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

Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) sont des protéines à sept domaines transmembranaires (TM) impliquées dans la médiation des stimuli tels la lumière, les odeurs, les neuromédiateurs et les hormones à travers la membrane plasmique. La détermination des bases structurales de la liaison et de l'activation des GPCRs est d'une importance capitale dans notre compréhension de ces phénomènes, et à plus forte raison dans le développement de nouveaux médicaments, comme en témoigne le fait que plus de la moitié des médicaments actuellement sur le marché ciblent directement ou indirectement ces récepteurs. Cependant, leur caractéristique membranaire défie les limites actuelles des méthodes de détermination de structure par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ou par diffraction des rayons X et la seule structure de GPCR déterminée expérimentalement à ce jour est celle de la rhodopsine bovine (bRho) (PALCZEWSKI et al., 2000). Malgré une identité de séquence limitée entre ces récepteurs, la présence de plusieurs résidus strictement conservés dans les 7 TMs des GPCRs classés dans la famille A suggère qu'ils partagent un même mécanisme moléculaire d'activation. De plus, il a été montré que la mutation du résidu conservé N[indice supérieur 3.35] mène à l'activation constitutive de plusieurs GPCRs, dont les récepteurs PAF, B[indice inférieur 2], CXCR4 et hAT[indice inférieur 1]. Par ailleurs l'analyse du modèle du récepteur hAT[indice inférieur 1] basé sur l'homologie avec la bRho révèle une interaction entre le résidu N111[indice supérieur 3.35] et un résidu strictement conservé, D74[indice supérieur 2.50]. Fait intéressant, des expériences précédentes ont montré que la mutation du résidu D74[indice supérieur 2.50] conserve l'affinité du récepteur pour le ligand AngII mais empêche l'isomérisation de hAT[indice inférieur 1] dans une forme active capable d'activer la protéine G et de médier la transduction du signal à travers la membrane plasmique (HUNYADY et al., 1994). Dans la présente étude, une analyse approfondie du modèle du récepteur de type 1 de l'angiotensine II (hAT[indice inférieur 1]) combinée aux essais de production d'IP de récepteurs hAT[indice inférieur 1] mutants conçus de façon rationnelle appuie l'importance d'une interaction entre des résidus conservés (D74[indice supérieur 2.50] et N111[indice supérieur 3.35]) dans la stabilisation de l'état inactif du récepteur. Ainsi, la mutation de N111[indice supérieur 3.35] pour un résidu glycine déstabilise la forme inactive du récepteur, favorisant son isomérisation dans une forme active. Au contraire, la mutation du résidu D74[inidce supérieur 2.50] pour une asparagine stabilise hAT[indice inférieur 1] dans une forme inactive, empêchant l'isomérisation du récepteur dans une forme active.Les variations locales du potentiel électrostatique dans l'intérieur majoritairement hydrophobe du récepteur et de ses mutants suggèrent que la solvatation optimale de D74[indice supérieur 2.50] est critique dans l'isomérisation de hAT[indice inférieur 1] dans une forme active. La présence de plusieurs autres résidus conservés polaires à proximité de D74[indice supérieur 2.50] corrobore l'importance de la solvatation de ce résidu dans la perspective d'un mécanisme d'activation conservé pour tous les GPCRs de la famille A.

