La Enhanced Cyan Fluorescent Protein (ECFP) est un variant spectral de la Green Fluorescent Protein extraite de la méduse Aequaria Victoria (GFPav). La ECFP, émettant dans le cyan, est un des donneurs les plus utilisés dans les études de transfert résonnant d'énergie d'excitation et est integré dans de nombreuses constructions de biosenseurs. Pourtant, elle souffre de nombreux inconvenients. Notamment elle pésente des propriétés photophysiques complexes et une forte sensibilité environnementale qui sont des freins à une interprétation quantitative de ses signaux de fluorescence en imagerie cellulaire. Notre objectif vise à mettre au point, grâce à l'introduction d'un minimum de mutations, un dérivé de la ECFP présentant des propriétés d'émission simplifiées et performantes ainsi qu'une faible sensibilité environementale. Des mutations ont été introduites, par mutagenèse dirigée, à deux positions clefs de la séquence peptidique de la ECFP ce qui a permis de générer des dérivés présentant des propriétés photophysiques et une sensibilité au pH modulées. En particulier, nous avons réussit à générer une protéine fluorescente, l'Aquamarine, aux propriétés photophysiques quasi-idéales caractérisée par un rendement quantique de l'ordre de 0,9 et des déclins d'émission de fluorescence quasi-monexponentiels. Elle présente également une sensibilité au pH fortement réduite avec un pH de demi-transition acide de 3,3.Ce manuscrit présente l'étude détaillée des propriétés d'émission de fluorescence des diverses protéines générées. Plusieurs paramètres présentant un intérêt particulièrement important pour une utilisation adéquate en imagerie de fluorescence ont été évalués. Outre la sensibilité au pH établie sur une large gamme de pH (2,5-11), une attention particulière a été portée sur les performances photophysiques (monoexponentialité du déclin d'émission de fluorescence, durée de vie moyenne, rendement quantique, brillance,...) de ces dérivés. De plus, grâce à des expériences de dichroïsme circulaire, des informations sur les changements structuraux, dont ces dérivés sont le siège à pH très acide, ont été obtenues. Enfin, l'examen détaillé des données spectroscopiques stationnaires et résolues en temps a permis de mettre en lumière l'existence de plusieurs espèces émissives contribuant à la photophysique de ces protéines et à l'origine de leur transition acide. L'ensemble de ces résultats constitue une première approche pour une meilleure compréhension de la relation structure-photophysique-dynamique de la ECFP et de ces dérivés.

L'azote est l'un des éléments les plus essentiels dans le monde pour les êtres vivants, car il est essentiel pour la production des éléments de base de la cellule, les acides aminés, les acides nucléiques et les autres constituants cellulaires. L’atmosphère est composé de 78% d'azote gazeux, une source d'azote inutilisable par la plupart des organismes à l'exception de ceux qui possèdent l’enzyme nitrogénase, tels que les bactéries diazotrophique. Ces micro-organismes sont capables de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3), qui est l'une des sources d'azote les plus préférables. Cette réaction exigeant l’ATP, appelée fixation de l'azote, est catalysée par une enzyme, nitrogénase, qui est l'enzyme la plus importante dans le cycle de l'azote. Certaines protéines sont des régulateurs potentiels de la synthèse de la nitrogénase et de son activité; AmtB, DraT, DraG, les protéines PII, etc.. Dans cette thèse, j'ai effectué diverses expériences afin de mieux comprendre leurs rôles détailés dans Rhodobacter capsulatus. La protéine membranaire AmtB, très répandue chez les archaea, les bactéries et les eucaryotes, est un membre de la famille MEP / Amt / Rh. Les protéines AmtB sont des transporteurs d'ammonium, importateurs d'ammonium externe, et ont également été suggéré d’agir comme des senseurs d'ammonium. Il a été montré que l’AmtB de Rhodobacter capsulatus fonctionne comme un capteur pour détecter la présence d'ammonium externe pour réguler la nitrogénase. La nitrogénase est constituée de deux métalloprotéines nommées MoFe-protéine et Fe-protéine. L'addition d'ammoniaque à une culture R. capsulatus conduit à une série de réactions qui mènent à la désactivation de la nitrogénase, appelé "nitrogénase switch-off". Une réaction critique dans ce processus est l’ajout d’un groupe ADP-ribose à la Fe-protéine par DraT. L'entrée de l'ammoniac dans la cellule à travers le pore AmtB est contrôlée par la séquestration de GlnK. GlnK est une protéine PII et les protéines PII sont des protéines centrales dans la régulation du métabolisme de l'azote. Non seulement la séquestration de GlnK par AmtB est importante dans la régulation nitrogénase, mais la liaison de l'ammonium par AmtB ou de son transport partiel est également nécessaire. Les complexes AmtB-GlnK sont supposés de lier DraG, l’enzyme responsable pour enlever l'ADP-ribose ajouté à la nitrogénase par DraT, ainsi formant un complexe ternaire. Dans cette thèse certains détails du mécanisme de transduction du signal et de transport d'ammonium ont été examinés par la génération et la caractérisation d’un mutant dirigé, RCZC, (D335A). La capacité de ce mutant, ainsi que des mutants construits précédemment, RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) et