Nous avons mis au point un système expérimental modèle d'adhésion spécifique entre deux surfaces fluides sur lesquelles diffusent des protéines de type ligand-récepteur. Nous avons notamment voulu relier la mesure d'une énergie d'adhésion macroscopique à son moteur microscopique, la formation de liens spécifiques. Pour mesurer une énergie macroscopique d'adhésion, nous avons utilisé des gouttelettes d'émulsion. Lorsqu'elles adhèrent, les gouttelettes se déforment. Le gain de surface permet d'accéder à l'énergie d'adhésion. Comme moteur de l'adhésion spécifique, nous avons utilisé le couple modèle streptavidine/biotine. Les gouttelettes d'émulsion sont fonctionnalisées avec ces protéines ligantes. Amenées par gravité en présence de bicouches lipidiques supportées fluides dont une fraction des lipides porte les protéines réceptrices, les gouttelettes adhèrent spécifiquement aux bicouches lipidiques. Nous avons mené une étude statique de cette adhésion. Grâce à différentes techniques de fluorescence (épifluorescence, FCS (Fluorescence Correlation Spectroscopy), dosages en retour) nous avons quantifié le nombre de protéines mises en jeu dans nos patches adhésifs afin de le comparer à l'énergie de déformation de la goutte. Nous avons pu observer que l'énergie d'adhésion est proportionnelle à l'énergie d'un lien. Par ailleurs, des mesures en RICM (Reflection Iterference Contrast Microscopy) nous ont permis d'étudier la dynamique de croissance du patch adhésif. Nous avons pu mettre en évidence une croissance diffusive et quasistatique de la zone de contact. En jouant sur les quantités de protéines mises en jeu ainsi que sur leur nature (longueur des liens), nous avons exploré les différentes situations statiques et dynamiques de l'adhésion dans notre système modèle. Nous avons notamment mis en évidence les effets de compressibilité des films adhésifs qui apportent de nouvelles clés pour envisager l'adhésion cellulaire.

Les chimiokines sont des petites protéines secrétées dont la fonction principale est la stimulation de la migration de cellules immunitaires vers différents organes et tissus. Elles sont souvent impliquées lors des maladies inflammatoires, auto-immunes et des cancers. Ainsi, les chimiokines et leurs récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont la cible pharmacologique de plusieurs molécules, actuellement testées en essais cliniques. Nous avons pris comme modèle, lors de notre étude, le récepteur atypique CXCR7. Ce récepteur est dit atypique, car il ne signalise pas via la voie classique des protéines G, mais plutôt via la voie de la β-arrestine. CXCR7 est impliqué dans de nombreux cancers, favorise la progression métastatique et est un co-récepteur pour le virus de l’immunodéficience humaine (VIH). Cependant, aucune donnée sur son mode de liaison avec ses ligands CXCL11/ITAC et CXCL12/SDF-1 n’existe à date. Nous pensons que cette information est essentielle pour le développement efficace d’agonistes et d’antagonistes, et nous nous sommes intéressés à identifier les résidus essentiels à la liaison des deux ligands de CXCR7 et à son activation par ces derniers. Pour cela, nous avons créé une série de mutants par substitution ou délétion d’acides aminés de la partie N-terminale, des boucles extracellulaires et des domaines transmembranaires du récepteur. Nous avons testé leur marquage en surface cellulaire par cytométrie en flux, leur liaison des deux ligands par expériences de radio-liaison, et leur capacité à recruter la β-arrestine en réponse aux ligands par essais BRET. Les résultats obtenus ont permis d’identifier des résidus importants à l’interaction des systèmes CXCR7/SDF-1 et CXCR7-ITAC et suggèrent des modes de liaison à CXCR7 différents entre ITAC et SDF-1. Tout