Inaug.-Diss.--Kiel. / Lebenslauf. Includes bibliographical references.

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Hepatitis C, a life threatening disease, caused by the hepatitis C virus (HCV) currently affects over 170-200 million people worldwide (~3% of global human population), more than five times the percentage of total HIV infections. HCV infection has been shown to be a major cause of chronic hepatitis, liver cirrhosis, and hepatocellular carcinoma and is the leading cause of liver transplantation in the U.S. HCV has escaped every therapeutic target to date by means of its error-prone RNA polymerase, which allows it to mutate prolifically. The current standard anti-HCV therapy, which is pegylated interferon a combined with ribavirin, is difficult to tolerate, and more than 50% of HCV patients are refractory to it. No protective vaccine or therapeutic antibody is available, making the need for the development of an efficacious immunoprophylactic and therapeutic agent imperative. HCV is an enveloped virus with a positive sense RNA genome of ~9.6 kilobases (kb), which carries a large open reading frame (ORF), flanked by 5'- and 3'- untranslated regions (UTRs). Interestingly, within the highly mutational HCV RNA, there are a limited number of 100% conserved and functionally vital motifs, located in the 5' UTR, coding region and in the 3' UTR. Within the HCV genome, these motifs have been proposed to be involved in multiple exclusive interactions with each other and furthermore, these interactions have been demonstrated to be essential for HCV replication and/or translation of the viral proteins. / Bayer School of Natural and Environmental Sciences; / Chemistry and Biochemistry / PhD; / Dissertation;

Pour aider à la protection de l’environnement et au diagnostic de maladies, il est nécessaire de disposer de méthodes d’analyse performantes. Ces méthodes doivent être rapides et peu coûteuses afin d’analyser un grand nombre d’échantillons et détecter la présence éventuelle de la molécule recherchée. C’est dans ce cadre qu’un bio-essai à double reconnaissance dédié aux petites molécules a été développé. Il repose sur l’utilisation d’aptamères comme élément de reconnaissance moléculaire et sur la formation de « kissing complex ». Les aptamères sont des oligonucléotides qui possèdent une grande spécificité et une grande affinité pour leur cible. Les « kissing complexes » désignent, quant à eux, l’interaction de deux séquences au niveau de leur boucle apicale. L’objectif de la thèse est de continuer l’étude et l’optimisation de ce schéma d’analyse, puis montrer sa potentialité et sa versatilité. Dans un 1er temps, la détection en multiplexe de plusieurs petites molécules a été mise en place. L’optimisation du système de détection a ensuite été effectuée pour la détection de l’adénosine avec le développement d’une nouvelle stratégie de détection. Enfin, un test colorimétrique basé sur l’utilisation de nanoparticules d’or a été décrit. / Bioanalytical tools based on molecular recognition elements constitute one of the most important strategies used to routinely quantify low molecular weight analytes in biological fluids or environmental matrices as disease-related biomarkers, drugs or toxins/contaminants. Recently, a novel aptamer-based sensing design has been reported. It is based on a dual recognition mechanism that involves the formation of functional nucleic acid architectures, named “kissing complex”. Aptamers are single stranded oligonucleotides that possess high affinity and high selectivity for their target. The aim of this thesis is to pursue the study and the optimization of this sandwich like scheme and to prove its potential. Firstly, the simultaneous detection of multiple small analytes by fluorescence anisotropy using the sandwich like scheme has been reported. Then, this novel bioassay has been optimized through the development of a new strategy. Finally, a gold nanoparticle colorimetric