RCIA4 (W237A), d’effectuer le « switch-off » de la nitrogénase a été mesurée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont révélé que tous les résidus d'acides aminés ci-dessus ont un rôle essentiel dans la régulation de la nitrogénase. L’immunobuvardage a également été effectués afin de vérifier la présence de la Fe-protéine l'ADP-ribosylée. D335, D388 et W237 semblent être cruciales pour l’ADP-ribosylation, puisque les mutants RCZC, RCIA1 et RCIA4 n'a pas montré de l’ADP-ribosylation de la Fe-protéine. En outre, même si une légère ADP-ribosylation a été observée pour RCIA2 (G344C), nous le considérons comme un résidu d'acide aminé important dans la régulation de la nitrogénase. D’un autre coté, le mutant RCIA3 (H193E) a montré une ADP-ribosylation de la Fe-protéine après un choc d'ammonium, par conséquent, il ne semble pas jouer un rôle important dans l’ADP-ribosylation. Par ailleurs R. capsulatus possède une deuxième Amt appelé AmtY, qui, contrairement à AmtB, ne semble pas avoir des rôles spécifiques. Afin de découvrir ses fonctionnalités, AmtY a été surexprimée dans une souche d’E. coli manquant l’AmtB (GT1001 pRSG1) (réalisée précédemment par d'autres membres du laboratoire) et la formation des complexes AmtY-GlnK en réponse à l'addition d’ammoniac a été examinée. Il a été montré que même si AmtY est en mesure de transporter l'ammoniac lorsqu'il est exprimé dans E. coli, elle ne peut pass’ associer à GlnK en réponse à NH4 +. / Nitrogen is one of the most vital elements in the world for living creatures since it is essential for the production of the basic building blocks of the cell; amino acids, nucleic acids and other cellular constituents. The atmosphere is 78% nitrogen gas (N2), a source of nitrogen unusable by most organisms except for those possessing the enzyme nitrogenase, such as diazotrophic bacteria species. These microorganisms are capable of converting atmospheric nitrogen to ammonia (NH3), which is one of the most preferable nitrogen sources. This ATP demanding reaction, called nitrogen fixation, is catalysed by the nitrogenase enzyme, which is the most important enzyme in the nitrogen cycle. Some proteins are potential regulators of nitrogenase synthesis and activity; AmtB, DraT, DraG, PII proteins and etc. In this thesis I performed various experiments in order to better understand their roles in Rhodobacter capsulatus, in more detail. The membrane protein AmtB, which is widespread among archaea, bacteria and eukaryotes, is a member of the MEP/Amt/Rh family. The AmtB proteins are ammonium transporters, taking up external ammonium, and have also been suggested to sense the presence of ammonium. It has been shown that in Rhodobacter capsulatus AmtB functions as a sensor for the presence of external ammonium in order to regulate nitrogenase. Nitrogenase consists of two metalloprotein components named MoFe-protein and Fe-protein. The addition of ammonium to R. capsulatus culture medium leads to a series of reactions which result in the deactivation of nitrogenase, called “nitrogenase switch-off”. A critical reaction in this process is one in which DraT adds an ADP-ribose group to the Fe-protein of nitrogenase. The entrance of ammonia through the AmtB pore is regulated by GlnK sequestration. GlnK is a PII protein and PII proteins are one of the central proteins in the regulation of nitrogen metabolism. Not only is GlnK-AmtB sequestration important in nitrogenase regulation, but binding of ammonium by AmtB or its partial transport is also necessary. AmtB-GlnK complexes are thought to bind DraG, which is responsible for removing the ADP-ribose that DraT adds to nitrogenase, to form a ternary complex. In this thesis details of the signal transduction mechanism and ammonium transport were examined by generating and characterizing RCZC, a (D335A) site- directed mutant of AmtB. The ability of this mutant, as well as previously constructed mutants RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) and RCIA4 (W237A), to “switch-off” nitrogenase activity was measured by gas chromatography. The results revealed that all the above amino acid residues have critical roles in nitrogenase regulation. Immunoblotting was also carried out to check the presence of ADP-ribosylated Fe-protein. D335, D388 and W237 seem to be crucial for NifH ADP-ribosylation, since their mutants (RCZC, RCIA1 and RCIA4 respectively) didn't show ADP-ribosylation on Fe-protein. In addition, although a slight ADP-ribosylation was observed for RCIA2 (G344C) we still consider it as an important amino acid residue in this matter whereas the remaining mutant RCIA3 (H193E) showed Fe-protein ADP-ribossylation after an ammonium shock, therefore it doesn't seem to be important in NifH ADP-ribosylation. In addition R. capsulatus possesses a second Amt called AmtY, which in contrast to AmtB, doesn't appear to have any specific roles. In order to find out its functionality, AmtY was overexpressed in an E. coli strain lacking AmtB (GT1001 pRSG1) (which was carried out previously by other lab members) and AmtY-GlnK complex formation in response to ammonium addition was examined. It was shown that even though AmtY is able to take up ammonia when expressed in E. coli it fails to associate with GlnK in response to NH4+.