comme la liaison d’ITAC à son autre récepteur CXCR3, sa liaison à CXCR7 suivrait le mode conventionnel de liaison en deux étapes des récepteurs de chimiokines. Cependant, la liaison de SDF-1 à CXCR7 suivrait un autre mode de liaison, contrairement à sa liaison à son autre récepteur, CXCR4. / Chemokines are small secreted proteins whose major function is to stimulate the migration of immune cells to different organs and tissues. They are often involved in inflammatory and auto-immune diseases as well as cancers. Thus, chemokines and their G proteins Coupled Receptors (GPCR) are the pharmacological target of multiples molecules, currently tested in clinical trials. The model of our study is the atypical receptor CXCR7. This receptor is called atypical because it doesn’t signalize through the classical G protein pathway but rather signalizes through the β-arrestin pathway. CXCR7 is involved in many cancers, promotes metastatic progression and is a co-receptor for human immunodeficiency virus (HIV). However, there are, to date, no data concerning its binding mode to its ligands CXCL11/ITAC and CXCL12/SDF-1. We think that this information is crucial for the efficient development of agonists and antagonists and thus decided to identify the residus that are important for the binding of the two ligands of CXCR7 to the receptor and its subsequent activation. For that, we created a set of mutants by substitution or deletion of amino acids of the N-terminus, extracellular loops and transmembrane domains of the receptor. We then tested their surface expression by antibody staining and flow cytometry, their binding of the two ligands by binding assays and their capability to recruit β-arrestin in response to the ligands by BRET assays. The results obtained allowed us to identify important residues for the interaction of the systems CXCR7/SDF-1 and CXCR7/ITAC. They also suggest different binding modes of the chemokines ITAC and SDF-1 to CXCR7. Just like the binding of ITAC to its other receptor CXCR3, the binding mode of ITAC to CXCR7 follows the conventional two steps binding model of chemokine receptors. However, the binding of SDF-1 to CXCR7 follows another binding mode than the classical two step model, unlike its binding to its other receptor CXCR4.

Ce manuscrit présente une étude des cinétiques de réactions ligand-récepteur sur des surfaces en regard, fondée sur l'utilisation de particules magnétiques colloïdales. Notre démarche repose sur la mesure de cinétiques de formation de doublets indépendants de particules, déclenchée par l'application d'un champ magnétique. Ces mesures sont directement reliées aux constantes cinétiques du couple ligand-récepteur à la surface des particules magnétiques. En considérant le couple streptavidine-biotine, nous avons validé notre approche et mis en évidence une source de variabilité des constantes d'association en surface : le degré de confinement des réactifs sur les surfaces. Pour les configurations les plus rapides, nous avons appréhendé la constante d'association comme limitée par des processus de diffusion, associés à la dynamique des particules colloïdales. Pour les configurations les plus lentes, où les réactifs sont les plus confinés en surface, le ralentissement observé est attribué à une diminution de l'efficacité des rencontres entre réactifs. Nous avons également étudié la cinétique d'association entre cadhérines, molécules directement impliquées dans l'adhésion cellulaire. Nous avons mis en évidence l'influence des conditions de contact sur l'état d'adhésion entre cadhérines. Pour les deux états d'adhésion « profonds » observés, nous avons mesuré une constante cinétique d'association plus lente que celle de l'interaction streptavidine-biotine.

