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La Cytolethal Distending Toxin (CDT) est un facteur de virulence produit par de nombreuses bactéries pathogènes Gram négatives. Sa production est associée à différentes pathologies, dont le développement de cancers. Un lien de causalité a été établi entre dommages à l’ADN, mutagénèse et cancérogenèse. Or, différentes études ont classé CDT dans la famille des génotoxines bactériennes. L’action génotoxique de CDT repose sur l’activité de sa sous-unité catalytique CdtB, connue pour induire des cassures double-brin (CDBs) de l’ADN génomique eucaryote. Cependant, des travaux de l’équipe ont montré qu’à des doses 1000 fois plus faibles que celles utilisées dans la littérature, CDT induit des dommages primaires (probablement de type cassure simple-brin), qui dégénèrent en CDB lors de la phase S. Afin de mieux documenter ce modèle, nous avons étudié ici les systèmes de réparation impliqués dans la réponse aux dommages à l’ADN induits par CDT. Nous avons ainsi confirmé l’importance des voies de réparations des CDBs (Homologous Recombinaison et Non-Homologous End-Joining). Nous avons également montré que le Nucleotide Excision Repair, impliqué dans la réparation des adduits à l’ADN, n’est pas impliqué dans la prise en charge des dommages induits par CDT. En revanche, nous avons démontré, pour la première fois, l’implication de systèmes de réparation de dommages plus précoces, comme le Single-Strand Break Repair et la voie de l’Anémie de Fanconi. Pour finir, afin de mieux caractériser ces dommages et leur induction, nous avons initié des travaux visant à étudier, in vitro, l’activité catalytique de CdtB. Dans ce but, différents mutants catalytiques ont été générés, purifiés, et leur activité nucléase a été testée. Une activité nucléase similaire entre les CdtB sauvages et mutantes a été obtenue lors d’un test in vitro (digestion d’un plasmide super-enroulé). Cependant, un test cellulaire (expression nucléaire en cellules eucaryotes de la sous-unité CdtB sauvage ou mutante) indique bien la perte de l’activité nucléase de la sous-unité mutante. Nos résultats montrent donc l’importance de tester les différentes sous-unités dans différents contextes. En conclusion, notre travail conforte les données selon lesquelles CDT induit des CSB, et non des CDB directes de l’ADN. De plus, notre travail a permis d’éclaircir les processus cellulaires activés dans la cellule hôte, suite aux dommages à l’ADN induits par CDT. / The Cytolethal Distending Toxin (CDT) is a virulence factor produced by many pathogenic gram-negative bacteria, its production being associated to various diseases, including tumorigenesis. A causal relationship has been established between DNA damage, mutagenesis and cancerogenesis. Different studies classified CDT among the bacterial genotoxins. The CDT-related pathogenicity relies on the catalytic subunit CdtB action, shown to induce double-strand breaks (DSB) on the host genomic DNA. Previously, our team showed that, at doses 1000 times lower than those used in the literature, CDT probably induces single-strand breaks that degenerate into DSB during S-phase. To document this model, we studied the repair systems involved in host-cell in response to CDT-induced DNA damage. Since various repair pathways allow cells to respond different type of DNA damage, we speculated that non-DSB repair mechanisms might contribute to the cellular resistance to CDT-mediated genotoxicity. First, we confirm that HR is involved in the management of CDT-induced lesions, but also Non Homologous End Joining, the second major DSB repair mechanism. Next we show that nucleotide excision repair, involved in adducts repair, is not important to take care of CDT-induced DNA damage, whereas base excision repair impairment sensitizes CDT-treated cells, suggesting that CDT induce single-strand breaks. Moreover, we demonstrate for the first time the involvement and the activation of the Fanconi Anemia repair pathway in response to CDT. Finally, to better characterize CDT-induced damage, we initiate experiments to study CdtB nuclease activity in vitro. For this, different CdtB mutants have been generated, purified and their nuclease activity tested. A similar nuclease activity has been obtained for the wt or mutant CdtB in an in vitro assay (digestion of a supercoiled plasmid). However, a cell assay (nuclear expression of CdtB in eukaryotic cells) confirms the loss of activity for the mutant subunit. Our results thus indicate the importance to test the CdtB subunit in different context. To conclude, our work reinforces a model where CDT induces single-strand damage and not direct DSB. This also underlines the importance of cell proliferation to generate DSB and sheds light on the activated host-cell systems, after CDT-induced DNA damage.

