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

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Dans cette thèse, l’auto-assemblage en molécules colloïdales de virus en forme de filament, les bactériophages M13, est étudié. Comme première approche, l’affinité de la streptavidine pour la biotine ou un Strep-tag est utilisée et quantitativement comparée. Pour ce faire, des virus modifiés génétiquement, M13-AS, présentant des Strep-tag et des virus M13C7C chimiquement bioconjugués par de la biotine ont réagi via leur extrémité proximale avec des nanoparticules fonctionnalisées par de la streptavidine. Il en résulte la formation de molécules colloïdales en étoile, dont la valence ou nombre de virus par structure, peut être simplement contrôlée par l’excès molaire initial. Cependant, la stabilité de ces molécules colloïdales est limitée par la libération progressive et la dégradation de la streptavidine. Nous avons alors développé une seconde approche basée sur l’affinité soufre-métal, qui s’est avérée à la fois pratique expérimentalement et fiable. Grâce aux groupements disulfures présents sur les cystéines de la protéine P3, des nanoparticules métalliques peuvent se lier à l’extrémité des virus. Le caractère générique de cette méthode est vérifié en faisant varier la nature du métal des nanoparticules ainsi que la souche des virus, dont la sauvage. La valence des structures formées est déterminée en fonction de plusieurs paramètres, dont l’excès molaire initial, la taille des nanoparticules et la force ionique. Un modèle rendant compte des résultats expérimentaux a été élaboré, dont les principales variables sont la surface des nanoparticules et le diamètre effectif électrostatique des virus. Cette approche est étendue à la réalisation de diblocs colloïdaux hétéro bifonctionnels, utilisant les virus comme briques constitutives. Comme preuve de concept, des diblocs bicolores à base de virus sont obtenus par auto-assemblage et leur dynamique est étudiée à l’échelle du bloc élémentaire en microscopie optique de fluorescence. Ainsi, nous avons montré dans cette thèse la réalisation par auto-assemblage d’une nouvelle génération de molécules colloïdales, dont l’auto-organisation peut conduire à la formation de superstructures hiérarchiques hybrides de complexité croissante, potentiellement utiles en sciences des matériaux. / In this thesis, the self-assembly of rod-like viral particles, specifically the M13 bacteriophages, into colloidal molecules is studied. As the first method, the affinity of streptavidin to biotin or Strep-tag is used and quantitatively compared. In this case, both biologically engineered M13-AS displaying Strep-tags and chemically biotinylated M13C7C viruses have reacted with streptavidin activated nanoparticles via their functionalized proximal ends. This results in star-like colloidal molecules, whose valency – or number of viruses par structure – can be solely controlled by tuning the initial molar excess. However, the stability of these colloidal molecules is limited by streptavidin release and degradation. Thus, we develop the second method based on the sulfur—metal interactions, which is more convenient and reliable. Thanks to the exposed disulfide groups located at p3 proteins, metallic nanoparticles are able to bind to proximal ends of the M13 virus. The generic feature of this method is verified by using different metals and two virus strains including wt-M13. Afterwards, the control of the valency is explored by varying the initial molar excess, the nanoparticle size and the ionic strength. A quantitative model is built correspondingly, using the surface area of Au nanobead and the effective electrostatic diameter of the virus as variables, which accounts for the assembly of colloidal molecules with desired valencies. This method is further applied to assemble heterobifunctional diblocks by using filamentous viruses as building units. As a proof-of-concept experiment, bicolored diblocks are produced and tracked by each block simultaneously. Overall, we demonstrate the synthesis of a new generation of hybrid colloidal molecules, whose self-organization could serve as a promising means to create novel hierarchical biologic/inorganic superstructures that may find applications in materials science.

