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

La 17β-HSD1 catalyse l’activation de l’oestrogène le plus actif, l’estradiol, ainsi que la désactivation de la dihydrotestosterone, l’androgène le plus puissant. Cette enzyme est considé ré e comme une cible prometteuse pour le traitement des maladies dépendantes des oestrogènes. Malgré des décennies de recherches, aucun inhibiteur ciblant la 17β-HSD1 n’a encore atteint le stade clinique. De plus, le mécanisme de l’inhibition du substrat de la 17β-HSD1, qui peut être utilisé pour faciliter la conception d’inhibiteur, n’est toujours pas bien dé montré de maniè re structurelle. Ici, nous avons Co-cristallisé trois inhibiteurs de différence, à savoir l’EM- 139, le 2-MeO-CC-156 et le PBRM, avec la 17β-HSD1 et avons résolu ces structures cristallines. L’inhibiteur ré versible EM-139 s’est révélé moins stable dans le site de liaison aux stéroïdes, avec seulement la fraction du noyau stéroïdien de l’inhibiteur présentant une densité d’électron définissable. La fraction volumineuse de 7α-alkyle de l’inhibiteur, qui limite son activité anti-oestrogénique, n’est pas dé finie dans la densité électronique, peut compromettre l’effet inhibiteur de l’inhibiteur sur l’enzyme. Quant à l’inhibiteur réversible, le 2-MeO-CC-156, il interagit de maniè re similaire que le CC-156 avec l’enzyme. Cependant, avec la présence du groupe 2-MeO, le pouvoir inhibiteur de la 17β-HSD1 est nettement infé rieur à celui du CC-156. L’analyse du complexe ternaire PBRM avec la 17β-HSD1 montre clairement la formation d’une liaison covalente entre l’His221 et la chaîne laté rale bromoethyl de l’inhibiteur, donnant un aperç u des interactions molé culaires bé né fiques qui favorisent la liaison et l’avè nement de N-alkylation ulté rieur dans le site catalytique de l’enzyme. En outre, le groupe bromoethyl en position C-3 du PBRM justifie son profil non oestrogénique, ralentit son mé tabolisme et assure son action spé cifique de la 17β-HSD1 par la formation d’une liaison covalente avec Nε du ré sidu His221. Nous avons aussi Co-cristallisé la 17β-HSD1 avec l’oestrone ainsi qu’avec l’analogue de l’oestrone et du cofacteur NADP+, la structure a révélé un mode de liaison inversé de l’oestrone dans l’enzyme, jamais trouvé dans les complexes d’estradiol. L’analyse structurale a démontré que His221 est le résidu clé responsable de la réorganisation et de la stabilisation de l’oestrone liée de manière inversée, conduisant à la formation d’un complexe sans issue. Ainsi, sur la base du mécanisme d’inhibition du substrat et de l’analyse computationnelle, une novelle entité chimique (SX7) est proposé e qui peut inhiber la 17β-HSD1 et former un complexe sans issue. De plus, avec un grand nombre d’échantillons cliniques, nous avons dé montré la modulation et la corrélation d’expression significative de plusieurs enzymes clés de conversion des sté roïdes, supportant les 17β-HSD1 et 17β-HSD7 ré ductrices comme cibles prometteuses et la nouvelle thé rapie combiné e ciblant les 11β-HSD2 et 17β- HSD7 / Human 17β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (17β-HSD1) catalyzes the activation of the most potent estrogen estradiol as well as the deactivation of the most active androgen dihydrotestosterone, and is considered as a promising target for the treatment of estrogen-dependent diseases such as endometriosis, breast cancer, endometrial cancer and ovarian cancer. Despite decades of research, no inhibitor targeting 17β-HSD1 has yet reached the stage of clinical trials. Moreover, the structure-biological function of the substrate inhibition of 17β-HSD1, which can be used to facilitate the inhibitor design, is still not well demonstrated. Here we co-crystallized three different inhibitors, namely EM-139, 2-MeO-CC-156 and PBRM, with 17β-HSD1 and solved the structures of these complexes. The reversible inhibitor EM-139 showed high mobility in the steroid binding site with only its steroid core moiety could be defined in the electron density. The bulky 7α-alkyl moiety of the inhibitor, which guarantees its anti-estrogenic activity but unable to be defined in the electron density, may compromise the inhibitory effect of the inhibitor on the enzyme. As for the reversible inhibitor 2-MeO-CC-156, it interacts similarly to CC-156 with the enzyme. However, in the presence of the 2- MeO group, it shows much less inhibitory potency to 17β-HSD1 as compared to the CC-156. The analysis of the PBRM ternary complex with 17β-HSD1 clearly shows an unambiguous continuity of electron density from the side chain of His221 