La protection de l'environnement par le droit pénal constitue un réel enjeu d'avenir. Toutefois il suffit de se pencher sur le fond du régime de protection pour constater qu'il recèle quantité de particularités le rendant encore insuffisamment efficace. Il conviendra donc d'étudier l'appréhension que fait le droit pénal de la notion d'environnement, aussi bien au Canada qu'en France dans une perspective de droit comparé, et ce au travers du tronc commun des atteintes réprimées. Toutefois pour comprendre comment on protège, il faut identifier clairement ce que l'on protège. Dès lors il s'agira également d'étudier la définition même de l'environnement telle que protégée par le droit pénal. Tout cela permettra de cerner plus efficacement ce qui constitue la notion d'environnement en droit pénal francocanadien. / The protection of the environment through penal law is a real challenge for the future. However, it is enough to look at the substance of the protection regime to see that it contains a number of specific features that still make it insufficiently effective. It will therefore be necessary to study the penal law's understanding of the notion of the environment, both in Canada and in France, from a comparative law perspective, through the common core of penal offenses. However, to understand how we protect, we must clearly identify what we are protecting. It will therefore also be a question of studying the very definition of the environment as protected by penal law. All this will make it possible to more effectively identify what constitutes the notion of the environment in French-Canadian penal law.

Telomeres play an important role in carcinogenesis. They assure immortalization of tumor cells by maintaining their length through the activation of telomerase or the alternative lengthening of telomere. Despite these mechanisms, telomeres of tumor cells are generally shorter than those of normal cells. In cancer cells, short telomeres promote chromosomal instability, which is one of the aggravating factors of neoplastic process. Also, the nuclear architecture of telomeres can be altered during carcinogenesis and cause genomic instability. To further understand the roles of telomeres in cancer, we studied the length of individual telomeres and their nuclear architecture in neoplastic cells. Using chronic myeloid leukemia (CML) as a model, we established the first length profile of all individual telomeres in cancer. We found that telomeres on chromosome arms Xp, 18p and 5p were among the longest while the shortest were on 21p and 21q . Also, by comparing with normal cells, we established that individual telomeres of CML cells had different shortening rates. Moreover, we noted the presence of long telomeres on some specific chromosome arms in CML cells. These data led us to explore different mechanisms of telomere length maintenance in CML cells and we showed that both telomerase and the ALT can be used to maintain their telomere length. Finally, the use of LoVo cell line, from colon carcinoma, allowed us to show that the profile of individual telomere length can be dissimilar in different cancers; and specific mutations of TP53 influence this profile in a same cancer cell. Therefore, the profile of individual telomere length of a cancer cell is defined by the genetic background of the individual, the tumor type, and the nature of the mutations. The study of nuclear architecture of telomeres was done in three different settings. First, we explored impacts on nuclear architecture of telomeres after exposing normal cells to DNA-damaging agents. We particularly observed the presence of telomeric aggregates and a change in the position of telomeres in response to UVB exposure. Next, we showed that remodeling of the nuclear architecture of telomeres could occur as early as the first clinical phase of CML. Moreover, we categorized CML cells into two groups according to the number of telomeric aggregates. Finally, we showed that the mutation TP53-R175H lead to greater alteration of the nuclear organization of telomeres and a genomic instability than the other studied TP53 mutations. The work, presented here, fosters our understanding on the involvement of telomeres in carcinogenesis and will serve as foundation for future studies on length of individual telomeres and their nuclear architecture in cancers.