Clostridium difficile est une bactérie pathogène responsable de diarrhées nosocomiales et de la plupart des colites pseudomembraneuses. Le principal facteur de risque est la prise d’antibiotiques qui altère la composition du microbiote intestinal, et favorise ainsi l’implantation de la bactérie au niveau colique. Après une étape de colonisation, la bactérie produit ses principaux facteurs de virulence, les toxines A et B. La colonisation est un processus multifactoriel, qui met en jeu différentes protéines de surface dont des adhésines et une cystéine protéase Cwp84.Dans une première partie, nous avons analysé le processus de maturation de la protéase Cwp84, ainsi que sa localisation dans la bactérie, afin de mieux comprendre son rôle dans la virulence de C. difficile. La protéase recombinante, purifiée sous forme de zymogène, présente un processus de maturation particulier comprenant des clivages successifs, qui aboutissent à la forme mature de 47 KDa. La protéase ainsi activée présente une activité protéolytique sur la fibronectine. Dans la bactérie, Cwp84 existe sous deux formes majoritaires, associées à la surface de la bactérie : une première forme, d’environ 80 KDa, associée aux protéines de la couche S, dont le rôle serait de cliver le précurseur des protéines de la couche S en deux protéines matures ; une deuxième forme, d’environ 50 KDa correspondant vraisemblablement à la forme mature de la protéase recombinante de 47 KDa, est retrouvée à la fois dans la fraction extracellulaire et associée à la surface de la bactérie. Nous avons montré que la protéase rélarguée est capable de se ré-associer sous sa forme mature de manière spécifique à la surface de C. difficile. Dans une deuxième partie, nous avons analysé l’impact de conditions environnementales mimant celles rencontrées par la bactérie au cours de son transit dans le tractus digestif de l’hôte, sur la modulation de facteurs de colonisation, dont la protéase. Nous avons montré qu’un pH acide favorise à la fois l’expression et le processus de maturation de la protéase vers sa forme mature de 47 KDa. Des analyses protéomiques et transcriptomiques ont montré que d’autres protéines impliquées dans colonisation sont surexprimées dans un milieu avec glucose, cette régulation étant vraisemblablement liée à la diminution du pH résultant de la fermentation du glucose plutôt qu’à un effet direct de ce sucre. Cette régulation des facteurs de virulence par le pH acide est probablement un élément favorable au processus de colonisation de l’hôte. Ces différentes analyses ont également permis l’identification de facteurs de virulence potentiels, qui devront être caractérisés par la suite. / Clostridium difficile, a gram-positive spore-forming, anaerobic bacterium, is the etiological agent of pseudomembranous colitis and of many cases of nosocomial diarrhea. The main risk factor is the use of antibiotics that alters the intestinal microbiota, predisposing to C. difficile intestinal colonization. C. difficile pathogenicity is mediated mainly by its A and B toxins, secreted after host colonization that involves various surface proteins, including different adhesins and proteolytic enzymes as the cysteine protease Cwp84.We sought to analyze the localization and the maturation process of the proteaseCwp84. We showed that the recombinant protein Cwp8430-803, purified as zymogen form, presents a particular maturation process including consecutive cleavages, leading to the mature form of 47 kDa. This protease has a proteolytic activity against the fibronectin. Two identifiable forms of the protease were found to be associated in the bacteria: a form of about 80 kDa and a cleaved one of 47 kDa, identified as the mature protease. They were found mainly in the bacterial cell surface fractions, and weakly in the extracellular fraction. The 80 kDa protein was non covalently associated to the S-layer proteins, while the 47 kDa form was found to be tightly associated with the underlying cell wall. Our data supported that the anchoring of the Cwp84 47 kDa form is presumably due to a re-association of the secreted protein.We also studied the regulation of virulence factors depending of environmental conditions that mimic those encountered by the bacterium in the digestive tract. We showed that an acidic pH affects the expression and the proteolytic process of Cwp84. The mature form was only recovered with an acidic pH. Proteomic and transcriptomic analysis of some surface proteins involved in colonization revealed that their expression was increased in media containing glucose. However, this regulation is probably related to the decrease in pH resulting from fermentation of glucose, rather than a direct effect of glucose. The acidic pH could lead in vivo to modulation of virulence factors expression and is probably a favorable feature in the colonisation process. We also identified new surface associated-proteins, that could represent potential virulence factors; they will be characterized later.