Les rétrotransposons L1 (Long INterspersed Element-1) sont des éléments génétiques mobiles dont l'activité contribue à la dynamique du génome humain par mutagenèse insertionnelle. Les conséquences génétiques et épigénétiques d'une nouvelle insertion, et la capacité d'un L1 à être remobilisé, sont directement liées au site d’intégration dans le génome. Aussi, l’analyse des sites d’intégration des L1s est capitale pour comprendre leur impact fonctionnel - voire pathogène -, en particulier lors de la tumorigenèse ou au cours du vieillissement, et l’évolution de notre génome. Dans ce but, nous avons induit de façon expérimentale la rétrotransposition d'un élément L1 actif plasmidique dans des cellules en culture. Puis, nous avons cartographié les insertions obtenues de novo dans le génome humain grâce à une méthode de séquençage à haut-débit, appelée ATLAS-seq. Finalement, les sites pré-intégratifs identifiés par cette approche ont été analysés en relation avec un grand jeu de données publiques regroupant les caractéristiques structurales, génétiques ou épigénétiques de ces loci. Ces expériences ont révélé que les éléments L1 s’intègrent préférentiellement dans des régions de la chromatine faiblement exprimées et renfermant des activateurs faibles. Nous avons aussi trouvé plusieurs positions chromosomiques qui constituent des points chauds d'intégrations récurrentes. Nos résultats indiquent que la distribution des insertions de L1 de novo n’est pas aléatoire, que ce soit à l’échelle chromosomique ou à plus petite échelle, et ouvrent la porte à l'identification des déterminants moléculaires qui contrôlent la distribution chromosomique des L1s dans notre génome / Retrotransposons are mobile genetic elements that employ an RNA intermediate and a reverse transcription step for their replication. Long INterspersed Elements-1 (LINE-1 or L1) form the only autonomously active retrotransposon family in humans. Although most copies are defective due to the accumulation of mutations, each individual genome contains an average of 100 retrotransposition-competent L1 copies, which contribute to the dynamics of contemporary human genomes. L1 integration sites in the host genome directly determine the genetic consequences of the integration and the fate of the integrated copy. Thus, where L1 integrates in the genome, and whether this process is random, is critical to our understanding of human genome evolution, somatic genome plasticity in cancer and aging, and host-parasite interactions. To characterize L1 insertion sites, rather than studying endogenous L1 which have been subjected to evolutionary selective pressure, we induced de novo L1 retrotransposition by transfecting a plasmid-borne active L1 element into HeLa S3 cells. Then, we mapped de novo insertions in the human genome at nucleotide resolution by a dedicated deep-sequencing approach, named ATLAS-seq. Finally, de novo insertions were examined for their proximity towards a large number of genomic features. We found that L1 preferentially integrates in the lowly-expressed and weak enhancer chromatin segments. We also detected several hotspots of recurrent L1 integration. Our results indicate that the distribution of de novo L1 insertions is non-random both at local and regional scales, and pave the way to identify potential cellular factors involved in the targeting of L1 insertions

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / La détermination des structures tertiaires des protéines par rayons X a pour but de nous apporter des connaissances détaillées sur leur repliement et de comprendre la relation entre leur structure et leur fonction. Nous allons montrer par la présente étude comment la cristallographie jumelée à la mutagenèse dirigée peut être utilisée dans la détermination et la compréhension du mécanisme enzymatique de l'aldolase du muscle de lapin. Les différentes mutations générées visent des acides aminés qui sont, dans la plupart des cas, situés dans le site actif et qui sont impliqués dans la catalyse enzymatique. Certains mutants de l'aldolase du muscle sont analysés par des méthodes cristallographiques, cinétiques, enzymatiques et d'échanges isotopiques. L'enzymologie nous a permis de déterminer les paramètres cinétiques de ces mutants, afin d'établir leur rôle dans la réaction enzymatique. L'étude structurale permet d'avoir une vision directe des types d'interactions au sein d'une enzyme. L'interprétation des données structurales associée aux données cinétiques permet d'analyser avec pertinence la fonction des résidus impliqués dans le mécanisme catalytique de l'aldolase du muscle de lapin. Dans le but de connaître l'implication de certains résidus dans le mécanisme catalytique, nous nous sommes focalisés sur l'étude structurale de plusieurs mutants. Les principaux intérêts de ce travail consistent à connaître si la perte d'activité est directement liée à la mutation ou à un changement global de la structure engendrée par celle-ci, à déterminer la structure mutante formant un complexe avec le substrat ou le produit de la réaction catalytique ainsi qu'a connaître le lien entre l'affinité pour le substrat et un acide aminé bien spécifique. La réponse à toutes ces questions nous a amenés à la résolution des structures cristallographiques de certains mutants. La cristallographie qui donne une vision directe des interactions entre les acides aminés est un puissant outil qui nous renseigne sur la nature et le mode d'action des résidus. Les résultats structuraux nous ont permis de tirer plusieurs conclusions sur la relation structure/fonction de cette enzyme et de déterminer la nature et le rôle des résidus impliqués dans la catalyse, ainsi que ceux impliqués dans sa conformation. Ces méthodes nous ont également permis de proposer un nouveau modèle du mécanisme enzymatique. Nous discuterons aussi des problèmes liés à la cristallisation des protéines et les méthodes récentes appliquées pour les contourner.