TRF1 est une protéine télomérique essentielle pour la stabilité et la régulation de la longueur des télomères. Son expression est altérée dans de nombreux cancers humains, et son inhibition, dans un contexte p53 déficient, favorise le développement de tumeurs chez la souris. Nous montrons ici que l'inhibition de TRF1 dans les fibroblastes primaires humains conduit à une accumulation télomérique de γ-H2AX et à une activation de la voie de réponse aux dommages de l'ADN dépendante des kinases ATR/Chk1, menant rapidement les cellules vers la sénescence. En revanche, lorsque les voies p53 et pRb sont défaillantes, les cellules échappent à la sénescence. L'érosion accrue des télomères engendre alors une fragilité télomérique et une instabilité chromosomique, caractérisées par la présence de fusions entres chromatides soeurs et de signaux multi-télomériques (MTS). Un niveau élevé de MTS, associés à la présence de télomères courts, est également retrouvé après la surexpression de TRF1. Cette fragilité télomérique conduit à une extension de la capacité proliférative des cellules, due à une stabilisation de la longueur des télomères par réactivation de la télomérase. Nous proposons que la fragilité des télomères, induit par l'altération de la charge télomérique de TRF1, conduit à une instabilité chromosomique qui facilite la réactivation de la télomérase et à des anomalies chromosomiques comparables à celles retrouvées dans les tumeurs. La dérégulation de l'expression de TRF1 joueraient un rôle dans la progression tumorale des cellules p53 et pRb déficientes. / TRF1 is a telomere-binding protein which is essential for both telomere stability and telomere length regulation. TRF1 depletion in the context of p53 deficiency promotes tumor development in the mouse, and TRF1 expression is altered in some human cancers. We report here that inhibition of TRF1 in human primary fibroblast results in rapid induction of senescence, which is concomitant with telomeric accumulation of γ-H2AX and phosphorylation of the ATR downstream checkpoint kinase Chk1. Abrogation of p53 and pRb pathways bypasses senescence but leads to accelerated telomere shortening and early onset of chromosomal instability, including sister chromatid fusions and the occurrence of multi-telomeric signals (MTS) related to telomere fragility. MTS are also elevated in TRF1-overexpressing cells and are coincident with the presence of short telomeres. Elevated telomere fragility was associated with greater immortalization potential and resultant cells maintained their telomeres via telomerase reactivation. We propose that changes in TRF1 occupancy at telomeres lead to telomere-fragility driven chromosome instability, which facilitates the reactivation of telomerase and engenders cancer-relevant chromosomal aberrations. These events would occur at early stages of the tumor progression process in the context of an impaired p53 and pRb response.

Abstract: It is well established that ionizing radiation induces a variety of damage in DNA by direct effects that are mediated by one-electron oxidation and indirect effects that are mediated by the reaction of water radiolysis products, e.g., hydroxyl radicals (•OH). In cellular DNA, direct and indirect effects appear to have about an equal effect toward DNA damage. We have shown that ϒ-(gamma) ray irradiation of aqueous solutions of DNA, during which •OH is the major damaging ROS can lead to the formation several lesions. On the other hand, the methylation and oxidative demethylation of cytosine in CpG dinucleotides plays a critical role in the gene regulation. The C5 position of cytosine in CG dinucleotides is frequently methylated by DNA methyl transferees (DNMTs) and constitutes 4-5% of the total cytosine. Here, my PhD research work focuses on the analysis of oxidative base modifications of model compounds of methylated and non methylated oligonucleotides, isolated DNA (calf-thymus DNA) and F98 cultured cell by gamma radiation. In addition, we identified a series of modifications of the 2-deoxyribose moiety of DNA arising from the exposure of isolated and cellular DNA to ionizing radiation. We also studied one electron oxidation of cellular DNA in cultured human HeLa cells initiated by intense nanosecond 266 nm laser