RESUME: S'il est établi que les acides aminés interagissent à différents niveaux avec les mécanismes de la régulation glycémique, le rôle quantitatif et qualitatif de l'apport protéique dans l'homéostasie du glucose reste controversé. Le stress oxydant joue un rôle important dans la pathogenèse de l'insulino-résistance, mais peu d'études ont exploré les effets de modulations de l'apport en cystéine, substrat limitant de la synthèse de glutathion. Après une étude des données bibliographiques portant sur les relations entre l'apport protéique et la régulation glycémique, avec un intérêt particulier porté à l'apport en acides aminés soufrés, nous présentons les résultats de nos études expérimentales réalisées chez le rat. Nous avons exploré les effets de la consommation de régimes hyperprotéiques sur la composition corporelle, la tolérance au glucose et la sensibilité à l'insuline et nous avons évalué les contributions respectives de la diminution spontanée de l'apport énergétique et de l'augmentation de l'apport protéique dans les effets observés. Par la suite, nous avons étudié les effets d'une augmentation spécifique en aigu et à moyen terme de l'apport en cystéine, apportée par l'intermédiaire d'une source protéique naturellement riche en cystéine (protéines de lactosérum enrichies en αlactalbumine) ou d'un donneur de cystéine (N-acétylcystéine), sur le statut en glutathion et la régulation glycémique chez le rat nourri avec un régime hypersaccharosé, un modèle d'induction nutritionnelle de stress oxydant associé à l'apparition d'une insulino-résistance. Différents paramètres de la régulation glycémique, évaluée à jeun et en dynamique (période postprandiale et provocations glycémiques ou insuliniques), ont été confrontés à des marqueurs du statut redox, du métabolisme du glutathion, de la production et de la biodisponibilité du monoxyde d'azote. L'augmentation de la fraction protéique de l'alimentation réduit le dépôt adipeux et améliore la régulation glycémique chez le rat sain. Chez le rat nourri avec un régime hypersaccharosé, une augmentation spécifique de l'apport en cystéine améliore le statut en glutathion et prévient le stress oxydant, les dysrégulations glycémiques et la réduction de la biodisponibilité du monoxyde d'azote. Ces résultats suggèrent que des conditions alimentaires conduisant à l'apparition d'un stress oxydant modéré pourraient être associées à une augmentation des besoins en acides aminés soufrés et que la non couverture de ces besoins favorise l'apparition de dysfonctions métaboliques.

Medicago truncatula est une Légumineuse établissant une interaction symbiotique avec une bactérie tellurique de la famille des Rhizobiacées, Sinorhizobium meliloti. Cette interaction induit l'organogénèse racinaire d'un nouvel organe, la nodosité dans laquelle s'établit un microenvironnement propice à la différenciation de S. meliloti en bactéroïde fixateur du diazote atmosphérique. Ce dernier réduit ainsi le N2 atmosphérique en ammonium, assimilé ensuite par la plante hôte. Cette réduction étant très endergonique M. truncatula fournit aux bactéroïdes des substrats carbonés issus de la photosynthèse. Cependant, cette interaction n'est pas pérenne, du fait de la mise en place d'un processus de sénescence ; processus conduisant à la lyse des bactéroïdes et des cellules hôtes végétales. Cependant, à l'heure actuelle, ce processus de rupture symbiotique reste largement méconnu. Afin de mieux caractériser ce processus de sénescence, nous avons développé de nouveaux outils cytologiques permettant par microscopie confocale de suivre in vivo la viabilité, mais également le fonctionnement des bactéroïdes au sein de la cellule hôte végétale. Ces nouvelles approches cytologiques pourraient ainsi offrir de nouvelles perspectives pour une caractérisation plus précise du déroulement du processus de sénescence nodositaire. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons également cherché à déterminer l'implication de deux cystéines protéases dans la mise en place du processus de sénescence nodositaire. Une des caractéristiques de ce processus de sénescence est une hausse de l'activité protéolytique, notamment des activités cystéine protéases. L'analyse transcriptomique par cDNA-AFLP du processus de sénescence nodositaire (Van de Velde et al. 2006) a pu mettre en évidence 508 gènes différentiellement exprimés dont deux cystéines protéases, MtCP6 et MtVPE. L'analyse spatio-temporelle de MtCP6 et MtVPE, par fusion transcriptionnelle avec le gène rapporteur GUS, a permis de mettre en évidence l'induction de ces deux gènes lors du processus de sénescence nodositaire aussi bien développementale qu'induit par un traitement abiotique ou lors d'une interaction symbiotique non efficace. De plus, nous avons pu démontrer, par génétique inverse, que la diminution de l'expression de ces deux protéases retarde la mise en place du processus de sénescence, alors que leur expression précoce conduit à la promouvoir. Enfin, l'étude par microscopie confocale de la localisation subcellulaire de ces protéases par fusion traductionnelle avec la GFP, démontre leur adressage aux bactéroïdes. Nos données tendent donc à démontrer le rôle clef de MtCP6 et de MtVPE dans le processus de sénescence nodositaire, où ces protéases pourraient participer directement au déclenchement d'une dégradation des bactéroïdes.