to the bound PBRM, demonstrating the formation of a covalent bond between the Nε of His221 and the C-31 (BrCH2) of the inhibitor. This result provides insight into beneficial molecular interactions that favor the binding and subsequent N-alkylation event in the enzyme catalytic site. Also, the bromoethyl group at position C-3 of the PBRM warrants its non-estrogenic profile, slows down its metabolism, and secures the specific action of 17β-HSD1 through the formation of a covalent bond with Nε of residue His221. Meanwhile, we co-crystallized 17β-HSD1 with estrone as well as with estrone and cofactor analog NADP+, revealed a reversely orientated binding mode of estrone in the enzyme, never found in reported estradiol complexes. Structural analysis demonstrated that His221 is the key residue responsible for the reorganization and stabilization of the reversely bound estrone, leading to the formation of a dead-end complex. Thus, based on the substrate inhibition mechanism and computational analysis, a chemical entity (SX7) is proposed that may inhibit 17β-HSD1 and form a dead-end complex. Furthermore, with large number clinical samples, we demonstrated the significant expression modulation and expression correlation of several key steroidconverting enzymes, supporting the reductive 17β-HSD1 and 17β-HSD7 as promising targets and the new combined therapy targeting 11β-HSD2 and 17β-HSD7.

L 'histoire familiale et l'exposition aux estrogènes sont deux facteurs de risque de cancer du sein bien connus. À l'opposé, les androgènes agissent comme protecteurs dans le tissu mammaire tout comme certains métabolites de la progestérone. Ce sont les membres de la famille des 17f3-hydroxystéroïdes déshydrogénases qui sont responsables des étapes importantes dans la formation et l' inactivation de tous les stéroïdes sexuels. Plus particulièrement, la 17f3-HSD de type 5 est une enzyme clé dans la formation des androgènes et dans l' inactivation de la progestérone en métabolites protecteurs. Nous avons donc procédé à l' identification des variants de séquence du gène HSD 17 B5 chez des femmes canadiennes-françaises ayant eu un cancer du sein. Par la suite, nous avons fait l'analyse fonctionnelle des variants qui entraînent un changement d'acide aminé. Ces différentes expérimentations nous ont permis de vérifier l'implication potentielle de ce gène dans la modulation du risque de développer un cancer du sein.

Le projet de recherche présenté dans cette thèse visait à caractériser la fonction de l'enzyme 17ß-hydroxystéroïde déshydrogénase de type 12 (17ß-HSD12), qui catalyse la synthèse d'estradiol, par opposition à son homologue la 17ß-HSD3, impliquée dans la production testiculaire de testosterone. Dans un premier temps, nous avons observé que le processus de différenciation adipocytaire était associé avec une augmentation drastique de l'activité 17ß-HSD estrogénique, elle-même concomitante avec une élévation des niveaux d'expression de l'enzyme 17ß-HSD12, lui suggérant donc une fonction estrogénique importante, du moins au niveau des cellules adipeuses humaines. Parallèlement, nous avons pu confirmer l'importance de l'acide aminé 234 au niveau de l'activité et de la spécificité estrogénique via la caractérisation des enzymes 17ß-HSD12 de singe et de rat, toutes deux tributaires d'une phenylalanine à cette position critique, par opposition aux orthologues de C.elegans et de souris, qui eux possèdent un acide aminé en position 234 moins encombrant, permettant à la 17ß-HSD12 de convertir à la fois les androgènes et les estrogènes chez ces deux espèces. Enfin, par la génération d'un modèle de souris déficiente en 17ß-HSD12, nous avons conclu que la 17ß-HSD12 possédait une fonction physiologique supplémentaire, différente de son activité estrogénique. En effet, malgré le fait que nous envisagions un phénotype qui aurait dû refléter une déficience estrogénique, du moins au niveau de certains tissus, aucun homozygote portant la deletion n'a vu le jour, l'absence de 17ß-HSD12 fonctionnelle causant une létalité complète au niveau embryonnaire. Il est fort probable que cet arrêt du développement embryonnaire soit attribuable à la fonction d'élongation des acides gras ayant précédemment été reconnue à la 17ß-HSD12. L'ensemble de ces résultats porte à croire que la 17ß-HSD12 serait une enzyme bifonctionnelle, exerçant une action importante au niveau de la production des acides gras à longues chaînes, mais démontrant également une implication dans la production de molécules stéroïdiennes actives, tout dépendant du contexte cellulaire.