Le polymère Nafion est l'électrolyte de référence de la pile à combustible. Lorsqu'il est hydraté, il présente une conductivité élevée (10^-2 S.cm^-1). Néanmoins cette conductivité chute à faible taux d'hydratation. L'ajout d'un composé hygroscopique dans la membrane, tel le phosphate de zirconium (ZrP), a été proposé dans la littérature pour répondre à ce problème. <br /><br />La conductivité est le fait de la structure du matériau, des mécanismes de diffusion du proton, et des interactions eau-polymère au sein de la membrane. Nous nous sommes intéressés à cette dernière partie du problème. Nous avons étudié les mécanismes d'hydratation à l'échelle moléculaire pour les membranes Nafion puis Nafion-ZrP par technique de spectrométrie infrarouge. Cette technique peut être couplée à une étude par dynamique moléculaire que nous avons initié sur le polymère Nafion. Les spectres infrarouges du Nafion et du Nafion-ZrP ont été mesurés sur toute la gamme d'hydratation.<br /><br />Les résultats obtenus font état de 5 mécanismes d'hydratation successifs pour la membrane Nafion. L'ionisation des groupes sulfoniques SO_3H est très rapide en début d'hydratation. Elle est suivie d'un éloignement des protons H^+ par rapport aux groupes sulfonates SO_3^- dont ils sont issus et d'une réorganisation du réseau de liaisons H autour de ces groupes ioniques. Enfin une eau de type « bulk » apparaît vers 40% d'hydratation. Nous avons ainsi une "photographie" de la membrane à chaque taux d'hydratation. L'ajout d'un composé inorganique ZrP n'influe pas sur les mécanismes d'hydratation. <br /><br />D'après la comparaison entre nos mécanismes et la courbe de conductivité, il est nécessaire de dissocier tous les groupes sulfoniques pour atteindre une diffusion optimale du proton, probablement assurée par le mécanisme de Grotthuss.

Par définition le déséquilibre de liaison (Linkage Disequilibrium, LD) décrit les associations préférentielles entre allèles de deux locus. Ce concept est devenu un outil indispensable pour la cartographie fine de locus quantitatifs (QTL), par l'identification de déséquilibres d'associations entre allèles à un locus marqueur (ou à un ensemble de locus marqueurs) et à un locus impliqué dans la variation d'un caractère quantitatif. La création et l'intensité du LD sont dépendantes des forces évolutives qui ont construit la population. Parmi ces forces, la dérive génétique et la sélection sont particulièrement actives dans les populations d'animaux de rente. Cette thèse a pour but d'étudier l'influence de la sélection sur la structure du déséquilibre de liaison autour d'un locus quantitatif, ainsi que son impact sur la précision de cartographie fine des QTL. Un logiciel de simulation de populations a été développé dans le cadre de la thèse. A partir d'une population en équilibre de liaison, il permet de générer du LD dans des générations dites historiques, grâce à différentes forces évolutives. La détection de QTL est appliquée aux générations suivantes, de généalogie connue. Pour ces dernières générations, les principaux dispositifs de détection de QTL de génétique animale sont décrits dans le simulateur. Les données exploitées dans cette thèse sont issues de ce logiciel. Le LD a été mesuré par le D' et le

Les antennes collectrices d'énergie lumineuse du système photosynthétique sont constituées d'un grand nombre de pigments collecteurs de photons. L'extraordinaire efficacité de migration d'un état excité le long de ces pigments est attribuée à leur orientation parallèle et à leur positionnement favorable au sein des complexes collecteurs. Cet arrangement, contrôlé par des interactions faibles entre pigments et polypeptides, prend la forme de 3 anneaux qui constituent les antennes collectrices d'énergie lumineuse. <br />Dans le but d'organiser des porphyrines dans l'espace de façon similaire au système naturel, un squelette oligonucléotidique a été choisi pour l'élaboration de nanosystèmes multi-porphyriniques. C'est dans cette optique que nous avons réalisé la synthèse d'oligodeoxynucléotides fonctionnalisés par des porphyrines. La préparation de ces systèmes est fondée sur l'oligomérisation en O-3'et O-5' d'un dérivé de la 2'-deoxyuridine fonctionnalisé par une porphyrine. L'architecture de ces systèmes a été dessinée sur la base de liaisons rigides et souples. Dans le but d'imposer par la conformation de la chaîne oligonucléotidique une organisation parallèle aux porphyrines, ces dernières sont greffées en C-5 de l'uracile par un espaceur rigide et les uridines reliées entre elles par une liaison souple. Un mono-, un di-, un tetra- et un octa-deoxynucléotides à porphyrines pendantes ont notamment été synthétisés. <br />Un agencement approprié des porphyrines base-libre et métallées au Zn(II) au sein du fil moléculaire oligonucléotidique a permis de mettre en évidence un transfert d'énergie de l'état excité de la porphyrine de Zn(II) vers les porphyrines base-libre. On observe une nette contribution de la porphyrine de Zn(II) à l'émission des porphyrines base-libre. <br />La série des oligonucléotides a été métallée au Zn(II) dans le but d'examiner l'effet du degré d'oligomérisation de ces architectures moléculaires sur leur capacité de complexation de bases bidendates telle que le DABCO. Nous avons pu montrer que la coordination de DABCO est favorisée au fur et à mesure de l'élévation du degré d'oligomérisation grâce à la pré-organisation conformationnelle qui s'instaure au sein du squelette oligonucléotidique.<br />Enfin, nous nous sommes intéressés à l'auto-assemblage par liaisons hydrogène que peut établir la base nucléique uracile avec un synton complémentaire telle que la triazine fonctionnalisée par des porphyrines. Des études quantitatives de stabilisation des architectures supramoléculaires ont mis en évidence des interactions intermoléculaires secondaires de type p-p entre les porphyrines au sein du complexe supramoléculaire formé.