Le développement d’outils de détection in situ (IDT) est indispensable pour rapporter entemps réel la présence d’une signature moléculaire spécifique. L’efficacité d’un IDT estliée à son affinité, à sa spécificité, mais aussi à son potentiel à opérer dans des conditionsimposées par le contexte d’application. Parmi les contraintes imposées, la variation detempérature, le pH et la présence de solvant d’extraction. Le but du projet est dedévelopper des aptamères capables d’opérer en présence de solvant organique ; à ceteffet, nous avons opté pour une sélection en présence de méthanol. La limitation decette stratégie est principalement liée à la nature chimique des acides nucléiques. Parconséquent, nous avons choisi d’utiliser une banque ADN incorporant le (5-(octa1,7-diynyl)-2’-deoxyuridine) dDOTP, au lieu du dTTP. Notre stratégie expérimentale aabouti à la sélection d’un aptamère qui lie spécifiquement l’adénine en présence de 25 %de méthanol. Nous avons montré que les dDOTP sont essentiels à l’interaction del’aptamère avec l’adénine ; l’aptamère sélectionné comporte un motif riche en G partagéavec l’aptamère anti-adénosine, cependant, l’aptamère sélectionné dans le méthanolcomporte un motif structural indispensable à l’interaction avec la cible en présence deméthanol. Par ailleurs, nous avons montré que l’aptamère sélectionné pourraitfonctionner comme un module de reconnaissance spécifique d’un biocapteur. / Development of in situ detection tools (IDT) is required for specific real time monitoringof chemical species. Efficient IDT is not only related to its affinity and ability todiscriminate between molecular variants, but moreover it must be adapted for operatingunder conditions imposed by the context of application. Among others, hightemperature, pH variation and presence of organic solvents may be mentioned. The aimof our project is to develop an aptamer operating in the presence of organic solvents. Forthis purpose, we opted for selection in presence of methanol. Limitations of this strategyare adaptability of SELEX technology and chemical diversity of nucleic acids. For thispurpose, we used library incorporating (5-(octa1,7-diynyl)-2’-deoxyuridine) dDOTPinstead of conventional thymine nucleotide. Our experimental strategy led to theselection of an aptamer that specifically recognises adenine in the presence of 25 % ofmethanol. dDOTP nucleotides are essential for adenine recognition; the selectedaptamer shares a purine rich motif with a previously described adenosine aptamer, butdisplays a specific structure motif, essential for operating in the presence of methanol.Furthermore, the ability of truncated variants of the selected aptamer to form arecognition module of biosensor was assessed in this study.