Les tissus adipeux ont été reconnus il y a longtemps comme des sites importants de transformation et d’action des hormones stéroïdiennes. Parmi ces hormones, les androgènes et les oestrogènes jouent un rôle important dans la régulation des fonctions du tissu adipeux comme l'accumulation de triglycérides, la lipolyse, la différenciation des préadipocytes et la prolifération cellulaire. La disponibilité de ces hormones est modulée par un groupe d’enzymes de conversion des stéroïdes qui n’ont pas été entièrement caractérisées dans les tissus adipeux humains. Objectif: Notre objectif était de caractériser les isoenzymes de la 5α-réductase de même que la 17β-hydroxystéroïd déshydrogénase (17β-HSD) de type 2 et leur association avec les mesures anthropométriques et/ou les marqueurs d'adiposité. Méthodes: Des tissus adipeux omental et sous-cutané ont été obtenus auprès d’hommes et/ou de femmes non-obèses et/ou obèses. L'expression des 5α-réductases et 17β-HSD type 2 ont été mesurées dans différents modèles de tissus adipeux. Des techniques d’immunohistochimie et d'imagerie confocale ont été utilisées pour localiser la 17β-HSD type 2 dans les tissus adipeux. Nous avons utilisé des inhibiteurs spécifiques à ces enzymes dans nos expériences. De plus, des cultures de cellules HEK-293 ont été utilisées pour tester les inhibiteurs des 5α-réductases. Résultats: Nous avons démontré que la dihydrotestostérone est formée principalement à partir de l'androsténedione (4-dione) et est responsable de la grande majorité de l’effet inhibiteur du 4-dione et de la testostérone sur l'adipogenèse. Les isoenzymes de la 5α-réductase jouent donc un rôle important dans la régulation de la différenciation des préadipocytes. Nos résultats indiquent également que la conversion de la testostérone et de l'estradiol en stéroïdes moins actifs tels que le 4-dione et l'estrone, respectivement, est effectuée par la 17β-HSD type 2 qui est localisée dans les vaisseaux sanguins des tissus adipeux des hommes et des femmes. Conclusion: Les 5α-réductases et la 17β-HSD type 2 modulent la disponibilité des hormones stéroïdiennes actives dans les tissus adipeux humains. Leur activité et/ou leur expression est associée aux mesures d’adiposité. Ceci supporte la notion d’un rôle possible de ces enzymes dans l'altération des dépôts graisseux via une modulation de la disponibilité des hormones stéroïdiennes actives. / Adipose tissue has long been recognized as a significant site for steroid hormone transformation and action. These hormones include androgens and estrogens, which play a pivotal role in the regulation of many adipose tissue functions including triglyceride accumulation, lipolysis, preadipocyte differentiation and proliferation. The availability of these hormones is regulated through a group of steroid hormone-converting enzymes that have not been fully characterized in adipose tissue. Our objective was to characterize steroid hormone-converting enzymes 5α-reductase and 17β-hydroxysteroid dehydrogenase (17β-HSD) type 2 and their involvement in the regulation of androgen and estrogen availability in abdominal adipose tissues of men and/or women, and define their association with anthropometric measurements or other adiposity markers. Methods: Omental (OM) and subcutaneous (SC) adipose tissues were obtained from non-obese and/or obese men and/or women. The expression of 5α-reductase and 17β-HSD type 2 isoenzyme was measured in various OM and SC tissue models. Immunohistochemistry and confocal imaging techniques were used to localize 17β-HSD type 2 in adiposes tissues. We used specific enzyme inhibitors in our experiments. In addition, HEK-293 cell cultures were used to test the 5α-reductase isoenzymes inhibitors. We also measured glycerol-3-phosphate dehydrogenase (G3PDH) activity with or without 5α-reductase inhibitors to assess the extent of preadipocyte differentiation. Results: Dihydrotestosterone is formed mainly through 4-androst-4-ene-3,17-dione (4-dione) and it is responsible for the vast majority of the inhibitory effect of 4-dione and testosterone on adipogenesis. 