pulse irradiation, which produces cross-links between guanine and thymine bases (G*-T*). To achieve these goals, we developed several methods based on mass spectrometry to analyze base modifications in isolated DNA and cellular DNA. / Résumé : Les radiations ionisantes induisent une variété de dommages à l'ADN selon des effets directs, correspondant à une oxydation suite à l’éjection d’un électron, et indirecte, médiés par une réaction avec les produits issus de la radiolyse de l’eau environnante, tels que les radicaux hydroxyles (•OH). Au sein d’une cellule, l’importance relative des effets directs et indirects semble être quantitativement similaire en ce qui concerne les dommages induits à l'ADN cellulaire. Nous avons démontré que l'irradiation par rayons Υ-(gamma) de solutions aqueuses d'ADN, dont l’action délétère est principalement véhiculé e par l’intermédiaire des radicaux hydroxyles, peut induire sur l’ADN la formation de toute une palette de modifications. D'autre part, la méthylation et la déméthylation oxydative de la cytosine au sein de couples de dinucléotides CpG jouent un rôle essentiel dans la régulation des gènes. La position C5 de cette cytosine se retrouve fréquemment méthylée par les méthyltransférases (DNMTs) et constitue alors 4-5% de l’ensemble de la cytosine présente au sein de l’ADN. Mon projet de recherche est centralisé autour de l'analyse de la modification des bases de l’ADN suite à leur oxydation dans des composés modèles constitués d'oligonucléotides méthylés et non-méthylés, puis dans l'ADN isolé (extrait de cellules de thymus de veau) et enfin au sein de cultures cellulaires F98 ayant subies une irradiation par rayons Υ-(gamma). De plus, nous avons identifié une série de modifications spécifiques au groupement fonctionnel 2-désoxyribose de l'ADN résultant de l'exposition de l'ADN isolé et cellulaire aux rayonnements ionisants. Nous avons également étudié les conséquences de l’irradiation par des impulsions lasers nanoseconde à 266 nm de cultures cellulaires de lignée humaine (HeLa). Responsable d’une réaction d’oxydation suite à l’éjection d’un électron, l’identification des modifications induites à l’ADN cellulaire suite à l’irradiation laser a permis de mettre en évidence des pontages ADN-ADN caractéristiques entre les bases guanine et thymine (G*-T*). Pour atteindre ces objectifs, nous avons développé plusieurs méthodes d’analyse des modifications de bases au sein de l’ADN isolé et de l'ADN cellulaire basées sur la spectroscopie de masse.

Les centrosomes sont les centres organisateurs des microtubules et jouent un rôle crucial dans l’organisation du fuseau bipolaire pendant la mitose. Plus récemment, le rôle des centrosomes dans la régulation de l’entrée en mitose a été mis en évidence. Les centrosomes semblent également contribuer à l’activation du point de contrôle en G2/M en réponse aux lésions de l’ADN en servant de point de rencontre pour les régulateurs du cycle cellulaire et les gènes de réponse aux dommages à l’ADN. L’amplification du nombre de centrosomes est une caractéristique des cellules tumorales mais de façon intéressante, elle constitue aussi une réponse des cellules aux dommages à l’ADN. Les mécanismes qui régulent l’homéostasie et la dynamique des centrosomes sont encore mal compris. Pour mieux comprendre le rôle des centrosomes dans la régulation du point de contrôle en G2/M en réponse aux dommages à l’ADN, le recrutement et/ou l’activation au niveau des centrosomes des kinases impliquées dans les voies de signalisation de ce point de contrôle ont été étudiés par immunofluorescence indirecte sur cellules HeLaS3 ou par Western blot sur des fractions enrichies en centrosomes. Nos résultats montrent que les kinases ATM, ATR, CHK1 et CHK2 sont actives dans les centrosomes de cellules en phase G2. En réponse à l’activation du point de contrôle en G2/M, les formes actives de ces kinases diminuent au niveau des centrosomes. Pour identifier de nouveaux acteurs centrosomaux potentiellement impliqués dans la régulation de ce point de contrôle, une analyse comparative des protéomes de centrosomes purifiés a également été réalisée par spectrométrie de masse. Pour étudier plus particulièrement la fonction de CHK2 au niveau des centrosomes, nous avons développer des outils