Accurate predictions of binding free energies from computer simulations are an invaluable resource for understanding biochemical processes and drug action. The primary aim of the work described in the thesis was to predict and understand ligand binding to several proteins of major pharmaceutical importance using computational methods. We report a computational strategy to quantitatively predict the effects of alanine scanning and ligand modifications based on molecular dynamics free energy simulations. A smooth stepwise scheme for free energy perturbation calculations is derived and applied to a series of thirteen alanine mutations of the human neuropeptide Y1 G-protein coupled receptor and a series of eight analogous antagonists. The robustness and accuracy of the method enables univocal interpretation of existing mutagenesis and binding data. We show how these calculations can be used to validate structural models and demonstrate their ability to discriminate against suboptimal ones. Site-directed mutagenesis, homology modelling and docking were further used to characterize agonist binding to the human neuropeptide Y2 receptor, which is important in feeding behavior and an obesity drug target.  In a separate project, homology modelling was also used for rationalization of mutagenesis data for an integron integrase involved in antibiotic resistance. Blockade of the hERG potassium channel by various drug-like compounds, potentially causing serious cardiac side effects, is a major problem in drug development. We have used a homology model of hERG to conduct molecular docking experiments with a series of channel blockers, followed by molecular dynamics simulations of the complexes and evaluation of binding free energies with the linear interaction energy method. The calculations are in good agreement with experimental binding affinities and allow for a rationalization of three-dimensional structure-activity relationships with implications for design of new compounds. Docking, scoring, molecular dynamics, and the linear interaction energy method were also used to predict binding modes and affinities for a large set of inhibitors to HIV-1 reverse transcriptase. Good agreement with experiment was found and the work provides a validation of the methodology as a powerful tool in structure-based drug design. It is also easily scalable for higher throughput of compounds.

Cette étude a porté sur l’analyse de l’énantiosélectivité de la lipase de Burkholderia cepacia (BCL) pour les acides 2-substitués, synthons chiraux d’intérêt pharmaceutique, avec pour objectif d’examiner le rôle de l’accès au site actif enfoui de BCL sur l’énantiosélectivité et de développer une procédure d’ingénierie permettant de créer des mutants d’énantiosélectivité améliorée. Pour traiter le problème, une nouvelle approche de calcul, basée sur des algorithmes de planification de mouvements issus de la robotique a été développée. Elle permet l’exploration conformationnelle des espaces multi-dimensionnels contraints et a été appliquée au calcul des trajectoires de plusieurs racémiques dans le site actif de BCL et à l’identification de résidus pouvant potentiellement gêner le déplacement du substrat le long du site actif. Les résultats obtenus in silico ont révélé une corrélation qualitative avec les valeurs d’énantiosélectivité et ont permis de proposer des cibles de mutagénèse. Sur cette base, l’ingénierie du site actif de BCL a été entreprise pour moduler sélectivement l’accès des énantiomères R et S à la triade catalytique. Un système d’expression hétérologue de BCL chez E. coli compatible avec une expression en microplaque, a été développé. Une librairie de 57 (3x19) mono-mutants sur les positions : Leu17, Val266 et Leu287 a été construite par iPCR puis criblée en utilisant une procédure à moyen débit pour identifier les variants actifs pour l’hydrolyse du pNPB. L’énantiosélectivité de ces mutants a ensuite été évaluée pour l’hydrolyse du racémique (R,S)-2 bromophényl acétate de 2-chloro-éthyle, par utilisation d’une nouvelle procédure de criblage en deep-wells. Ce