des interacteurs d’Elmo et la fonction GEF de Dock qui permet l’activation de Rac1. Une fois dans un état activé, le complexe adoptera une conformation ouverte et les sites de liaison d’Elmo seront disponibles. Par exemple, il a été démontré que la liaison des GTPases RhoG ou Arl4A au domaine RBD d’Elmo induit le recrutement du complexe à la membrane cellulaire. Le domaine DHR-2 étant alors accessible, celui-ci assurera l’activation spécifique de la GTPase Rac1 afin d’induire, entre autres, le remodelage du cytosquelette d’actine. Divers processus cellulaires seront alors d clench s, tels que la migration cellulaire, la phagocytose et la fusion des cellules musculaires (nommées myoblastes). Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par l’entremise de deux objectifs l’importance de la régulation conformationnelle d’Elmo. Pour le premier objectif, nous avons étudié la régulation conformationnelle d’Elmo durant la myogenèse. La formation de fibres multi-nuclées est fondamentale pour l’établissement du muscle squelettique. Durant ce processus, la fusion des myoblastes est une étape clé pour permettre le développement et la régénération musculaire. Afin d’étudier les fonctions d’Elmo in vivo dans ce contexte, nous avons généré une série de modèles de souris. Tout d’abord, via la génération de souris double knock-out pour Elmo1 et Elmo2 (Elmo1KOElmo2cKO), nous avons démontré la fonction essentielle d’Elmo durant la fusion des myoblastes embryonnaires. En effet, uniquement des myofibres mononuclées sont observées suite à l’inactivation génétique d’Elmo1 et Elmo2. Par la suite, nous avons également généré des lignées de souris knock-in, où des mutations ont été introduites dans des domaines spécifiques d’Elmo2 afin d’induire sa conformation ouverte (Elmo2EID) ou fermée (Elmo2RBD). Nous avons ainsi démontré qu’en présence d’Elmo2EID, la capacité de fusion est augmentée et des fibres musculaires plus larges sont développées. De plus, la régénération musculaire est plus efficace chez ces souris. À l’opposé, lorsqu’Elmo2 a perdu l’activité de son domaine RBD (Elmo1KOElmo2RBD), des fibres musculaires plus étroites sont retrouvées chez les jeunes souris adultes ainsi qu’une régénération du muscle moins efficace. Finalement, nous avons démontré que l’augmentation de l’activité de la voie Elmo2-Dock1-Rac1, directement via le contrôle de la régulation conformationnelle d’Elmo2, améliore les phénotypes dystrophiques retrouvés chez les souris DysferlinKO, un modèle récapitulant la dystrophie musculaire des ceintures de type 2B (LGMD2B). Ainsi, pour la première fois, nous avons établi la possibilité d’exploiter la fusion des myoblastes en tant que thérapie régénérative pour des maladies musculaires. Pour le deuxième objectif, nous avons étudié Elmo3 dans un cas clinique dans le cadre d’une collaboration internationale. Plus précisément, des mutations bi-alléliques dans le gène Elmo3 ont été identifiées chez un jeune patient atteint d’une déficience intellectuelle. En effectuant des études biochimiques et fonctionnelles, nous avons démontré que ces mutations ont un impact sur l’activation de Rac1, sans toutefois influencer l’interaction entre les protéines du complexe Elmo3/Dock1. Cette étude apporte les premières évidences de fonctions biologiques pour Elmo3. Pour conclure, nos études ont permis de souligner l’importance d’un control approprié de la régulation conformationnelle d’Elmo. En effet, en manipulant cette régulation dans un modèle de muscle squelettique, via l’introduction d’une mutation maintenant la protéine dans une conformation ouverte, cela a permis un effet positif sur la fusion des myoblastes et sur la régénération musculaire, menant à l’amélioration des phénotypes de dystrophie musculaire.   l’opposé, la présence chez l’humain de mutations dans Elmo peut également affecter l’activation de Rac1 par Dock1, contribuant ainsi à une déficience intellectuelle chez le porteur. / The scaffold proteins Elmo forms a complex with guanine nucleotide exchange factors (GEFs) of the Dock family. The Elmo/Dock complex is characterized with a conformational regulation and at the basal level, the complex is found in a closed state, owing to the presence of contact sites blocking the binding of Elmo interactors and the GEF activity of Dock for the activation of Rac1. In their activated state, the complex adopts an open conformation and Elmo binding sites will be available. For example, binding of the GTPases RhoG or Arl4A to the RBD domain of Elmo has been shown to induce the recruitment of the complex at the cell membrane. Likewise, the DHR- 2 domain of Dock being available, the GTPase Rac1 will then be specifically activated by Dock and thus induce the remodeling of the actin cytoskeleton. Various cellular processes will then be triggered, such as cell migration, phagocytosis and muscle cell (named myoblast) fusion. In this thesis, we have emphasized the importance of the conformational regulation of Elmo by achieving two objectives. For the first objective, we studied the conformational regulation of Elmo during myogenesis, i.e. during the establishment of skeletal muscle. The formation of multinucleated myofibers is fundamental for skeletal muscle. During this process, myoblast fusion is a key step to allow the development as well as the regeneration of the muscle. In order to study Elmo in this in vivo context, we generated a series of mouse models. First, through the generation of double knockout mice for Elmo1 and Elmo2 (Elmo1KOElmo2cKO), we demonstrated the essential function of Elmo during embryonic myoblast fusion. Indeed, only mononucleated myofibers are observed following the genetic inactivation of Elmo1 and Elmo2. Subsequently, we also generated knockin mouse lines, where mutations were introduced in specific domains of Elmo to induce its opened (Elmo2EID) or closed (Elmo2RBD) conformation. Thus, we have demonstrated that when Elmo2EID is expressed, the fusion capability is increased and the myofibres are larger. Moreover, muscle regeneration is more efficient in these mice. At the opposite, when Elmo2 has lost its RBD activity (Elmo1KOElmo2RBD), smaller myofibers are observed as well as a less efficient muscle regeneration. Finally, we demonstrated that increasing the Elmo-Dock1-Rac1 pathway activity, directly through the control of the conformational regulation of Elmo, leads to the improvement of the dystrophic phenotypes found in DysferlinKO mice, a mouse model of the limb-girdle muscular dystrophy type 2B (LGMD2B). Thus, for the first time, we have established the possibility of exploiting myoblast fusion as a regenerative therapy for muscle diseases. For the second objective, we studied Elmo3 in a clinical case, as part of an international collaboration. More specifically, biallelic mutations in Elmo3 gene have been identified in a young patient with intellectual disability. Through biochemical and functional studies, we have shown that the mutations have an impact on the activation of Rac1, without however affecting the interaction between the proteins of the Elmo3/Dock1 complex. This study provides the first evidence of biological functions for Elmo3. In conclusion, our study has emphasis the relevance of the proper control of the conformational regulation of Elmo. In fact, by manipulating this regulation in a skeletal muscle model, through the introduction of a specific mutation promoting the open conformation of Elmo, it promotes myoblast fusion and induce a more efficient muscle regeneration, thus improving the dystrophic phenotypes. In contrast, the presence of human mutations in Elmo can also affect the activation of Rac1 by Dock1, hence contributing to intellectual disability in the carrier.