Au cours de ces travaux de thèse, la synthèse de BODIPYs émettant dans le rouge et le proche infrarouge a été réalisée. Un premier travail d'extension de la conjugaison électronique (soit par introduction de groupements aromatiques sur le corps du BODIPY, soit par dimérisation) a permis d'atteindre les basses énergies du spectre électromagnétique. La validation d'une méthode de synthèse de BODIPYs à l'aide d'orthoesters a permis une mise en oeuvre aisée et une nette amélioration de leurs rendements. Parmi les fluorophores obtenus, les dithiényl-BODIPYs émettant dans la fenêtre thérapeutique (650-900 nm) présentent des propriétés optiques et électrochimiques intéressantes. Ils ont été utilisés pour des applications dans le domaine biologique. Après leur solubilisation dans les milieux aqueux par introduction de groupements ammoniums, la détection d'un acide aminé, la cystéine, a pu être réalisée par spectroscopies d'absorption et de fluorescence mettant en évidence un système ratiométrique. De plus, le marquage d'une protéine modèle, le sérum d'albumine bovine, permet d'envisager l'utilisation de ce type de BODIPYs pour l'imagerie biologique grâce à un rendement quantique de fluorescence élevé en milieu physiologique.

Le récepteur-canal P2X7 est fortement exprimé et est fonctionnel dans la lignée de cellules cancéreuses mammaires humaines hautement invasives MDA-MB-435s. L’activation de P2X7 par l’ATP extracellulaire est responsable de l'émission des prolongements cellulaires et l'augmentation de la migration cellulaire. En outre, l’activation de P2X7 augmente l’invasion cellulaire à travers la matrice extracellulaire et fait intervenir la libération de forme mature de cathepsines à cystéine dans le milieu extracellulaire. L’inhibition pharmacologique de P2X7 diminue l’invasivité des cellules cancéreuses dans un modèle de micrométastases chez le poisson zèbre. Nous avons également montré que l’émodine (1,3,8-trihydroxy-6-méthylanthraquinone) une anthraquinone isolée de Rheum officinale Baill (Rhubarbe chinoise) inhibe l’invasivité des cellules cancéreuses humaines via l’antagonisme de P2X7 et n’as pas d’effet sur les autres récepteurs P2X. Nos résultats démontrent un nouveau mécanisme entre la fonctionnalité de P2X7 dans les cellules cancéreuses et l’invasivité cellulaire, un paramètre clé dans la croissance tumorale et le développement des métastases. Ceci suggère également un rôle thérapeutique potentiel pour les antagonistes des P2X7. / P2X7 receptor channel is highly expressed and fully functional in the highly invasive human breast cancer cell line MDA-MB-435s. Its activation by extracellular ATP is responsible for the extension of neurite-like cellular prolongations, and the increase in cell migration. Furthermore, P2X7 activation enhanced invasion through the extracellular matrix and was related to the increase of mature forms of cysteine cathepsins in the extracellular medium. Pharmacological targeting of P2X7 decreases cancer cell invasiveness in a zebrafish model of micrometastases. We also showed that emodin (1,3,8-trihydroxy-6-methylanthraquinone) an anthraquinone derivative originally isolated from Rheum officinale Baill (Chinese Rhubarb) inhibits human cancer cell invasiveness by specifically antagonizing the P2X7 and not the other members of the P2X family. Our results demonstrate a novel mechanistic link between P2X7 functionality in cancer cells and invasiveness, a key parameter in tumour growth and in the development of metastases. These results also suggest a potential therapeutic role for the newly developed P2X7 antagonists.