crible a permis de mettre en évidence plusieurs mutants dont les plus prometteurs ont été caractérisés. Ainsi les mutants Leu17Ser et Leu17Met présentent une augmentation de l’énantiosélectivité d’un facteur 10 accompagnée d’une augmentation de leur activité d’un facteur 4 à 5. Le mutant Val266Gly présente, quant à lui, une inversion de l’énantiosélectivité pour le substrat d’intérêt. L’étude des trajectoires par les techniques de planification combinée à une représentation sous la forme de carte de voxels a été réalisée en parallèle. Pour les mutants sélectionnés, une bonne corrélation a été observée entre les résultats obtenus in silico et expérimentalement. De plus, cela a permis de proposer de nouvelles combinaisons de mutations ayant conduit à l’identification de deux double-mutants Leu17Met/Val266Met et Leu17Ser/Leu287Ile d’énantiosélectivité supérieure à 150 pour le substrat modèle, révélant ainsi l’intérêt de l’approche semi-rationnelle proposée / This work has been focused on the understanding of the Burkholderia cepacia lipase (BCL) enantioselectivity towards 2-substituted acids which are chiral building blocks of pharmaceutical interest. The main objective of this work was the investigation of the potential role of substrate accessibility toward the buried active site of BCL on enantioselectivity and the development of an engineering procedure for the design of enantioselective mutants. To study further this hypothesis, a novel computational approach, based on motion-planning algorithms, originally used in robotics, was developed. It allows the conformational exploration of constrained high-dimensional spaces and was applied to the computation of trajectories for a set of racemates within the catalytic site. This methodology also enables the identification of residues potentially hindering substrates displacement along the active site. Results obtained in silico were correlated qualitatively with experimental values of enantioselectivity. On the basis of these results, engineering of the narrow active site of BCL has been undertaken to modulate selectively the access of R and S enantiomers to the catalytic triade. An heterologous expression system of BCL in E. coli compatible with production at microplate scale was developed. A library of 57 (3x19) variants targeted at positions Leu17, Val266 and Leu287 was built by iPCR and subsequently screened using a medium-throughput procedure to identify active variants against pNPB hydrolysis. Next, the enantioselectivity of these mutants was evaluated towards a given racemate, the (R,S)-2-chloro ethyl 2-bromophenylacetate, using a novel screening procedure developed in deep wells. Such screening enabled the identification of several variants amongst which the most promising were characterized. Mutants Leu17Ser and Leu17Met showed a remarkable 10-fold increase of their enantioselectivity and a 4- and 5-fold improvement of their specific activity. Compared to the wild-type enzyme, mutant Val266Gly displayed a reversed enantioselectivity for the substrate of interest. Investigation of the trajectories using motion-planning techniques combined to a voxel map representation was carried out. For selected variants, a fair correlation was observed between in silico and experimental results. Moreover, this enabled us to suggest novel combinations of mutations that led to the identification of two double-mutants Leu17Met/Val266Met and Leu17Ser/Leu287Ile showing an enantioselectivity value higher than 150 for the racemic substrate, revealing thus the effiency of the semi-rational strategy