Cette thèse est dédiée à la conception de machines moléculaires pH-sensibles inédites de type muscles et nœuds moléculaires. Le premier muscle moléculaire pH-sensible a été synthétisé de manière très directe, et publié en 2008, en utilisant une stratégie en deux étapes: 1) fermeture des axes encapsulés par cycloaddition 1,3-dipolaire de type Huisgen catalysée par le cuivre (I), 2) méthylation des triazoles formés en triazoliums, capables d'être reconnus par les macrocycles DB24C8. Deux états étirés ou contractés, déclenchés par simple variation de pH, permettent le contrôle de l'orientation et de la distance entre les deux « stoppeurs » glucidiques non reliés de manière covalente. Des stations pyridiniums amides mono ou disubstitués inédites ont également été utilisées pour la synthèse de muscles moléculaires de plus large amplitude à effets co-conformationnels induits. Lors de la contraction du muscle par carbamoylation des ammoniums, la différence de localisation des macrocycles autour des stations pyridiniums amides, dépendante de la substitution des amides, engendre deux effets très différents : rôle de frein moléculaire de la DB24C8 ou basculement conformationnel impressionnant des chaises des mannopyranoses. Une étude méthodologique a été menée afin de classer les stations moléculaires rencontrées dans ce manuscrit, selon leurs affinités respectives pour la DB24C8, et a conduit à la conception d'un muscle moléculaire oscillant dont l'état varie continuellement entre contracté et semi-contracté en fonction de la température et de la nature du solvant. Enfin, différentes stratégies de synthèse ont été explorées pour obtenir des nœuds moléculaires inédits en forme de double lasso par cyclisation de synthons dimères de rotaxanes. Un double lasso dont la vitesse de rotation et la taille de la cavité peuvent être modulées en fonction du pH a ainsi été obtenu. / This thesis is devoted to the synthesis of pH-sensitive molecular muscles and knots. The first molecular muscle has been readily synthesized and published in 2008, using a two-step strategy: 1) end-capping of the interlocked axles by copper(I)-catalyzed Huisgen alkyne-azide 1,3-dipolar cycloaddition, 2) methylation of triazoles to triazoliums, which are able to interact with the macrocycle DB24C8. Two stretched and contracted states, triggered by variation of pH, allow the control of the distance and of the orientation of the two glucidic ends, which are not covalently linked. Novel mono- and disubstituted pyridinium amide stations have been used for the synthesis of large-amplitude molecular muscles, whose translation of the macrocycles trigger a second co-conformational induced effect. In fact, upon contraction of the molecular muscle, using carbamoylation of the ammoniums, the slight different localizations of the macrocycles around the pyridinium amides (depending on their mono- or disubstitution) trigger two very different effects. The first one is a molecular break played by the DB24C8, whereas the second one is a flipping of the chair-like conformation of the mannopyranosyl ends. A methodologic study was then carried out with the aim to determine the relative affinity of the new described molecular stations for the DB24C8, and led to the synthesis of a molecular muscle which oscillates from the contracted to the semi-contracted co-conformation, depending on solvent and temperature. Eventually, different routes to very new double-lasso molecular knots were investigated from a molecular muscle building-block. One molecular knotted machine has been obtained, and has a double-lasso structure, whose rotation and size of its cavity can both been modulated by variation of pH.

Suite au projet de séquençage du génome d’Arabidopsis thaliana, plus de 400 récepteurs de types serine/thréonine kinases (Protein Receptor Kinase ou PRK) ont été prédits. Par contre, seulement sept paires de récepteurs/ligands ont été caractérisées jusqu’à présent par des techniques de biochimie et d’analyse, de mutants. Parmi ceux-ci figurent les PRK : BRI1, CLV1, SRK, SR160, Haesa-IDA et PEPR1 qui jouent un rôle important dans le développement, l’auto-incompatibilité sporophytique et les mécanismes de défense. Le but de mon projet de maîtrise était de développer un bioessai à haut débit qui permettra la découverte de ligands peptidiques. Le bioessai utilisera des PRK chimériques composés du domaine extracellulaire (l’ectodomaine) de la PRK à l’étude fusionnée au domaine intracellulaire d’une PRK qui agira comme rapporteur. Deux stratégies sont présentement développées dans notre laboratoire : la première consiste à fusionner la PRK à l’étude avec le domaine intracellulaire (l’endodomaine) du récepteur tyrosine kinase animal EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor). Suite à l’interaction avec une fraction protéique contenant un ligand correspondant à la PRK étudiée, une transphosphorylation de l’endodomaine (le domaine kinase) serait détectable. La