La grande variété de propriétés biologiques associées au noyau purine en fait une structure privilégiée pour la conception et la synthèse de nouvelles molécules à visée thérapeutique. Cette spécificité est étroitement liée à la grande diversité de substituants pouvant être introduits sur les différentes positions du noyau purine et en particulier sur C2, C6, C8 et N9. Par conséquent, le développement de méthodes de fonctionnalisation rapides de cette famille de composés est d'un grand intérêt synthétique. Nous nous sommes focalisés sur la formation de liaisons C-C et C-N sur les positions 6 et 8 du noyau purine pour pouvoir présenter de nouveaux outils de synthèse permettant d'introduire une plus grande diversité fonctionnelle. D'une part, nous avons étudié la fonctionnalisation directe de liaisons C-H de purines, sujet encore peu exploré. En effet, de nos jours, le traditionnel couplage croisé (Negishi, Suzuki-Miyaura), utilisé pour la création de liaisons C-C, se voit de plus en plus concurrencé par ces réactions puisqu'elles ne nécessitent pas la préparation d'un partenaire organométallique. Ce sont des réactions dites à économie d'atomes. En nous basant sur l'expérience du laboratoire dans le domaine de la fonctionnalisation directe de liaisons C-H, nous avons envisagé l'alcénylation et l'alcynylation directes en position 8 de la purine, les motifs alcényle et alcynyle étant présents dans certaines purines d'intérêt biologique. D'autre part, nous nous sommes intéressés à deux méthodes de couplage croisé pallado-catalysé permettant la formation de liaisons C-N et C-C : le couplage de Buchwald - Hartwig entre une 8-iodopurine et des amides ou des amines aromatiques, et le couplage de Liebeskind - Srogl entre une 6-thioétherpurine et divers acides boroniques.