moléculaires qui serviront à déterminer le rôle de la sous population de CHK2 localisée aux centrosomes 1) dans la régulation de l’entrée en mitose au cours d’un cycle normal 2) dans l’activation et la stabilité du point de contrôle en G2/M en réponse aux lésions l’ADN et 3) dans l’homéostasie et la dynamiques des centrosomes en réponse aux dommages à l’ADN. Cette étude permettra de mieux comprendre la fonction des centrosomes dans la réponse cellulaire au stress génotoxiques anti-cancereux et de révéler de nouvelles fonctions potentielles pour la kinase CHK2. / Centrosomes function primarily as microtubule-organizing centres that play a crucial rôle in the equal segregation of chromosomes by organizing the bipolar spindle during mitosis. Recent studies have revealed the involvement of centrosomes in regulating G2/M transition during normal cell cycle progression. Moreover, increasing evidence suggests that centrosomes also play roles in the DNA damage response and cell cycle checkpoint signalling by serving as “meeting points” where DNA-damage-responsive genes and cell cycle regulators communicate. Numerical centrosome aberrations, or centrosome amplification, is a common feature of most human cancers that promotes aneuploidy and is involved in tumorigenesis as well as tumor progression. Interestingly, centrosome amplification and fragmentation have also been shown to constitute a cellular response to impaired DNA integrity that triggers cell death by mitotic failure. Although their roles are critical in tumorigenesis and the DNA damage response, the mechanisms that regulate centrosome homeostasis and dynamics remain poorly understood. To gain a better understanding of the role of the centrosomes in checkpoint regulation at G2/M transition in response to DNA damage; the recruitment and/or centrosomal activation of the kinases implicated in this checkpoint pathways were studied by indirect immunofluorescence on HeLaS3 cells or western blot on purified centrosomal fractions. Our results showed that the kinases CHK1, CHK2, ATM and ATR are activated at the centrosomes in cell synchronised in G2. However, after activation of the G2/M checkpoint, these activated kinases moved from centrosomes. Finally, to identify new centrosomal actors potentially involved in the regulation of this checkpoint, a comparative analysis of the proteome of purified centrosomes was also realized by mass spectrometry. To study more specifically the function of CHK2 at the centrosomes, we developped molecular tools wich will serve to determine the role of the sub-population of CHK2 localized at the centrosomes in 1) in regulating entry into mitosis during unperturbed cell cycle progression, 2) in checkpoint regulation at G2/M transition in response to DNA damage induced by ionizing radiations and genotoxic drugs and 3) in centrosomal homeostasis and dynamics by regulating centrosomal amplification, fragmentation and clustering during normal cell cycle progression and in response to genotoxic drugs. This study will further elucidate the importance of centrosomes in regulating the cell response to genotoxic stress induced by anti-cancer treatments and reveal potential new functions for the kinase CHK2 in unperturbed cell cycle progression and in response to DNA damage.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les centrosomes dont le rôle principal est d’organiser le cytosquelette de microtubules et le fuseau mitotique servent aussi de sites d’interaction pour plusieurs protéines régulatrices du cycle cellulaire et de la réponse aux dommages à l’ADN. Une de ces protéines est la kinase CHK2 et plusieurs publications montrent une sous-population de CHK2 localisée aux centrosomes dans les cellules en interphase et en mitose. Toutefois, la localisation de CHK2 aux centrosomes demeure controversée, car des doutes subsistent en ce qui concerne la spécificité des anticorps utilisés en immunocytochimie. En utilisant des lignées cellulaires du cancer du côlon, les cellules HCT116 sauvages et HCT116 CHK2-/- ainsi que différentes lignées d’ostéosarcome humain dans lesquelles l’expression de CHK2 a été inhibée par ARN interférence, nous montrons que les anticorps anti-CHK2 qui donnent un signal centrosomal sont non spécifiques et reconnaissent