seconde stratégie utilise l’endodomaine du récepteur BRI1, un récepteur répondant aux brassinostéroïdes. Suite à l’interaction avec une fraction protéique contenant un ligand correspondant à la PRK étudiée, cette fois-ci nous devrions être en mesure de mesurer l’activation d’un gène rapporteur répondant normalement à une activation par les brassinostéroïdes. / The complete sequence of the genome of Arabidopsis thaliana was achieved in year 2000 and has resulted in the prediction of more than 400 receptor serine/threonine kinase or Plant Receptor Kinase (PRK). Despite this tremendous work, only seven pairs of ligand/receptor have been characterized through conventional techniques such as mutant analysis and biochemical characterization. These receptors have been found to play an important role in plant defense (SP160), development (BRI1, CLV1) and sporophytic autoincompatibility (SRK). The aim of the project was to develop a high throughput bioassay in order to find new ligands for known receptors. In order to do so, the bioassay will use chimeric protein technology, by fusing the ectodomain of a receptor to a known endodomaine. The latter will play the role of a reporter. Two strategies were developed in our laboratory and are being tested. The first strategy is to fuse the ectodomain of an unknown PRK to the phylogeneticaly unrelated kinase domain of the animal Epidermal Grown Factor Receptor (EGFR). When tested with a crude protein extract containing the specific ligand of the unknown PRK, a transphosphorylation should occur and be detected. The second strategy will use the endodomain of BRI1 as a reporter, a receptor responding to the brassinosteroid phytohormone, which will relay the message to a second construct used as a reporter gene once the ligand has bound the PRK ectodomain fused to the BRI1 endodomain.

Suite au projet de séquençage du génome d’Arabidopsis thaliana, plus de 400 récepteurs de types serine/thréonine kinases (Protein Receptor Kinase ou PRK) ont été prédits. Par contre, seulement sept paires de récepteurs/ligands ont été caractérisées jusqu’à présent par des techniques de biochimie et d’analyse, de mutants. Parmi ceux-ci figurent les PRK : BRI1, CLV1, SRK, SR160, Haesa-IDA et PEPR1 qui jouent un rôle important dans le développement, l’auto-incompatibilité sporophytique et les mécanismes de défense. Le but de mon projet de maîtrise était de développer un bioessai à haut débit qui permettra la découverte de ligands peptidiques. Le bioessai utilisera des PRK chimériques composés du domaine extracellulaire (l’ectodomaine) de la PRK à l’étude fusionnée au domaine intracellulaire d’une PRK qui agira comme rapporteur. Deux stratégies sont présentement développées dans notre laboratoire : la première consiste à fusionner la PRK à l’étude avec le domaine intracellulaire (l’endodomaine) du récepteur tyrosine kinase animal EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor). Suite à l’interaction avec une fraction protéique contenant un ligand correspondant à la PRK étudiée, une transphosphorylation de l’endodomaine (le domaine kinase) serait détectable. La seconde stratégie utilise l’endodomaine du récepteur BRI1, un récepteur répondant aux brassinostéroïdes. Suite à l’interaction avec une fraction protéique contenant un ligand correspondant à la PRK étudiée, cette fois-ci nous devrions être en mesure de mesurer l’activation d’un gène rapporteur répondant normalement à une activation par les brassinostéroïdes. / The complete sequence of the genome of Arabidopsis thaliana was achieved in year 2000 and has resulted in the prediction of more than 400 receptor serine/threonine kinase or Plant Receptor Kinase (PRK). Despite this tremendous work, only seven pairs of ligand/receptor have been characterized through conventional techniques such as mutant analysis and biochemical characterization. These receptors have been found to play an important role in plant defense (SP160), development (BRI1, CLV1) and sporophytic autoincompatibility (SRK). The aim of the project was to develop a high throughput bioassay in order to find new ligands for known receptors. In order to do so, the bioassay will use chimeric protein technology, by fusing the ectodomain of a receptor to a known endodomaine. The latter will play the role of a reporter. Two strategies were developed in our laboratory and are being tested. The first strategy is to fuse the ectodomain of an unknown PRK to the phylogeneticaly unrelated kinase domain of the animal Epidermal Grown Factor Receptor (EGFR). When tested with a crude protein extract containing the specific ligand of the unknown PRK, a transphosphorylation should occur and be detected. The second strategy will use the endodomain of BRI1 as a reporter, a receptor responding to the brassinosteroid phytohormone, which will relay the message to a second construct used as a reporter gene once the ligand has bound the PRK ectodomain fused to the BRI1 endodomain.