5α-reductase isoenzymes play an important role in the regulation of preadipocyte differentiation through modulation of androgenic activity. Our results also indicated that the conversion of testosterone and estradiol into less active steroids such as 4-dione and estrone, respectively, is caused by 17β-HSD type 2, which is localized in the blood vessels of adipose tissue in both men and women. No sex difference was detected in HSD17B2 mRNA expression. However, opposite correlations were found between 17β-HSD type 2/HSD17B2 mRNA expression and/or activity with age or adiposity measurements in both sexes. Conclusion: 5α-reductases and 17β-HSD type 2 have opposite actions on the availability of active steroid hormones in human OM and SC adipose tissues. The activity and/or the expression of these enzymes is associated with adiposity measurements. This supports a possible role of these enzymes in altering fat deposition through the modulation of active steroid hormone availability in adipose tissue.

Dans cette thèse, je présente une étude (1) du rôle de la 17β-HSD5 dans la modulation des taux d'hormones et dans la prolifération, et l'impact de l'expression de la 17β-HSD5 sur d’autres protéines de BC cellules; (2) une étude comparative sur trois enzymes (17β-HSD1, 17β-HSD7 et 3α-HSD3) avec la provision de DHEA et ses substrats directes soit l’E1 ou la DHT. Les principaux résultats obtenus dans cette étude sont les suivants: (1) en utilisant l'ARN d’interférence de la 17β-HSD5, des immunodosages enzymatiques et des tests de prolifération de cellules démontrent que l'expression de la 17β-HSD5 est positivement corrélée à un niveau de T et de DHT dans les BCC, mais négativement corrélée pour l’E2 et la prolifération des cellules de BC (2) les analyses quantitatives de PCR en temps réel et de Western blot ont démontré que l’inhibition de l’expression de la 17β-HSD5 régule à la hausse l'expression de l'aromatase dans les cellules MCF-7. (3) L’analyse d’ELISA de la prostaglandine E2 a vérifié que l'expression accrue de l'aromatase a été modulée par des niveaux élevés de PGE2 après l’inactivation de l’expression du gène de la 17β-HSD5. (4) Le test de cicatrisation a montré que l’inactivation de l’expression du gène de la 17β-HSD5 favorise l’augmentation de la migration cellulaire. (5) L'expression du gène 17β-HSD5 dans des échantillons cliniques, à partir de l'analyse de base de données ONCOMINE, a montré que sa plus faible expression a été corrélée avec le statut de l’HER-2 et de la métastase de la tumeur. (6) Les données protéomiques révèlent également que des protéines impliquées dans les voies métaboliques sont fortement exprimées dans les cellules MCF-7 après l’inactivation de l’expression du gène de la 17β-HSD5. (7) L’étude n'a démontré aucune différence dans la fonction biologique de la 17β-HSD1 et de la 17β-HSD7 lorsqu'elles sont cultivées avec différentes stéroïdes: tel que les niveaux de stéroides, la prolifération cellulaire et les protéines régulées. (8) Toutefois, la supplémentation du milieu de culture se révèle avoir un impact marqué sur l'étude de la 3α-HSD3. (9). Nous avons proposé que l'utilisation de la DHEA comme source d'hormone puisse entraîner une meilleure imitation des conditions physiologiques post-ménopausales en culture cellulaire selon l’intracrinologie. / Human 17β-hydroxysteroid dehydrogenase type 5 (17β-HSD5) mainly synthesizes the activate androgen testosterone (T) from △4-androstenedione (4-dione), then 4-dione and T aromatazion to estrone (E1) and estradiol (E2) by the action of aromatase. 17β-HSD1 and 7 catalyze the formation of E2 from E1 and inactivate androgen dihydrotestosterone (DHT). In this thesis, I present the study of (1) the roles of 17β-HSD5 in the modulation of hormone levels and in the proliferation. and the proteomic study of the impact of the 17β-HSD5 knock down in BCC; (2) a comparative study of three enzymes (17β-HSD1，7 and 3α-HSD3) with the provision of DHEA and the direct substrates, E1 or DHT. The main results obtained in this study are as follow: (1) Using RNA interference of 17β-HSD5, enzyme immunoassays, and cell proliferation assays demonstrate that 17β-HSD5 expression is positively correlated with T and DHT levels in BCC, but negatively correlated with E2 levels, and BCC proliferation. (2) Quantitative real-time PCR analyzes and western blot showed that 17β-HSD5 knockdown up-regulates aromatase expression in MCF-7 cells. (3) Prostaglandin E2 ELISA assay verified that aromatase expression increase was modulated by elevated PGE2 