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

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales très fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés sur 1000 naissances. Elles résultent d’une fermeture incomplète du tube neural lors de l’embryogenèse. L’étiologie des ATN est complexe impliquant des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. La souris représente un outil puissant afin de mieux comprendre la génétique des ATN. Particulièrement, la souris modèle a impliqué fortement la voie de la polarité cellulaire planaire (PCP) dans ces malformations. Dans cette étude, nous avons identifié et caractérisé une nouvelle souris mutante, Skam26Jus dans le but d’identifier un nouveau gène causant les ATN. Skam26Jus a été générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera. Cette souris est caractérisée par une queue en forme de boucle ou de crochet, soit un phénotype associé aux ATN. La complémentation génétique de la souris Skam26Jus avec une souris mutante d’un gène de la voie PCP Vangl2 (Looptail) a montré une interaction génétique entre le gène muté chez Skam26Jus et Vangl2, suggérant que ces deux gènes fonctionnent dans des voies de signalisation semblables ou parallèles. Un total de 50% des embryons doubles hétérozygotes avec un phénotype de la queue présentent un spina bifida. La cartographie par homozygotie du génome entier suivie par un clonage positionnel a permis d’identifier Lrp6 comme le gène muté chez Skam26Jus. Une mutation homozygote, p.Ile681Arg, a été identifiée dans Lrp6 chez les souris ayant une queue en boucle/crochet. Cette mutation était absente dans 30 souches génétiques pures indiquant que cette mutation est spécifique au phénotype observé. Une étude de phénotype-génotype évalue la pénétrance à 53 % de la mutation Ile681Arg. Lrp6 est connu pour activer la voie canonique Wnt/β-caténine et inhiber la voie non canonique Wnt/PCP. Le séquençage de la région codante et de la jonction exon-intron de LRP6 chez 268 patients a mené à l’identification de quatre nouvelles rares mutations faux sens absentes chez 272 contrôles et de toutes les bases de données publiques. Ces mutations sont p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile; p.Tyr1541Cys et leur pathogénicité prédite in silico indiquent que p.Val1386Ile est bénigne, et que p.Tyr306Hiset p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys sont i possiblement dommageables. Les mutations p.Tyr306His, p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys ont affecté l’habilité de LRP6 d’activer la voie Wnt/β-caténine en utilisant le système rapporteur luciférase de pTOPflash. Nos résultats suggèrent que LRP6 joue un rôle dans le développement des ATN chez une petite fraction de patients ayant une ATN. Cette étude présente aussi Skam26Jus comme un nouveau modèle pour étudier les ATN chez l’humain et fournit un outil important pour comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des A TN. / Neural tube defects (NTDs) are among the most common congenital malformations in humans affecting 1–2 infants per 1000 births. NTDs are caused by failure of the neural tube to close during embryogenesis. The most common forms of NTDs in humans are anencephaly and spina bifida. Their etiology is complex implicating both environmental and genetic factors. The mouse model represents a powerful tool to investigate the genetics of NTDs. Particularly, mouse mutants at genes belonging to the planar polarity pathway (PCP) developed severe forms of NTDs strongly implicating this pathway in the pathogenesis of NTDs. In this study, we identified and characterized a novel mouse mutant, Skam26Jus, as a model for NTDs. Skam26Jus was generated by N-Ethyl-N-Nitrosuera mutagenesis and displayed a characteristic kinky or loop tail that is considered as the minimal sign if NTDs. Complementation of Skam26Jus mutant with a PCP mouse mutant called Looptail (Lp) showed a genetic interaction between Skam26Jus and Vangl2, the gene mutated in Lp. This led to spina bifida in 50% of double heterozygotes with a kinky or looptail phenotype. Homozygosity mapping followed by a positional candidate gene approach led to the identification of Lrp6 as the gene mutated in Skam26Jus. We detected a homozygous mutation, p.Ile681Arg, in Lrp6 in Skam26Jus mice having loop/kinky tail phenotype. This mutation was absent in 30 inbred strains analyzed indicating that it is disease specific. Genotype-phenotype studies indicated a 52 % penetrance of the p.Ile681Arg mutation. Lrp6 is known to activate Wnt canonical β-catenin pathway and inhibit Wnt non canonical PCP pathway. Sequencing analysis of the open reading frame and exon-intron junctions of human LRP6 in 268 NTD patients led to the identification of 4 novel rare missense mutations that were absent in 272 controls analyzed and in all public databases. These mutations were p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile ; p.Tyr1541Cys, and of these, p.Val1386Iso was predicted to be benign, and p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys and p.Tyr1541Cys were predicted to be possibly pathogenic using bioinformatics tools. Functional validation of these mutations with the luciferase reporter system pTOPflash assay demonstrated that mutation p.Tyr306His, p.Tyr373Cys and iii p.Tyr1541Cys reduced the ability of LRP6 to activate the Wnt canonical β-catenin pathway. Our data suggest that LRP6 could play a role in the development of NTDs in a small fraction of NTD patients. Our study also presents Skam26Jus as a new mouse model for the study of human NTDs and provides an important tool for better understanding of the molecular pathogenic mechanisms underlying NTDs.