Les facteurs de transcription du réseau c-Myc/Max/Mxd assurent le contrôle de la transcription de plus de 1600 gènes. L'hétérodimérisation compétitive entre les membres du réseau et la protéine Max permet des réponses cellulaires opposées. En effet, le complexe c-Myc/Max est associé à l'activation de la transcription de gènes sous l'influence de promoteurs contenant des sites E-Box, pendant que les complexes Mxd/Max permettent l'inhibition de la transcription à ces mêmes promoteurs. Cependant, l'activité oncogénique associée à la surexpression de c-Myc dans plusieurs cancers semble être assurée par l'inhibition de la transcription de gènes cytostatiques causée par l'association de Miz-1 au complexe c-Myc/Max. De manière encourageante, la réintroduction de Mxdl permet de réduire la prolifération et la croissance cellulaire et constitue une avenue thérapeutique intéressante. Cette thèse rapporte l'élucidation de l'identité de résidus spécifiques impliqués dans la reconnaissance moléculaire de Mxdl et de Max et la détermination de la structure hétérodimérique minimale requise afin de permettre une liaison stable à l'ADN. La reconnaissance moléculaire est dictée par des déterminants structuraux spécifiques contenus dans les régions HLH et LZ. L'hétérodimérisation spécifique nécessite 2 étapes essentielles : 1) la déstabilisation des homodimères, assurée par des répulsions électrostatiques à l'interface de dimérisation des 2 domaines, et 2) l'hétérodimérisation avec Max. Dans notre premier article, nous avons confirmé que l'unique résidu acide D112a, situé à l'interface de dimérisation du LZ, prévient la formation des homodimères. Nous avons démontré que le retrait de la charge acide par la mutation D112N ou par l'abaissement du pH permettait d'augmenter de façon équivalente la population homodimérique. De plus, nos résultats démontrent que l'augmentation de l'homodimérisation du LZ et/ou de la région HLH obtenue par la mutation D112N soutient efficacement la liaison à un site E-Box. Le deuxième article a permis l'identification des résidus impliqués dans l'hétérodimérisation spécifique des régions b-HLH-LZ des protéines Mxdl et Max. L'augmentation de l'hydrophobicité de l'interface dimérique de la protéine Max par les mutations N78VH81L (VL) avait ultérieurement permis d'augmenter considérablement l'homodimérisation et de stabiliser la liaison à l'ADN. Dans cette optique prometteuse, nous avons augmenté l'hydrophobicité de l'interface dimérisation du LZ de Mxdl par la mutation D112V. Des essais de digestions enzymatiques et de CD ont confirmés l'augmentation de la stabilité du LZ de Mxdl. Cependant, cette mutation permettant d'accroître le taux d'hélices [alpha] ne permet toutefois pas de stabiliser la liaison à l'ADN. Certaines répulsions électrostatiques, possiblement impliquées dans la déstabilisation des homodimères de Mxdl et obtenues par le rapprochement des régions HLH, ont été hypothétiquement identifiées par modélisation moléculaire. Nous avons ensuite utilisé des essais d'hétérodimérisation limites strictement à certaines régions dimériques pour démontrer que les régions HLH hétérodimérisent de manière favorable indépendamment de la présence de LZ homodimériques. Cependant, la liaison à l'ADN nécessite l'hétérodimérisation des régions LZ même si l'interaction des régions HLH est observée en absence d'ADN. L'hétérodimérisation complète des domaines HLH et LZ, essentielle à la liaison de l'ADN par l'hétérodimère, survient uniquement lorsque l'interaction favorable des régions HLH surpasse la stabilité des LZ homodimériques et soutient indirectement la formation des hétérodimères des régions LZ. Nous avons également fait la démonstration que l'hétérodimérisation précède la liaison à l'ADN tel que proposée par d'autres groupes et ne peut être décrite par le mécanisme d'hétérodimérisation empruntant le «monomer pathway» qui correspondrait à la liaison successive de l'ADN par les monomères de Mxdl et de Max avant l'hétérodimérisation.

Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) forment la classe de récepteurs la plus nombreuse et la plus étudiée. La compréhension du mode de fonctionnement de cette famille de récepteurs fait l'objet d'études intenses, tant au niveau de leur interaction avec le ligand qu'au niveau du processus d'activation suite à cette liaison. Le récepteur de l'U-II (UT) est un membre de la classe A des GPCRs et possède toutes les caractéristiques de cette famille. Notre hypothèse est que le récepteur UT possède des déterminants moléculaires identifiables qui sont impliqués lors de sa liaison à l'U-II et de son activation. Dans un premier temps, des études de marquage par photoaffinité du récepteur UT ont été effectuées en utilisant deux séries de ligands U-II qui contiennent le résidu photosensible para-benzoyl-L-phenylalanine (Bpa) et qui possèdent un caractère agoniste ou agoniste partiel. Il a été montré pour les deux séries de ligands que les quatre premiers résidus de l'U-II sont à proximité du résidu Met288 dans la 3e boucle extracellulaire du récepteur UT. Cette approche a également été utilisée pour comparer le patron de photomarquage entre deux ligands contenant le Bpa à la position 6, soit de l'analogue agoniste complet avec celui de l'analogue agoniste partiel. Il a été montré que le peptide agoniste photomarque les résidus Met184/Met185 du TMD4 de l'UT, tandis que l'agoniste partiel photomarque plutôt une région délimitée au TMD5. Le deuxième objectif du projet a été l'identification, au moyen de l'approche SCAM (Substituted Cysteine Assessibility Method) de résidus qui bordent la pochette de liaison du récepteur. Chacun des résidus des domaines transmembranaires 6 et 7 ont été mutés, un à un, par une cystéine. Suite au traitement par des composés MTS, la liaison du ligand [indice supérieur 125]I-U-II aux mutants F268C[indice supérieur (6.44)], W278C[indice supérieur (6.54)] et A282C[indice supérieur (6.58)] du TMD6 ainsi qu'aux mutants L298C[indice supérieur (7.34)], Y300C[indice supérieur (7.36)], T302C[indice supérieur (7.38)] et T303C[indice supérieur (7.39)] du TMD7 a été inhibée, démontrant que ces positions du récepteur font face à la pochette de liaison. L'ensemble de ces études mène à une meilleure compréhension des bases moléculaires de la liaison et de l'activation du récepteur UT et nous a permis de proposer un modèle moléculaire du récepteur UT ligandé. Ce modèle pourra ouvrir la voie vers une meilleure compréhension du processus de liaison et d'activation des GPCRs peptidergiques de la classe A.

L’angiotensine II (Ang II), une hormone jouant un rôle important dans l’homéostasie cardiovasculaire, produit la majorité de ses effets en activant le récepteur AT[indice inférieur 1] appartenant à la grande famille des GPCRs. Les sept domaines transmembranaires (TM) des GPCRs contribuent à former la pochette de liaison du ligand. Afin d’identifier les acides aminés du TM2 et du TM5 impliqués dans la formation de la pochette de liaison du récepteur AT[indice inférieur 1], nous avons utilisé l’approche SCAM qui consiste à évaluer les propriétés de liaison du récepteur suite à sa réaction avec le MTSEA. Le MTSEA alkyle les cystéines endogènes ou introduites par mutagénèse dirigée, causant ainsi un encombrement stérique qui interfère avec la liaison du ligand. Une série de mutants ont été produits en remplaçant successivement par une cystéine les résidus 70 à 94 du TM2 ainsi que les résidus 190 à 217 du TM5 du récepteur AT[indice inférieur 1] et de son mutant constitutivement actif N111G-AT1. Après le prétraitement avec le MTSEA, les mutants D74C, L81C, L83C, A85C, A89C ont montré une diminution significative d’affinité pour le ligand [indice supérieur 125]I-[Sar[indice supérieur 1],Ile[indice supérieur 8]]Ang II, suggérant que ces résidus sont orientés dans la pochette de liaison du récepteur AT[indice inférieur 1]. Le mutant D74C-N111G est devenu insensible au MTSEA, alors que la sensibilité de L81C-N111G fut diminuée. Par contre, le mutant V86C-N111G s’est avéré sensible au MTSEA. Ces résultats suggèrent que l’activation constitutive du récepteur AT[indice inférieur 1] implique un mouvement de pivot du TM2, favorisant le rapprochement du haut du TM2 vers la pochette de liaison. Pour le TM5, après le prétraitement avec le MTSEA, les mutants L197, N200, I201, G203 et F204 ont montré une diminution significative d’affinité pour le ligand [indice supérieur 125]I-[Sar[indice supérieur 1],Ile[indice supérieur 8]]Ang II, suggérant que ces résidus sont orientés dans la pochette de liaison du récepteur AT[indice inférieur 1]. Le mutant I201C-N111G est devenu plus sensible au MTSEA, alors que la sensibilité de G203C-N111G fut diminuée. Ces résultats suggèrent que l’activation constitutive du récepteur AT[indice inférieur 1] implique un mouvement de rotation du TM5 dans le sens anti-horaire. Le récepteur AT[indice inférieur 1] est connu pour coupler préférentiellement à la protéine G[indice inférieur q] et les propriétés fonctionnelles de ce récepteur ont surtout été évaluées en fonction de sa capacité à induire la production des inositol phosphates et à mobiliser le Ca[indice supérieur 2+] intracellulaire. Par contre, le récepteur AT[indice inférieur 1] interagit avec d’autres protéines G (G[indice inférieur i] et G[indice inférieur 12/13]) et active également des voies de signalisation indépendantes des protéines G (MAPK). Nous avons évalué une série d’analogues de l’Ang II pour leur capacité à inhiber ou activer plus ou moins sélectivement les diverses voies de signalisation en aval du récepteur. C’est la notion de sélectivité fonctionnelle. Nos résultats démontrent que les substitutions à la position 1 ne confèrent pas de sélectivité fonctionnelle, alors que les substitutions à la position 4 montrent un biais vers la signalisation la MAPK et que les substitutions à la position 8 montrent un biais pour le recrutement des β-arrestines.

Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) constituent la plus grande famille de protéines localisées à la membrane plasmique. Toutefois, les mécanismes moléculaires régissant leur liaison avec leurs ligands et la transduction du signal qui s’ensuit sont encore mal compris. Nous avons donc cherché à mieux comprendre le mécanisme de liaison d’un ligand avec son récepteur, et ainsi caractériser le premier événement de la cascade pharmacologique déclenché par ces GPCR. Nous nous sommes intéressés au récepteur de l’urotensine-II (UT), car celui-ci fait partie de la catégorie des récepteurs peptidergiques qui demeure encore à ce jour peu comprise au niveau de leur structure et de leur mode de liaison. D’un point de vue physiologique, ce récepteur joue notamment un rôle important au niveau cardiovasculaire ainsi que dans certaines pathologies comme l’hypertension ou le diabète. Nous avons donc cherché à identifier l’ensemble des résidus participant à la pochette de liaison du récepteur UT en appliquant la méthode SCAM (Substituted Cysteine Accessibility Method) et en procédant à la substitution individuelle des résidus des TM1, TM2, TM3, TM4 et TM5 avec une cystéine. Par la suite, les paramètres pharmacologiques de ces mutants ont été mesurés à l’aide d’études de radioliaison avec le ligand [[indice supérieur 125]I]UII. Suite au traitement avec de l’hydrobromure de 2-aminoethyl-méthanethiosulfonate (MTSEA), nous avons ainsi pu mettre en évidence que les mutants I54C[indice supérieur (1.35)] du TM1, Y100C[indice supérieur (2.53)], S103C[indice supérieur (2.56)], F106C[indice supérieur (2.59)], I107C[indice supérieur (2.60)], T110C[indice supérieur (2.63)] et Y111C[indice supérieur (2.64)] du TM2, L126C[indice supérieur (3.28)], F127C[indice supérieur (3.29)], F131C[indice supérieur (3.33)] et M134C[indice supérieur (3.36)] du TM3 et M184C[indice supérieur (4.60)] et I188C[indice supérieur (4.64)] du TM4, n’étaient plus capables de lier [indice supérieur 125]I-UII, démontrant ainsi une orientation de ces positions face à la pochette de liaison du récepteur UT. L’ensemble de ces travaux nous ont permis d’acquérir une meilleure compréhension des déterminants moléculaires de la liaison menant à l’activation du récepteur UT. En associant ces résultats avec nos travaux précédents, nous sommes en mesure de présenter un modèle moléculaire complet de la pochette de liaison du récepteur UT de rat en complexe avec le ligand UII. Cette étude permet ainsi d’offrir une meilleure compréhension du processus de liaison et d’activation des GPCR peptidergiques de la classe A. En absence de structure cristalline du récepteur UT, ce modèle constitue un outil pharmacologique de choix qui pourra servir notamment à la conception rationnelle de nouveaux ligands thérapeutiques ciblant le système urotensinergique.