La fixation de l’azote diatomique est un processus très important à la vie, vu sa nécessité dans la biosynthèse de plusieurs molécules de base; acides aminés, acides nucléiques, etc. La réduction de l’azote en ammoniaque est catalysée par la nitrogénase, une enzyme consommatrice de beaucoup d’énergie étant donné qu’elle nécessite 20 à 30 moles d’ATP pour la réduction d’une mole d’azote. De ce fait une régulation rigoureuse est exigée afin de minimiser le gaspillage d’énergie. Plusieurs systèmes de contrôle sont connus, aussi bien au niveau post-traductionnel que traductionnel. Chez la bactérie photosynthétique pourpre non-sulfureuse R. capsulatus, la régulation de l’activité de la nitrogénase nécessite une panoplie de protéines dont la protéine membranaire AmtB, qui est impliquée dans le transport et la perception d’ammonium, et les protéines PII qui jouent plusieurs rôles clés dans la régulation de l’assimilation d’azote. Suite à l’ajout de l’ammonium dans le milieu, une inhibition réversible de l’activité de la nitrogénase est déclenchée via un mécanisme d’ADP-ribosylation de la nitrogénase. La séquestration de GlnK (une protéine PII) par l’AmtB permet à DraT, une ADP-ribosyltransférase, d’ajouter un groupement ADP-ribose sur la protéine-Fe de la nitrogénase l’empêchant ainsi de former un complexe avec la protéine-MoFe. Donc, le transfert d’électrons est bloqué, engendrant ainsi l’inhibition de l’activité de la nitrogénase qui dure aussi long que la concentration d’azote fixé reste élevé, phénomène appelé le « Switch-off/Switch-on » de la nitrogénase. Dans ce mémoire, pour mieux comprendre ce phénomène de régulation, des mutations ponctuelles au niveau de certains résidus conservés de la protéine AmtB, dont D338, G367, H193 et W237, étaient générées par mutagénèse dirigée, afin d’examiner d’avantage leur rôle dans le transport d’ammonium, la formation du complexe AmtB-GlnK, ainsi que dans le « Switch-off » et l’ADP-ribosylation. Les résultats permettent de conclure l’importance et la nécessité de certains résidus telle que le G367 dans la régulation de la nitrogénase et le transport d’ammonium, contrairement au résidu D338 qui ne semble pas être impliqué directement dans la régulation de l’activité de la nitrogénase. Ces résultats suggèrent d’autres hypothèses sur les rôles des acides aminés spécifiques d’AmtB dans ses fonctions comme transporteur et senseur d’ammonium. / The reduction of diatomic nitrogen is a very important biological process given the need of all organisms for fixed nitrogen for the biosynthesis of basic key molecules such as, amino acids, nucleic acids, etc.. The reduction of nitrogen to ammonia is catalyzed by nitrogenase, an enzyme with high energy demands since it requires 20 to 30 moles of ATP for the reduction of one mole of nitrogen. Therefore a strict control is required to minimize energy waste. Several systems of regulation are known, both at the translational and post-translational level. In the purple non-sulfur photosynthetic bacterium R. capsulatus, the post-translational regulation of nitrogenase activity requires an array of proteins, including; the membrane protein AmtB, implicated in the perception and transport of ammonium, and PII proteins, which play key roles in the regulation of nitrogen assimilation. Following the addition of ammonium to the medium nitrogenase activity is reversibly inhibited (nitrogenase switch-off) via a mechanism of ADP-ribosylation of nitrogenase. Sequestration of GlnK (PII protein) by AmtB allows DraT, an ADP-ribosyltransferase, to add an ADP-ribose group to the Fe protein preventing it from forming a complex with the MoFe protein and nitrogenase activity is consequently inhibited. To better understand this phenomenon, in this Master’s thesis point mutations were created by site-directed mutagenesis at specific conserved residues of the AmtB protein, namely, D338, G367, H193 and W237, in order to examine their role in ammonium transport, formation of an AmtB-GlnK complex, and the regulation of nitrogenase (Switch-off/ADP-ribosylation). Plasmid-borne mutant alleles were transferred to a ∆AmtB strain of R. capsulatus, and the resultant strains were subjected to a series of tests. These demonstrated the importance and necessity of certain residues, such as G367, in the regulation of nitrogenase and ammonium transport, in contrast to residue D338, which seems to have no direct role in the regulation of nitrogenase activity. These results suggest further hypotheses about the roles of specific amino acids of AmtB in its functions as a sensor and transporter for ammonium.