Les lipases sont des enzymes présentant un grand intérêt industriel. L’intérêt de ces enzymes a conduit à caractériser ces enzymes, à mieux comprendre leur mécanisme réactionnel et leur cinétique, et à établir des méthodes efficaces de production en système d’expression homologue et hétérologue. Plus récemment, l’ingénierie enzymatique permet d’améliorer les caractéristiques des enzymes. Ce thèse s’est fixé deux objectifs principaux: premièrement, la purification et la fonctionnalisation d’acides gras poly-insaturés de type Omega-3 (PUFAs), et spécialement l’acide cis-4, 7, 10, 13, 16, 19-docosahexaénoique (DHA) et deuxièmement la production de lipides structurés (SL). Un premier objectif fut de produire une molécule pharmaceutique, le nicotinyl DHA ester. Le co-substrat du DHA est le nicotinol, un alcool qui après absorption, il est rapidement converti en acide nicotinique (Vitamine B3). La trans-esterification enzymatique entre l’ester éthylique du DHA et le nicotinol a été optimisée dans le but de synthétiser un ester présentant les propriétés cumulatives des deux réactants. Après la sélection de l’enzyme optimale (lipase immobilisée de Candida antarctica; Novozyme 435) et le choix du milieu réactionnel (milieu sans solvant), le procédé a été optimisé. Une conversion supérieure à 97 % a été obtenu en 4 heures avec 45 g.L-1 d’enzyme. Dans ces conditions, une productivité de 4.2 g de produit .h-1.g d’enzyme-1 a été obtenue. Ce projet nécessite une haute pureté en DHA. Un procédé de purification enzymatique a été choisi. Les lipases sont capables de discriminer entre les acides gras en fonction de la longueur de chaine et du degré d’insaturation. Les lipases agissent par résolution cinétique, en réagissant plus efficacement avec les acides gras saturés et mono-insaturés qu’avec les PUFAs résistants. La lipase YLL2 de Yarrowia lipolytica apparait comme un bon candidat car elle est homologue à une des lipases les plus efficaces, la lipase de Thermomyces lanuginosus. YLL2 a permis d’obtenir une discrimination très efficace. Les raisons de la sélectivité de l’enzyme ont été identifiées : il s’agit du positionnement de la double liaison la plus proche de la fonction carboxylique. La concentration en DHA la plus élevée a été obtenue avec YLL2 (73%) avec un pourcentage de récupération du DHA-EE de 89%. YLL2 est par conséquent l’enzyme décrite la plus efficace pour la purification du DHA.La mutagénèse ciblée dans le site actif de YLL2 a été utilisée pour améliorer la sélectivité de cette enzyme. L’analyse de la structure 3D et les alignements avec des lipases homologues a permis de choisir les cibles de mutagénèse dirigée. Les acides aminés cibles ont été changés de manière à restreindre ou élargir le site actif. De ce premier screening de variantes deux positions ont permis d’améliorer la spécificité de l’enzyme, les positions I100 et V235. Finalement la saturation de ces 2 positions a été réalisée. Le dernier objectif de la thèse était la production de SL par acidolysis enzymatique entre l'huile d'olive vierge et les acides caprylic ou capric utilisant la lipase YLL2 immobilisé. Le SL obtenu devrait être riche en acide oléique à la position sn-2 tandis que les C8:0 et C10:0 devraient être principalement estérifiés aux positions sn-1,3. YLL2 immobilisé sur Accurel 1000 a été testé dans un système sans solvant. La réaction d’acidolysis d'huile d'olive avec C8:0 ou C10:0 a été optimisée avec la méthodologie de surface de réponse (RSM). / Lipases are enzymes with applications extended to a wide variety of industries. The variety of lipases applications led to increased research to characterize them and better understand their kinetics and reaction mechanisms and to establish methods for lipase production in homologous and heterologous expression systems. Lately enzymatic engineering allowed the improvement of lipase characteristics. This thesis project studies the use of lipases for two main objectives: lipase-catalyzed purification and functionalization of Omega-3 polyunsaturated fatty acids (PUFAs), especially cis-4, 7, 10, 13, 16, 19-docosahexaenoic acid (DHA) and production of structured lipids (SL). DHA was used for the synthesis of a pharmaceutical molecule, the nicotinyl DHA ester. The co-substrate of the reaction was nicotinol, an alcohol from the group B pro-vitamin, which after absorption is rapidly converted into nicotinic acid (Vitamin B3). The enzymatic trans-esterification of DHA ethyl esters with nicotinol was optimised to synthesise an ester presenting the cumulative properties of the two reactants. After enzyme (immobilized lipase from Candida antarctica; Novozym 435) and reaction medium (solvent-free system) selection, the process was optimised. A conversion to nicotinyl-DHA superior to 97 % was obtained in 4 hours using 45 g.L-1 of enzyme. With a productivity of 4.2 g of product .h-1.g of enzyme-1.This project requires DHA of high purity. Enzymatic purification was chosen for the production of DHA concentrates. Lipases can discriminate between fatty acids in