Les ribozymes sont des ARN catalytiques fréquemment exploités pour le développement d’outils biochimiques et d’agents thérapeutiques. Ils sont particulièrement intéressants pour effectuer l’inactivation de gènes, en permettant la dégradation d’ARNm ou d’ARN viraux associés à des maladies. Les ribozymes les plus utilisés en ce moment pour le développement d’agents thérapeutiques sont les ribozymes hammerhead et hairpin, qui permettent la reconnaissance spécifique d’ARN simple brin par la formation de structures secondaires stables. In vivo, la majorité des ARN adoptent des structures secondaires et tertiaires complexes et les régions simples brins sont parfois difficiles d’accès. Il serait intéressant de pouvoir cibler des ARN repliés et un motif d’ARN intéressant à cibler est la tige-boucle d’ARN qui peut être importante dans le repliement global des ARN et pour accomplir des fonctions biologiques. Le ribozyme VS de Neurospora fait la reconnaissance de son substrat replié en tigeboucle de façon spécifique par une interaction kissing-loop, mais il n’a jamais été exploité pour faire la reconnaissance d’un ARN cible très différent de son substrat naturel. Le but des travaux présentés dans cette thèse est de déterminer si le ribozyme VS possède l’adaptabilité nécessaire pour l’ingénierie de ribozymes qui clivent des ARN cibles différents du substrat naturel. Dans le cadre de cette thèse, le ribozyme VS a été modifié pour l’adapter à différents substrats et des études de cinétiques ont été réalisées pour évaluer l’impact de ces modifications sur l’activité de clivage du ribozyme. Dans un premier temps, le ribozyme a été modifié pour faire la reconnaissance et le clivage de substrats possédant différentes longueurs de tiges Ib. Le ribozyme a été adapté avec succès à ces substrats de différentes longueurs de tige Ib, avec une activité qui est similaire à celle du ribozyme avec un substrat sans modification. Dans un deuxième temps, c’est l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme qui a été substituée de façon rationnelle, dans le but de savoir si un ribozyme VS mutant peut reconnaitre et cliver un substrat ayant une boucle différente de celle de son substrat naturel. L’interaction kissing-loop I/V a été substituée pour les interactions kissing-loop TAR/TAR* de l’ARN du VIH-1 et L22/L88 de l’ARN 23S de Deinococcus radiodurans. La réaction de iii clivage des ribozymes comportant ces nouvelles interactions kissing-loop est toujours observée, mais avec une activité diminuée. Finalement, la sélection in vitro (SELEX) de ribozymes a été effectuée pour permettre un clivage plus efficace d’un substrat mutant avec une nouvelle boucle. Le SELEX a permis la sélection d’un ribozyme qui clive un substrat avec une boucle terminale mutée pour celle de l’ARN TAR du VIH-1 et cela avec une activité de clivage très efficace. L’ensemble de ces études démontre que le ribozyme VS peut être modifié de diverses façons pour la reconnaissance spécifique de différents substrats, tout en conservant une bonne activité de clivage. Ces résultats montrent le grand potentiel d’ingénierie du ribozyme VS et sont prometteurs pour la poursuite d’études d’ingénierie du ribozyme VS, en vue du clivage d’ARN cibles repliés en tige-boucle complètement différents du substrat naturel du ribozyme VS. / Ribozymes are catalytic RNAs frequently exploited for the development of biochemistry tools and therapeutic agents. They are particularly interesting in gene inactivation strategies for the degradation of mRNA and viral RNA genome. Currently, the most common ribozymes used in the development of therapeutic agents are the hammerhead and hairpin ribozymes, which can specifically recognize and cleave target single-stranded RNAs through the formation of stable secondary structures. In vivo, single-stranded RNAs can be difficult to target because most RNA adopt complex secondary and tertiary structures. It could be worthwhile to target folded RNA motifs, and an interesting target is the stem-loop structure because stem-loops are important for the overall folding of RNA molecules and they can perform important biological functions. The Neurospora VS ribozyme recognizes its stem-loop folded substrate via a specific kissing-loop interaction, but it has never been exploited for the recognition of target RNA very different from its natural substrate. The goal of the work presented in this thesis is to determine whether the VS ribozyme possesses the necessary adaptability for engineering ribozymes that target RNAs different from its natural substrate. For this thesis, the VS ribozyme was adapted for the recognition of different substrates and kinetic studies were performed to evaluate the effect of these modifications on the cleavage activity. In a first study, the VS ribozyme was modified to recognize and cleave substrates with different stem Ib lengths. The VS ribozyme was successfully adapted to theses substrates of different lengths with a cleavage activity similar to the unmodified ribozyme and substrate. In a second study, the I/V kissing-loop interaction was substituted by rational design, in order to establish if the VS ribozyme variants could recognize and cleave a substrate with a different loop than its natural substrate. The I/V kissing-loop interaction was substituted for the HIV-1 TAR/TAR* and the Deinococcus radiodurans RNA large rRNA subunit L22/L88 kissing-loop interactions. The cleavage reaction was observed for the ribozymes with these new interactions, but with reduced activity. Finally, in vitro selection (SELEX) was used to enable more efficient cleavage of a mutant substrate with a new loop. SELEX experiments enabled v the selection of ribozyme variants that cleave a substrate with a terminal loop mutated to that of the HIV-1 TAR RNA with a very efficient cleavage activity. All of the studies presented in this thesis show that the VS ribozyme can be modified in various ways for the specific recognition of different substrates, while maintaining efficient cleavage activity. These results demonstrate the great potential of VS ribozyme engineering and are very promising for further engineering studies of VS-derived ribozymes for the cleavage of stem-loop folded target RNA completely different from its natural VS ribozyme substrate.