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

Mémoire numérisé 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

T-Zellrezeptor (TZR)-Gentherapie zeigte erste Erfolge in klinischen Studien, jedoch wurden gleichzeitig Risikofaktoren deutlich. Ein Risikofaktor ist das falsche Paaren der transferierten TZR-Ketten mit den endogenen, was zu TZR-Molekülen von unbekannter Spezifität führt und die Oberflächenexpression und somit auch die Funktionalität des transgenen TZR reduziert. Dieser Aspekt wurde in generierten T-Zellklonen mit einer konstitutiven/endogenen TZR-Expression sowie einer zweiten induzierbaren/transgenen TZR-Expression untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nach Induktion der transgenen TZR-Expression der endogene TZR seine Funktionalität verlor, obwohl er noch auf der Oberfläche detektierbar war. Als Ursachen wurden neben einer reduzierten Oberflächenexpression des endogenen TZR auch falsch gepaarte TZR-Moleküle, die mit Hilfe der Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer-Methode detektiert wurden, gefunden. Die Modifikation des TZR durch den Einbau einer zweiten Cystein-Brücke, was das Paaren der korrespondierenden TZR-Ketten stabilisieren soll, führte in den T-Zellklonen zu keiner Reduktion der falsch-paarenden TZR-Moleküle. In primären Wildtyp-T-Zellen verbesserte sich das richtige Paaren des transgenen TZR leicht und konnte durch Codon-Optimierung der TZR-Gene weiter verbessert werden. Der zweite untersuchte Risikofaktor ist die Insertionsmutagenese durch den retroviralen Vektor. Die sichere Verwendbarkeit von differenzierten T-Zellen für die TZR-Gentherapie wurde in einem Tiermodel mit wiederholter T-Zellstimulierung, um weitere Mutationen während der Zellteilung zu provozieren, analysiert. Im Laufe der Zeit reicherten sich die transferierten T-Zellen in den Tieren dramatisch an, aber entwickelten sich nicht zu T-Zelllymphomen. Die Proliferationskapazität und die Funktionalität der transferierten T-Zellen wurden bestätigt. Die Polyklonalität der TZR-gen-modifizierten T-Zellen wurde mit Hilfe der linear-amplifizierten Polymerasekettenreaktion nachgewiesen. / T cell receptor (TCR) gene therapy is a new therapy for cancer which showed first clinical success but at the same time risk factors evolved. One risk factor is the mispairing of the TCR chains with the endogenous TCR chains which leads to TCRs with unknown specificities and to a reduced expression and functionality of the transferred TCR. This aspect was analyzed in dual TCR T cell clones which had one constitutive/endogenous TCR expression as well as a second inducible/transgenic TCR expression. It could be shown that the endogenous TCR lost its functionality after induction of the transgenic TCR expression although it was still detectable on the cell surface. The reason was found in the lower surface expression level of the endogenous TCR as well as in mispaired TCR dimers detected by fluorescence resonance energy transfer (FRET) technique. Modification of the TCR by insertion of a second cysteine bridge which should stabilize the pairing of the corresponding TCR chains did not reduce the TCR mispairing in the T cell clones. In primary wild-type cells, the pairing of the transgenic TCR improved slightly and could be further improved by codon-optimization of the TCR genes. The second analyzed possible side effect of TCR gene therapy is the insertional mutagenesis by the retroviral vector. The safety of differentiated T cells for TCR gene therapy was analyzed in an animal model with a repetitive T cell stimulation to provide the opportunity for mutations to occur during cell division. Over time, transferred T cells increased dramatically in the recipient mice, but did not lead to T cell lymphomas. The proliferative capacity and the functionality of transferred T cells were confirmed. The polyclonality of the TCR gene-modified T cells could be confirmed by linear amplification-mediated polymerase-chain reaction.