Dans ce travail, nous avons développé différentes méthodes pour la co-immobilisation sur des électrodes poreuses de carbone de déshydrogénases NAD-dépendantes avec le complexe (2,2'-bipyridyle)(pentaméthylcyclopentadiényl)-rhodium ([Cp*Rh(bpy)Cl]+) pour des applications de synthèse électroenzymatique d’alcools et de sucres chiraux. L'objectif était d'éviter la dégradation de l'activité enzymatique provenant de l'interaction entre les groupes fonctionnels de surface de l'enzyme (-SH, -NH2) et le complexe [Cp*Rh(bpy)Cl]+, et également de permettre le recyclage des catalyseurs. L’électrogreffage de sels de diazonium a été utilisé pour introduire des fonctions alcène et/ou azoture sur une surface de carbone (carbone vitreux plan, feutre de carbone poreux ou couches de nanotubes de carbone). La chimie click « thiol-ène » a été utilisée pour lier de manière covalente une D-sorbitol déshydrogénase modifiée par un tag cystéine (soit 1 ou 2 fragments cystéine à l'extrémité N-terminale de la chaîne polypeptidique) à des électrodes de carbone. Ensuite, la réaction de cyclo-addition de Huisgen alcyne-azoture a été utilisée pour lier le complexe [Cp*Rh(bpy)Cl]+ à l’électrode. Ensuite la co-immobilisation des enzymes redox (D-sorbitol et galactitol déshydrogénases) avec le complexe [Cp*Rh(bpy)Cl]+ a été testée par l'encapsulation des protéines dans une couche de gel de silice, à l'intérieur d'un feutre de carbone poreux préalablement fonctionnalisé par le complexe de rhodium. Le catalyseur est alors stable pendant plusieurs semaines pour la réaction de régénération de NADH, mais cette architecture d'électrode conduit à l'inhibition de l'activité enzymatique, probablement causée par un microenvironnement local (augmentation du pH et de la concentration du produit). La combinaison des chimies clicks « thiol-ène » et cyclo-addition de Huisgen a ensuite été étudiée pour l'immobilisation séquentielle de [Cp*Rh(bpy)Cl]+ et d’une D-sorbitol déshydrogénase porteuse d’un tag cystéine, sur une électrode poreuse bi-fonctionnalisée par les groupes azoture et alcène. Enfin, compte tenu de la différence de durée de vie des enzymes et du complexe [Cp*Rh(bpy)Cl]+ et de la nécessité d'améliorer la séparation de ces éléments du système bioélectrochimique, l’assemblage optimal a été obtenu en associant une couche poreuse de silice dans laquelle est immobilisée l’enzyme avec un papier de nanotubes de carbone fonctionnalisé par le complexe de rhodium. Le catalyseur [Cp*Rh(bpy)Cl]+ pour la régénération de NADH peut être réutilisé successivement avec plusieurs couches de protéines. Ce système optimal a finalement été appliqué à la conversion bioélectrochimique du D-fructose en D-sorbitol / In this work we developed methods for the co-immobilization of NAD-dependent dehydrogenases and the (2,2'-bipyridyl) (pentamethylcyclopentadienyl)-rhodium complex ([Cp*Rh(bpy)Cl]+) on porous carbon electrodes for application in the electroenzymatic synthesis of chiral alcohols and sugars. The goal was to avoid the degradation of the enzymatic activity coming from the interaction of functional groups from the enzyme surface (eg.