La biochimie médicale est une discipline en constante évolution. L’enjeu du développement de nouvelles techniques est de permettre l’analyse à haut débit, de manière spécifique et à faible coût. Les techniques d’immunoanalyse omniprésentes en laboratoire de biologie médicale (LBM) répondent convenablement à ces critères, mais sont cependant perfectibles en ce qui concerne l’analyse des petites molécules d’intérêt biologique. L’objectif de ce travail est de développer des méthodes de dosage innovantes, pour les petites molécules, en utilisant les aptamères comme nouveaux outils de reconnaissance moléculaire. Il s’agit d’oligonucléotides fonctionnels simple brin, capables de reconnaître de manière spécifique une cible, isolés à partir d’une banque de candidats par une approche combinatoire in vitro nommée SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment). Ils sont en concurrence avec les anticorps, en particulier dans le domaine du diagnostic. Nous avons dans un premier temps travaillé sur le développement de systèmes de dosage à double reconnaissance pour petite molécule, impliquant la formation d’un complexe boucle-boucle. L’adénosine et la théophylline ont tout d’abord servi de cibles modèles pour le développement en phase hétérogène d’une technique de dosage colorimétrique avec amplification enzymatique du signal. Le développement a ensuite été axé sur un analyte ayant un réel intérêt biologique, l’arginine-vasopressine. Le système a été développé en phase homogène en utilisant la technique d’anisotropie de fluorescence. L’application en milieu biologique a été facilitée par l’utilisation d’oligonucléotides non naturels en série L. Enfin nous avons décrit une méthode particulièrement innovante, sans marquage (« label-free »), permettant l’analyse des cibles de petite taille. Cette méthode basée sur l’utilisation du SYBR Green en solution couplée à la technique d’anisotropie de fluorescence, permet également l’étude des ligands de l’ADN. / Clinical chemistry is a constantly evolving discipline. The challenge of developing new techniques is to enable high throughput analysis specific and at low cost. Immunoassay techniques respond appropriately to these criteria, but are nevertheless perfectible with regards to the detection of small molecules of biological interest. The aim of this work is to develop innovative assay methods for small molecules of biological interest, using aptamers as alternative molecular recognition tools. They are single-stranded functional nucleic acids that are isolated from a very large library of candidates through an in vitro combinatorial approach (SELEX) for their ability to bind a peculiar species. They compete with antibodies, particularly in the area of diagnosis. First, we focused our work on the design of small molecule dual recognition assay systems that involved the formation of a loop-loop complex. Adenosine and theophylline served as model targets for the heterogeneous phase development of a colorimetric assay with enzymatic signal amplification. Subsequent works were performed by using arginine-vasopressin, an analyte with a real biological interest as target. A homogeneous phase fluorescence anisotropy detection system was constructed. Applications in complex matrix were facilitated by the use of non-natural L-oligonucleotides. Finally, a particularly innovative SYBR Green-based fluorescence anisotropy method, was reported allowing the detection of both small targets and DNA ligands.

This thesis expands our understanding of the role of several different mating behaviours in the process of forming and maintaining human mating pair-bonds. Chapter 2 investigated within-sex mating strategies and found that their distribution reflects the presence of two phenotypes, one favouring the pursuit of short-term mating and one the establishment of mating pair-bonds, each driven by prenatal testosterone exposure. Chapter 3 investigated the possible functional role of kissing in mating relationships, and found that it was utilised divergently by individuals pursuing different mating strategies, with those interested in short-term mating utilising it to assess the suitability of potential mates at initial relationship stages, and those interested in long-term mating using it to mediate pair-bond attachments. Chapter 4 examined female attitudes towards kissing across the menstrual cycle and found that attitudes varied with cycle phase, mediated by fluctuations in the hormone progesterone. This chapter also investigated the effects of kissing-related information on mate assessment and found that such information influenced mate desirability, even in the presence of typically dominant visual cues. Lastly, Chapter 5 investigated the cognitive effects of established pair-bonds, finding that individuals ‘in love’ with a mating partner show improved empathising abilities, particularly males when it comes to assessing negative emotional states in others. Using an evolutionary framework, each chapter of this thesis contributes novel insights to our understanding of these diverse behaviours. These results suggest that that future research must take into account within-sex phenotypic differences in order to truly understand human mating strategy decisions, and that different mating strategy phenotypes might adaptively utilise the same courtship behaviours in divergent ways. Furthermore, these results also suggest that pair-bonding in humans may be a relatively recent phenomenon, and that the formation of such pair-bonds can have adaptive cognitive effects for males within such bonded relationships.

O número de contato do Rn (em inglês, kissing number) é o maior número de esferas de raio unitário e interiores dois-a-dois disjuntos que podem tocar simultaneamente uma esfera de raio unitário central. Nesta dissertação estudamos métodos que limitam o tamanho de tais configurações através de técnicas de otimização, como dualidade e programação semidefinida. O principal resultado obtido foi o cálculo de melhores limitantes para o número de contato nas dimensões 9 a 23; o que foi possível graças à exploração de simetrias dos polinômios presentes no limitante proposto por Bachoc e Vallentin (2008), levando à consideração de programas semidefinidos menores. Por fim, o limitante estudado é estendido para uma classe mais geral de problemas. / The kissing number of Rn is the maximum number of pairwise-nonoverlapping unit spheres that can simultaneously touch a central unit sphere. In this thesis we study methods to bound from above the size of such configurations using optimization techniques, like duality and semidefinite programming. The main result achieved is the computation of better bounds for the kissing number in dimensions 9 to 23; a result possible due to the exploitation of symmetries in the polynomials present in the bound proposed by Bachoc and Vallentin (2008), leading to the consideration of smaller semidefinite programs. Finally, the studied bound is extended to a bigger class of problems.