un antigène inconnu sur les centrosomes. Cependant, par des expériences d’immunofluorescence réalisées avec des cellules U2OS qui expriment les protéines de fusion GFP-CHK2 ou FLAG-CHK2, nous révélons une localisation centrosomale de CHK2 dans les cellules en mitose, mais pas en interphase. Ce résultat a été confirmé par vidéomicroscopie dans les cellules vivantes exprimant GFP-CHK2. Pour déterminer le ou les rôles potentiels de CHK2 en mitose nous avons réalisé des expériences pour explorer le rôle de CHK2 dans la progression de la mitose, la nucléation des microtubules aux centrosomes et la progression de la mitose en présence de problèmes d’attachement des chromosomes où de lésions génotoxiques. Nos données suggèrent que CHK2 n’est pas impliquée dans la régulation de la mitose dans les cellules U2OS. / Centrosomes function primarily as microtubule-organizing centres and play a crucial role during mitosis by organizing the bipolar spindle. In addition to this function, centrosomes act as reaction centers where numerous key regulators meet to control cell cycle progression. One of these factors involved in genome stability, the checkpoint kinase CHK2, was shown to localize at centrosomes throughout the cell cycle. Here, we clarify that CHK2 only localized at centrosomes during mitosis. Using wild-type and CHK2-/- HCT116 human colon cancer cells, or human osteosarcoma U2OS cells depleted for CHK2 with small hairpin RNAs, we show that several CHK2 antibodies are non-specific for immunofluorescence and cross-react with an unknown centrosomal protein(s). To analyse further CHK2 localization, we established cells expressing inducible GFP-CHK2 and Flag-CHK2 fusion proteins. We show that CHK2 localizes to the nucleus in interphase cells but that a fraction of CHK2 associates with centrosomes in mitotic cells, from early mitotic stages until cytokinesis. In contrast to previous data obtained by A. Stolz and colleagues with the human colon carcinoma HCT116 cell line, our experiments exploring the possible functions for CHK2 during mitosis did not support a role for CHK2 in the bipolar spindle formation and the timely progression of mitosis in human osteosarcoma U2OS cells.

L’étude des effets biologiques des radiations ionisantes à l’échelle de la cellule individuelle et en particulier sur l’ADN du noyau cellulaire reste un enjeu majeur de la radiobiologie actuelle. L’objectif principal des recherches actuelles est de déterminer quels peuvent être les effets biologiques délétères des radiations ionisantes pour la santé humaine, en particulier dans le domaine des faibles doses de radiation. Afin d’étudier précisément la réponse des cellules aux radiations ionisantes, de nombreuses études expérimentales des effets des radiations ionisantes sur les cellules, tissus et organismes biologiques aux basses énergies ont accumulées de grandes quantités de données de qualité sur la réponse de cellules aux radiations. Il existe également de nombreux modèles semi-empiriques de survie cellulaire qui incorporent des paramètres biologiques et physiques. En parallèle, des stochastiques basées sur la technique « Monte Carlo » pour modéliser les processus élémentaires en physique, chimie et biologie sont en cours de développement. L’outil Geant4 développé dès 1993 (CERN et KEK) en utilisant des techniques informatiques de dernière génération (C++) permet à l’utilisateur de construire une simulation complète grâce à de nombreuses fonctionnalités : formes géométriques, matériaux, particules élémentaires, processus physiques électromagnétiques et hadroniques, visualisation, analyse de données, interactivité et extensibilité… Cependant, Geant4 présente un certain nombre de limitations pour la simulation des effets biologiques des radiations ionisants à l’échelle subcellulaire : les modèles standard ne prennent pas compte le technique « pas-à-pas », les modèles physique sont limités à basse énergie, il n’a pas des descriptions des cibles moléculaires et Geant4 n’est pas capable de simuler les étapes physico-chimique et chimique nécessaire pour déterminer l’oxydation des bases et les éventuelles cassures d’ADN.Dans ce contexte, le projet Geant4-DNA propose d’étendre Geant4 afin de modéliser les interactions des radiations ionisantes à l’échelle