-SH, -NH2) with [Cp*Rh(bpy)Cl]+ and to promote the recyclability of the catalyst. Diazonium electrografting was used to introduce alkene and azide groups on a carbon surface (flat glassy carbon, porous carbon felt or carbon nanotubes layers). Thiol-ene click chemistry was applied to bind a D-sorbitol dehydrogenase with cysteine tags (either 1 or 2 cysteine moieties at the N terminus of the polypeptide chain) onto carbon electrodes. Azide-alkyne Huisgen cyclo-addition reaction was used to bind an alkyne-modified [Cp*Rh(bpy)Cl]+. Then co-immobilization of the redox enzymes (D-sorbitol and galactitol dehydrogenase) with the complex [Cp*Rh(bpy)Cl]+ was tested by encapsulation of the proteins in a silica gel layer, inside a rhodium-functionalized porous carbon felt. The immobilized [Cp*Rh(bpy)Cl]+ was stable over weeks for NADH regeneration, but this electrode architecture led to the inhibition of the enzymatic activity, possibly because of the local environment (increase of pH and product accumulation in the porous electrode). The combination of ‘thiol-ene’ and Huisgen cyclo-addition was then investigated for sequential immobilization of [Cp*Rh(bpy)Cl]+ and cysteine-tagged D-sorbitol dehydrogenase on an azide-alkene bi-functionalized electrode. Finally, considering the different lifetime of enzymes and [Cp*Rh(bpy)Cl]+ catalyst, and the need for a better separation of these elements from the bioelectrochemical system, the best configuration was achieved by associating a porous silica layer with the immobilized enzyme with a bucky paper of carbon nanotubes functionalized with [Cp*Rh(bpy)Cl]+. The reusability of this functionalized electrode was proved and the designed bioelectrode was successfully applied to a bioelectrochemical conversion of D-fructose to D-sorbitol

Le renouvellement de la membrane basale et de la matrice extracellulaire lors de processus physiologiques ou pathologiques (réparation tissulaire, angiogenèse, inflammation, cancer) fait intervenir de nombreuses protéases dont les cathepsines à cystéine. Après avoir étudié leur localisation dans l’épiderme à proximité de la jonction dermo-épidermique et leur sécrétion par les kératinocytes, nous avons montré la capacité de la cathepsine S à dégrader efficacement les principales protéines de la membrane basale (laminine, collagène IV, perlécan) et plus particulièrement le nidogène-1, qui est essentiel à l’organisation architecturale de la membrane basale via de multiples interactions avec les autres constituants. Parmi plusieurs glycosaminoglycanes présents dans la matrice extracellulaire, le chondroïtine 4-sulfate est capable de se complexer avec la cathepsine S, via trois sites potentiels de fixation dont un au niveau de son site actif, et d’inhiber son activité enzymatique de façon dose-dépendante. L’expression et l’activité de la cathepsine S au niveau de l’épiderme diminuent au cours du vieillissement cutané, alors que l’expression du nidogène-1 reste stable. La cathepsine S jouerait donc un rôle important aux côtés d’autres protéases dans le remodelage de la membrane basale. / Basement membrane (BM) and extracellular matrix (ECM) turnover during physiological or pathological events (tissue repair, angiogenesis, inflammation, cancer) involves numerous proteases including cysteine cathepsins. Cathepsins expression in skin epidermis near dermal-epidermal junction and their secretion by keratinocytes were first analyzed. We showed that cathepsin S degrades efficiently main BM components (laminin, type IV collagen, perlecan) and particularly nidogen-1 that is essential for BM architecture. Among several glycosaminoglycans present in ECM, chondroïtin 4-sulfate is able to form a stable complex with cathepsin S. Three predicted binding sites including one closed to its active site were identified. Further, C4-S inhibits cathepsin S activity in a dose-dependent manner. The expression and activity of cathepsin S in epidermis are decreased upon skin aging while nidogen-1 expression remains unchanged. Cathepsin S besides other proteases may play an important role in BM remodeling.