levels after 17β-HSD5 knockdown. (4) Wound healing assay showed that with the knockdown of 17β-HSD5 expression, cell migration increased. (5)17β-HSD5 gene expression in clinical samples from ONCOMINE analysis showed its lower expression was correlated with HER-2 status and tumor metastasis. (6) The proteomic data also reveal that proteins involved in metabolic pathways are highly expressed in 17β-HSD5 knockdown MCF-7 cells. (7) Cell biology study showed no difference in biological function for 17β-HSD1 and 17β-HSD7 when cultured with different steroids cell proliferation and estradiol levels decreased, whereas DHT accumulated; cyclin D1, PCNA, and pS2 were down-regulated after knocking down these two enzymes. (8) The culture medium supplementation was found to have a marked impact on the study of 3α-HSD3. (9) We first proposed that using DHEA as hormone source may result in better mimicking of the physiological conditions of post-menopausal in cell culture according intracrinology.

L’estrogène le plus actif, soit l’œstradiol (E2), stimule la prolifération des cellules du cancer du sein, alors que la dihydrotestostérone (DHT), qui est l’androgène le plus actif, prévient la croissance des cellules du cancer du sein hormonodépendant dans certaines concentrations et conditions physiologiques. Il a été rapporté que la 17β-hydroxystéroïde déshydrogénase de type 7 (17β-HSD7) détient deux activités enzymatiques. La première activité est la réduction de l’E1 en E2 et la seconde activité est l’inactivation de la DHT en 3β-diol qui pourrait permettre de jouer un rôle dans la cancérogenèse des cellules tumorales du cancer du sein hormonodépendants. À ce jour, très peu d’informations sont disponibles à propos des activités catalytiques de cette protéine et aucune structure tridimensionnelle n’est disponible pour mieux comprendre l’implication et les mécanismes enzymatiques de la 17β-HSD7 dans la stéroïdogenèse. Dans cette étude, nous avons développé un protocole permettant l’expression et la purification de la 17β-HSD7 active et stable à partir d’un système bactérien. Nous avons aussi déterminé les paramètres de cinétique enzymatique à l’état stationnaire et nous avons obtenu des conditions de cristallisation qui ont permis d’obtenir des cristaux préliminaires. Les résultats de cinétique enzymatique ont démontré que la 17β-HSD7 réduit l’E1 en E2 et la DHT en 3β-diol à des vitesses de conversion et des spécificités de même ordre. De plus, nous avons confirmé que l’inhibition de la 17β-HSD7 avait un impact aussi important dans la diminution de la vitesse de conversion de l’E1 en E2 que l’inhibition de la 17β-HSD1 dans des lignées cellulaires de tumeurs du sein hormonodépendant. Aussi, la 17β-HSD7 est beaucoup plus spécifique pour la réduction de la DHT que la 17β-HSD1 a une activité réductrice de la DHT. Ces résultats mettent en évidence le rôle de la 17β-HSD7 dans la carcinogenèse du cancer du sein. / The most potent estrogen, estradiol (E2), stimulates proliferation, while the dihydrotestosterone (DHT) prevents it in estrogen dependent breast cancer cells. It brought reported that 17ß-HSD7 has two major reduction activities which can reduce E1 to E2 and inactivate the DHT to 3ß-diol. To this day, the detailed kinetic parameters and crystalline structure of the 17ß-HSD7 are unknown and theses knowledge allow a better understand of is implication in steroidogenesis. In this study, a purification protocol was developed to obtain pure 17ß-HSD7 in bacterial system to determine the steady state kinetic parameters of the 17ß-HSD7, and also its crystallization condition. Firstly, we were able to express and purify the 17ß-HSD7 in E. coli at purity over 95%. Secondly, the results of enzymatic kinetics demonstrated that the 17ß-HSD7 reduced both steroids at similar rates. Finally, the crystallization conditions were determined to growth some preliminary crystals of the 17ß-HSD7. Furthermore, we were able to confirm that the inhibition of the 17ß-HSD7 had a higher impact in to decrease the conversion of E1 in E2 than the inhibition of the 17ß-HSD1 in breast cancer cell lines. At the same time the 17ß-HSD7 demonstrates an effect on DHT reduction much more important than the 17ß-HSD1. These results highlight the role of the 17ß-HSD7 in the carcinogenesis of the breast cancer.