function of their chain length and saturation degree. Lipases react more efficiently with the bulk of saturated and mono-unsaturated fatty acids than with the PUFAs. The objective was the discovery of more specific enzymes for DHA purification. The lipase Lip2 from Yarrowia lipolytica (YLL2) appears as a good candidate since it is homologous to one of the most efficient lipase, the lipase from Thermomyces lanuginosus. YLL2 enables a high discrimination to be obtained, enzyme selectivity being principally due to the positioning of the double-bond the closest from the carboxylic group. The highest concentration of DHA was obtained with YLL2 (73%) with a recovery percentage of DHA-EE of 89%. YLL2 is the most efficient described lipase for DHA purification.Site directed mutagenesis was used to improve YLL2 from Y. lipolytica. Using its three dimensional structure and alignment with homologous lipases, targets for site directed mutagenesis were chosen. Chosen amino acids were substituted by two amino acids of different sizes. From the screening of variants two positions with promising specificities where chosen, positions I100 and V235. Finally saturation of both positions and the analysis of their performances in the selected reactions were carried out. The last objective was the production of SL by enzymatic acidolysis between virgin olive oil and caprylic or capric acids using immobilized Lip2 from Y. lipolytica. The SL obtained should be rich in oleic acid at the sn-2 position while C8:0 and C10:0 should be mainly esterified at the sn-1,3 positions. Lip2 from Y. lipolytica immobilized on Accurel MP 1000 was tested in a solvent-free system. The acidolysis reaction of olive oil with C8:0 or C10:0 was optimized by response surface methodology (RSM)

La Enhanced Cyan Fluorescent Protein (ECFP) est un variant spectral de la Green Fluorescent Protein extraite de la méduse Aequaria Victoria (GFPav). La ECFP, émettant dans le cyan, est un des donneurs les plus utilisés dans les études de transfert résonnant d’énergie d’excitation et est integré dans de nombreuses constructions de biosenseurs. Pourtant, elle souffre de nombreux inconvenients. Notamment elle pésente des propriétés photophysiques complexes et une forte sensibilité environnementale qui sont des freins à une interprétation quantitative de ses signaux de fluorescence en imagerie cellulaire. Notre objectif vise à mettre au point, grâce à l’introduction d’un minimum de mutations, un dérivé de la ECFP présentant des propriétés d’émission simplifiées et performantes ainsi qu’une faible sensibilité environementale. Des mutations ont été introduites, par mutagenèse dirigée, à deux positions clefs de la séquence peptidique de la ECFP ce qui a permis de générer des dérivés présentant des propriétés photophysiques et une sensibilité au pH modulées. En particulier, nous avons réussit à générer une protéine fluorescente, l’Aquamarine, aux propriétés photophysiques quasi-idéales caractérisée par un rendement quantique de l’ordre de 0,9 et des déclins d'émission de fluorescence quasi-monexponentiels. Elle présente également une sensibilité au pH fortement réduite avec un pH de demi-transition acide de 3,3.Ce manuscrit présente l’étude détaillée des propriétés d’émission de fluorescence des diverses protéines générées. Plusieurs paramètres présentant un intérêt particulièrement important pour une utilisation adéquate en imagerie de fluorescence ont été évalués. Outre la sensibilité au pH établie sur une large gamme de pH (2,5-11), une attention particulière a été portée sur les performances photophysiques (monoexponentialité du déclin d'émission de fluorescence, durée de vie moyenne, rendement quantique, brillance,…) de ces dérivés. De plus, grâce à des expériences de dichroïsme circulaire, des informations sur les changements structuraux, dont ces dérivés sont le siège à pH très acide, ont été obtenues. Enfin, l’examen détaillé des données spectroscopiques stationnaires et résolues en temps a permis de mettre en lumière l’existence de plusieurs espèces émissives contribuant à la photophysique de ces protéines et à l’origine de leur transition acide. L’ensemble de ces résultats constitue une première approche pour une meilleure compréhension de la relation structure-photophysique-dynamique de la ECFP et de ces dérivés. / The Enhanced Cyan Fluorescent Protein (ECFP) is a variant of Green Fluorescent Protein extracted from the jellyfish Aequaria Victoria (GFPav). The ECFP, emitting in the cyan, is one of the most donors used in studies of resonant transfer excitation energy and is integrated in many constructions of biosensors. However, it suffers from several drawbacks. In particular, it presents a complex photophysical properties and high environmental sensitivity that are obstacles to its quantitative interpretation of fluorescence signals in cellular imaging. Our goal is to develop, through the introduction of minimum mutations, a derivative of the ECFP with simplified emission properties and low environmental sensitivity.Mutations