de la cellule biologique et la molécule d’ADN et aux basses énergies. Au cours du travail de thèse, j’ai tout d’abord validé les modèles physiques en comparant les résultats de simulation à une grande collection de données expérimentales disponibles dans la littérature. L’accord entre les valeurs de sections efficaces totales et différentielles et les mesures expérimentales a été quantifié à l’aide du test statistique Kolmogorov-Smirnov. J’ai par la suite amélioré les classes des processus de diffusion élastique des électrons et travailler sur les calculs théoriques du modèle de diffusion élastique des protons et des alphas dans l’eau liquide auparavant inexistant dans Geant4-DNA. J’ai effectué une combinaison des processus multi-échelles des modèles de Geant4-DNA (à l’échelle microscopique) avec les modèles électromagnétiques disponibles dans l’outil Geant4 (les processus d’interaction des photons et autres modèles de Geant4). A la fin de mon travail, j’ai participé à l’estimation des performances de Geant4-DNA pour la dosimétrie dans des géométries de petite taille (jusqu’à l’échelle du nanomètre) dans l’eau liquide à l’aide des distributions « Dose Point Kernel ». J’ai ensuite calculé les fréquences de dépôts d’énergie dans des petits cylindres de dimensions nanométriques correspondant à des cibles biologiques et des modèles de noyau cellulaire humain simplifié pour l’estimation des cassures directes simple et double. Mon travail de thèse a fournit les premiers résultats de Geant4-DNA pour la prédiction de cassure de brin d’ADN combinant physique et géométries à l’échelle de l’ADN. Enfin, nous avons développé des classes de processus et modèles basés sur l’approche CTMC-COB (Classical Trajetory Monte Carlo avec critère d’Over Barrier) spécifique aux bases de la molécule d’ADN et à l’eau liquide. / A large experimental and modeling activity is currently taking place, aimed at better understanding the biological effects of ionizing radiation at the molecular scales. Considerable amounts of experimental data have been accumulated over the past decades in order to measure quantities such as macroscopic cellular survival curves and DNA strand damages after irradiation. In parallel, computer codes have been proposed to use a stochastic approach based on Monte Carlo technique to model physical interaction in the irradiated medium. The Geant4 toolkit uses the object-oriented technology (C++) to describing particle-matter interactions, such as bio-medical physics and space physics, from sub-micrometer cells up to planetary scales. Geant4-DNA project is included in the Geant4 toolkit and benefits from the easy accessibility of the Geant4 code for the development of a computing platform allowing estimation effects of ionizing radiations. In my thesis, firstly, I have contributed in the project the validation of various models with the experimental data collections extracted from the recent literature. A good agreement between total and differential cross section values corresponding to each available Geant4-DNA model and experimental data is validated by Kolmogorov-Smirnov testing. Secondly, I have improved elastic scattering process and working on the calculation of the DDCS for proton elastic scattering in water in the Geant4-DNA. In addition, I have combined Geant4 electromagnetic processes with the Geant4-DNA. This combination brought additional Geant4 simulation capabilities in complement of the possibility to combine Geant4-DNA models with other Geant4 electromagnetic models at different sizes and energy scales in a single simulation application. Finally, we have presented the usage of Geant4-DNA physics processes in nanometer-size targets fully implemented in a single Geant4 application. The frequencies of the deposited energy and number of direct DNA single strand break and double strand break in the simplified nucleus model are compared with other codes results and with a collection of experimental data on direct DNA dimensions on plasmid DNA. Furthermore I have implemented in Geant4-DNA theoretical cross sections of physics processes based on a Classical Trajectory Monte Carlo (CTMC) approach for modeling the detailed transport of protons and neutral hydrogen atoms in liquid water and in DNA nucleobases.