Lors de ce travail, une étude comparative entre trois souches de C. glutamicum a été réalisée. Celles-ci sont C. glutamicum 2262, une souche surproductrice de glutamate suite à l’élévation de température du milieu de culture de 33 à 39°C, C. glutamicum 2262 NP un variant incapable d’excréter du glutamate dans ces mêmes conditions et C. glutamicum 2262 ∆pks13 un mutant dépourvu de bicouche mycolique externe. Un modèle métabolique original reprenant les différentes modifications physiologiques aboutissant à l’excrétion du glutamate au cours du procédé thermo-induit a été établi. La bicouche mycolique joue un rôle primordial puisque son absence affecte sévèrement la production du glutamate. Dans un premier temps, l’élévation de température serait ressentie au niveau de cette bicouche. Ce ressenti, visualisé par l’accumulation de protéines caractéristiques d’un stress thermique, est nécessaire pour que la bactérie soit en capacité de surproduire le glutamate. Par la suite, la production de glutamate est régulée au niveau de l’α-cétoglutarate déshydrogénase (ODH) grâce à la phosphoprotéine OdhI. Suite au changement de température, celle-ci est déphosphorylée ce qui lui permet d’interagir avec ODH et de provoquer l’inhibition de cette dernière. Ceci se traduit par la redirection sur flux carboné vers la synthèse du glutamate. Aucun de ces évènements n’est observé chez C. glutamicum 2262 ∆pks13. Par ailleurs, l’élévation de température induit une modification de la composition de l’enveloppe cellulaire qui semble intervenir dans le processus physiologique aboutissant à l’excrétion du glutamate puisque très peu de changements sont observés chez C. glutamicum 2262 NP / During this work, a comparative study between three strains of Corynebacterium glutamicum was carried out. These strains were C. glutamicum 2262 which overproduces glutamate after an increase in the culture temperature from 33 to 39°C, C. glutamicum 2262 NP which is unable to produce glutamate in the same culture conditions and C. glutamicum 2262 ∆pks13 devoid of outer corynomycolic acid bilayer. An original metabolic model describing the successive physiological modifications responsible for the glutamate excretion during the temperature-triggered process was established. The presence of the corynomycolic acid bilayer appeared to be necessary since its lack affected dramatically the glutamate production. The temperature increase would be first sensed at the level of the external corynomycolic acid layer. This sensing was visualised through the accumulation of thermal stress proteins. In C. glutamicum 2262 ∆pks13, the synthesis of these proteins was not induced. The glutamate production is regulated at the oxoglutarate dehydrogenase (ODH) level by the phosphoprotein OdhI. A consequence of the temperature increase was the dephosphorylation of this regulatory protein and its interaction with ODH, provoking its inhibition. The carbon flux was then reoriented toward the glutamate synthesis. In C. glutamicum 2262 ∆pks13, no dephosphorylation of OdhI and no change in the ODH activity were not determined. The thermal stress also induced a change in the composition of the corynomycolic acid layer which was correlated with the ability of C. glutamicum 2262 to overproduce glutamate. In C. glutamicum 2262 NP, the composition of the corynomycolic acid layer remained unchanged

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

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