were introduced by site-directed mutagenesis, into two positions in the peptide sequence of ECFP which helped to generate derivatives with modulated photophysical properties and low pH sensitivity. In particular, we have managed to generate a fluorescent protein, Aquamarine, with almost ideal photophysical properties characterized by a quantum yield of about 0.9 and pure single exponential fluorescence decay. It also has a greatly reduced sensitivity to the pH with half transition point near 3.3.This manuscript presents a detailed study of fluorescence properties of various proteins generated. Several parameters for proper use in fluorescence imaging were evaluated. In addition to the pH sensitivity based on a wide range of pH (2.5 to 11), particular attention was paid to the photophysical performance (simpler fluorescence emission decay, average lifetime, quantum yield, brightness, ...) of these derivatives. In addition, we studied structural changes on these derivatives at acidic pH by circular dichroism. Finally, a detailed examination of the steady state fluorescence and time-resolved fluorescence helped to highlight the existence of several emissive species contributing to the photophysics of these proteins and the origin of their acid transition. These results constitute a first approach to a better understanding of the structure-photophysical dynamics of ECFP-and these derivatives

ATP synthase est une protéine essentielle associée à la membrane interne mitochondriale, qui synthétise l'ATP par couplage d’un transport de protons au travers de la membrane, en dissipant un gradient électrochimique de protons créé par la chaîne respiratoire. Cette réaction assure l’alimentation en énergie des processus biologiques cellulaires. Si la membrane mitochondriale se dépolarise, la réaction inverse d’hydrolyse d’ATP est rapidement bloquée par un inhibiteur soluble naturel de l’ATPase mitochondriale, IF1. Cette régulation efficace et réversible évite le gaspillage de l’énergie par la cellule. Chez la levure, IF1 est une petite protéine de 63 amino-acides. Elle se fixe sur l'une des trois interfaces catalytiques de l’ATP synthase et inhibe l’hydrolyse d’ATP. Bien que les structures cristallographiques des complexes F1-ATPase inhibés par IF1 aient été résolus, l'étape initiale de reconnaissance et celle du verrouillage d’IF1 restent peu claires au niveau moléculaire.Pendant ma thèse, nous nous sommes intéressés au mécanisme d’inhibition de l’ATPase par IF1. Par des analyses des structures disponibles et des alignements de séquence, nous avons sélectionné de nombreux résidus localisés dans différentes régions des sous-unités α et β de l'ATP synthase de Saccharomyces cerevisiae et susceptibles de participer au processus de fixation d'IF1. En utilisant le mutagenèse dirigée combinée à des experiences cinétiques, nous avons étudié les effects des mutations sur l’inhibition de l’ATP synthase par IF1 chez Saccharomyces cerevisiae. Dans ce travail, nous avons identifié des résidus ou motifs des sous-unités α et β de l’ATP synthase impliqués dans les étapes de reconaissance et/ou verrouillage d’IF1, ce qui nous permet de compléter les études structurales et d'esquisser un mécanisme de fixation d'IF1. / ATP synthase is an essential protein complex located in the mitochondrial inner membrane, which synthesize ATP by coupling to a rotary proton transport across the membrane at the expense of the electrochemical proton gradient created by the electron transport chain. This reaction guarantees the supply of energy to biological processes in a cell. When mitochondria get deenergized, i.e. the protomotive force across the mitochondrial inner membrane collapses, the ATP synthase switches from ATP synthesis to hydrolysis. This hydrolytic activity is then immediately prevented by a natural soluble mitochondrial ATPase inhibitor, IF1. This efficient reversible inhibition system protects cells from wasting energy. In yeast, IF1 is a small protein consisting of 63 amino acids. It binds to one of the three (αβ) catalytic interfaces of ATP synthase and thereby blocks the rotary catalysis. Although the crystal structure of the dead-end IF1 inhibited F1-ATPase complex has been resolved, IF1 initial binding and locking to ATPase still remain unclear events at the molecular level.During my thesis, we have been interested in the dynamic mechanism of ATPase inhibition by IF1. By means of analyses of published structures and protein sequence alignment, we selected numerous residues located in different regions of Saccharomyces cerevisiae ATP synthase α, β subunits, which might potentially paticipate in IF1 binding process. Using site-directed mutagenesis combined with kinetic experiments, we studied the effect of mutations of the selected candidates on the rate and extent of ATPase inhibition by IF1. In this way we identified residues or motifs in ATP synthase α, β subunits involved in IF1 recognition and/or locking steps, which allows complementing structural studies and drawing an outline of IF1 binding.