La dynamique structurelle des biomolécules est intimement liée à leur fonction, mais très coûteuse à étudier expériementalement. Pour cette raison, de nombreuses méthodologies computationnelles ont été développées afin de simuler la dynamique structurelle biomoléculaire. Toutefois, lorsque l'on s'intéresse à la modélisation des effects de milliers de mutations, les méthodes de simulations classiques comme la dynamique moléculaire, que ce soit à l'échelle atomique ou gros-grain, sont trop coûteuses pour la majorité des applications. D'autre part, les méthodes d'analyse de modes normaux de modèles de réseaux élastiques gros-grain (ENM pour "elastic network model") sont très rapides et procurent des solutions analytiques comprenant toutes les échelles de temps. Par contre, la majorité des ENMs considèrent seulement la géométrie du squelette biomoléculaire, ce qui en fait de mauvais choix pour étudier les effets de mutations qui ne changeraient pas cette géométrie. Le "Elastic Network Contact Model" (ENCoM) est le premier ENM sensible à la séquence de la biomolécule à l'étude, ce qui rend possible son utilisation pour l'exploration efficace d'espaces conformationnels complets de variants de séquence. La présente thèse introduit le pipeline computationel ENCoM-DynaSig-ML, qui réduit les espaces conformationnels prédits par ENCoM à des Signatures Dynamiques qui sont ensuite utilisées pour entraîner des modèles d'apprentissage machine simples. ENCoM-DynaSig-ML est capable de prédire la fonction de variants de séquence avec une précision significative, est complémentaire à toutes les méthodes existantes, et peut générer de nouvelles hypothèses à propos des éléments importants de dynamique structurelle pour une fonction moléculaire donnée. Nous présentons trois exemples d'étude de relations séquence-dynamique-fonction: la maturation des microARN, le potentiel d'activation de ligands du récepteur mu-opioïde et l'efficacité enzymatique de l'enzyme VIM-2 lactamase. Cette application novatrice de l'analyse des modes normaux est rapide, demandant seulement quelques secondes de temps de calcul par variant de séquence, et est généralisable à toute biomolécule pour laquelle des données expérimentale de mutagénèse sont disponibles. / The dynamics of biomolecules are intimately tied to their functions but experimentally elusive, making their computational study attractive. When modelling the effects of thousands of mutations, time-stepping methods such as classical or enhanced sampling molecular dynamics are too costly for most applications. On the other hand, normal mode analysis of coarse-grained elastic network models (ENMs) provides fast analytical dynamics spanning all timescales. However, the vast majority of ENMs consider backbone geometry alone, making them a poor choice to study point mutations which do not affect the equilibrium structure. The Elastic Network Contact Model (ENCoM) is the first sequence-sensitive ENM, enabling its use for the efficient exploration of full conformational spaces from sequence variants. The present work introduces the ENCoM-DynaSig-ML computational pipeline, in which the ENCoM conformational spaces are reduced to Dynamical Signatures and coupled to simple machine learning algorithms. ENCoM-DynaSig-ML predicts the function of sequence variants with significant accuracy, is complementary to all existing methods, and can generate new hypotheses about which dynamical features are important for the studied biomolecule's function. Examples given are the maturation efficiency of microRNA variants, the activation potential of mu-opioid receptor ligands and the effect of point mutations on VIM-2 lactamase's enzymatic efficiency. This novel application of normal mode analysis is very fast, taking a few seconds CPU time per variant, and is generalizable to any biomolecule on which experimental mutagenesis data exist.