Les adénomes hépatocellulaires (AHC) sont des tumeurs hépatiques bénignes rares se développant chez la femme jeune suite à la prise de contraceptifs oraux et pouvant se compliquer d’hémorragie et de transformation maligne en carcinome hépatocellulaire (CHC). Une classification génotype/phénotype a mise en évidence trois groupes d’AHC : les AHC inactivés pour le facteur de transcription HNF1A, les AHC mutés pour la β-caténine et les AHC dit « inflammatoires » ayant une activation de la voie JAK/STAT. Nous avons identifiés des mutations activatrices du gènes GNAS, codant pour la sous unité alpha de la protéine Gs, dans un sous-groupe d’AHC inflammatoires ainsi que chez des patients avec des AHC et atteints d’un syndrome de McCune Albright, une maladie rare combinant des tumeurs endocriniennes, une dysplasie fibreuse osseuse et des taches cutanés café au lait. Cette découverte confirme les interactions entre la voie de l’AMP cyclique induite par les mutations GNAS et la voie JAK/STAT. Les CHC sont les tumeurs primitives du foie les plus fréquentes, survenant souvent sur un foie cirrhotique exposé à différents facteurs de risque comme l’hépatite B chronique, l’hépatite C chronique, l’alcool ou le syndrome métabolique. Le CHC est le résultat de l’accumulation d’altérations génétiques et épigénétiques. Premièrement, nous avons identifiés les mutations du promoteur de TERT (Telomerase reverse transcriptase) comme les altérations génétiques somatiques les plus fréquentes des CHC. Ces mutations ont été aussi retrouvées dans des lésions prénéoplasiques développées sur cirrhose suggérant leurs rôles précoces dans l’initiation tumorale et la transformation maligne. A l’inverse l’étude des mutations du promoteur de TERT et la réalisation de séquençage haut-débit dans les AHC et les transformation d’adénome en CHC nous a permis de disséquer les mécanismes de transformation maligne sur foie sain avec la présence de manière précoce d’une mutation de la β-caténine et dans un second temps l’apparition d’une mutation dans le promoteur de TERT. Par la suite, nous avons mis en évidence une signature moléculaire pronostique transcriptomique chez les patients avec CHC traités par résection hépatique. Cette signature moléculaire prédisant à la fois la récidive tumorale et le décès a été validée dans des cohortes de patients à l’étranger. Enfin, nous avons mise en évidence le rôle oncogénique de l’adeno-associated virus de type 2 dans la survenue de CHC sur foie sain via un mécanisme de mutagénèse insertionnelle dans des gènes clés de la carcinogénèse comme TERT, CCNA2, MLL4 ou TNFSF10. Ces résultats ont permit de mettre en évidence de nouveaux facteurs de risque viraux de survenue du CHC, d’identifier de nouvelles altérations génétiques impliquées dans la transformation maligne sur cirrhose et sur foie sain et permit de développer une signature moléculaire pronostique qui pourrait être utiliser dans le futur comme une aide à la stratification thérapeutique chez les patients atteint de CHC. / Hepatocellular adenomas (HCA) are rare benign liver tumors occuring in young women taking oral contraception and complications as haemorrhage or malignant transformation in hepatocellular carcinomes (HCC) could occur. A genotype/phenotype classification has defined different subgroups of tumors : HCA with inactivating mutations of HNF1A, HCA with activating mutations of β-catenin and inflammatory HCA with activation of the JAK/STAT pathway. We have identified activation mutations of GNAS, that codes for the alpha subunit of the Gs protein in a subgroup of inflammatory HCA and in patients with HCA and McCune Albright syndrom, a rare disease that combined endocrine tumor, bone fibrous dysplasia and « cafe au lait » skin macula. These findings highlight the crosstalk between the cyclic AMP pathway induced by GNAS mutation with the JAK/STAT pathway. HCC are the most frequent primary liver tumors worldwide and mainly occur on cirrhosis due to various risk factor as hepatitis B and C virus, alcohol consumption and metabolic syndrome. HCC is due to the accumulation of genetic and epigenetic alterations in the malignant hepatocytes. We have identified TERT (telomerase reverse transcriptase) promoter mutations as the most frequent somatic genetic alterations in HCC. These mutations were also found in cirrhotic premalignant nodules underlying their role in tumor initiation and malignant transformation. In contrast, the study of the different steps of malignant transformation of HCA into HCC using next generation sequencing and TERT promoter screening have shown that activatiing mutation of β-catenin is an early genetic alteration whereas TERT promoter mutation is required in a second step to promote a full malignant transformation. We have also identified a prognostic molecular signature, the 5-gene score, in patients with HCC treated by liver resection. The 5-gene score predicts tumor recurrence and disease specific survival and has been validated in different cohorts of patients worldwide. Finally, we have shown that adeno-associated virus type 2 is involved in liver carcinogenesis on normal liver through insertional mutagenesis in key cancer genes as TERT, CCNA2, MLL4 and TNFSF10. These results have underlined a new oncogenic virus involved in HCC development, identified new genetic alterations involved in malignant transformation on cirrhosis and normal liver and a new prognostic molecular signature that will help to guide treatment of patients with HCC in the future.