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales très fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés sur 1000 naissances. Elles résultent d’une fermeture incomplète du tube neural lors de l’embryogenèse. L’étiologie des ATN est complexe impliquant des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. La souris représente un outil puissant afin de mieux comprendre la génétique des ATN. Particulièrement, la souris modèle a impliqué fortement la voie de la polarité cellulaire planaire (PCP) dans ces malformations. Dans cette étude, nous avons identifié et caractérisé une nouvelle souris mutante, Skam26Jus dans le but d’identifier un nouveau gène causant les ATN. Skam26Jus a été générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera. Cette souris est caractérisée par une queue en forme de boucle ou de crochet, soit un phénotype associé aux ATN. La complémentation génétique de la souris Skam26Jus avec une souris mutante d’un gène de la voie PCP Vangl2 (Looptail) a montré une interaction génétique entre le gène muté chez Skam26Jus et Vangl2, suggérant que ces deux gènes fonctionnent dans des voies de signalisation semblables ou parallèles. Un total de 50% des embryons doubles hétérozygotes avec un phénotype de la queue présentent un spina bifida. La cartographie par homozygotie du génome entier suivie par un clonage positionnel a permis d’identifier Lrp6 comme le gène muté chez Skam26Jus. Une mutation homozygote, p.Ile681Arg, a été identifiée dans Lrp6 chez les souris ayant une queue en boucle/crochet. Cette mutation était absente dans 30 souches génétiques pures indiquant que cette mutation est spécifique au phénotype observé. Une étude de phénotype-génotype évalue la pénétrance à 53 % de la mutation Ile681Arg. Lrp6 est connu pour activer la voie canonique Wnt/β-caténine et inhiber la voie non canonique Wnt/PCP. Le séquençage de la région codante et de la jonction exon-intron de LRP6 chez 268 patients a mené à l’identification de quatre nouvelles rares mutations faux sens absentes chez 272 contrôles et de toutes les bases de données publiques. Ces mutations sont p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile; p.Tyr1541Cys et leur pathogénicité prédite in silico indiquent que p.Val1386Ile est bénigne, et que p.Tyr306Hiset p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys sont i possiblement dommageables. Les mutations p.Tyr306His, p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys ont affecté l’habilité de LRP6 d’activer la voie Wnt/β-caténine en utilisant le système rapporteur luciférase de pTOPflash. Nos résultats suggèrent que LRP6 joue un rôle dans le développement des ATN chez une petite fraction de patients ayant une ATN. Cette étude présente aussi Skam26Jus comme un nouveau modèle pour étudier les ATN chez l’humain et fournit un outil important pour comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des A TN. / Neural tube defects (NTDs) are among the most common congenital malformations in humans affecting 1–2 infants per 1000 births. NTDs are caused by failure of the neural tube to close during embryogenesis. The most common forms of NTDs in humans are anencephaly and spina bifida. Their etiology is complex implicating both environmental and genetic factors. The mouse model represents a powerful tool to investigate the genetics of NTDs. Particularly, mouse mutants at genes belonging to the planar polarity pathway (PCP) developed severe forms of NTDs strongly implicating this pathway in the pathogenesis of NTDs. In this study, we identified and characterized a novel mouse mutant, Skam26Jus, as a model for NTDs. Skam26Jus was generated by N-Ethyl-N-Nitrosuera mutagenesis and displayed a characteristic kinky or loop tail that is considered as the minimal sign if NTDs. Complementation of Skam26Jus mutant with a PCP mouse mutant called Looptail (Lp) showed a genetic interaction between Skam26Jus and Vangl2, the gene mutated in Lp. This led to spina bifida in 50% of double heterozygotes with a kinky or looptail phenotype. Homozygosity mapping followed by a positional candidate gene approach led to the identification of Lrp6 as the gene mutated in Skam26Jus. We detected a homozygous mutation, p.Ile681Arg, in Lrp6 in Skam26Jus mice having loop/kinky tail phenotype. This mutation was absent in 30 inbred strains analyzed indicating that it is disease specific. Genotype-phenotype studies indicated a 52 % penetrance of the p.Ile681Arg mutation. Lrp6 is known to activate Wnt canonical β-catenin pathway and inhibit Wnt non canonical PCP pathway. Sequencing analysis of the open reading frame and exon-intron junctions of human LRP6 in 268 NTD patients led to the identification of 4 novel rare missense mutations that were absent in 272 controls analyzed and in all public databases. These mutations were p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile ; p.Tyr1541Cys, and of these, p.Val1386Iso was predicted to be benign, and p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys and p.Tyr1541Cys were predicted to be possibly pathogenic using bioinformatics tools. Functional validation of these mutations with the luciferase reporter system pTOPflash assay demonstrated that mutation p.Tyr306His, p.Tyr373Cys and iii p.Tyr1541Cys reduced the ability of LRP6 to activate the Wnt canonical β-catenin pathway. Our data suggest that LRP6 could play a role in the development of NTDs in a small fraction of NTD patients. Our study also presents Skam26Jus as a new mouse model for the study of human NTDs and provides an important tool for better understanding of the molecular pathogenic mechanisms underlying NTDs.