La reperméabilisation par thrombolyse, angioplastie ou chirurgie cardiaque des artères coronaires au décours d’un épisode d’ischémie myocardique est à l’origine d’une réduction spectaculaire de la morbi-mortalité de l’insuffisance coronaire aiguë. Elle est cependant la cause de lésions supplémentaires. La recherche de nouvelles approches cardioprotectrices complémentaires des méthodes de reperfusion actuelles est donc indispensable pour réduire les conséquences de l’ischémie myocardique. La découverte de puissants mécanismes cardioprotecteurs endogènes qui consistent en de brefs épisodes d’ischémie-reperfusion (IR) réalisés avant l’ischémie (pré-conditionnement ischémique, PCI) ou lors de la reperfusion (post-conditionnement ischémique) a permis de déterminer les mécanismes intervenant dans l’établissement des lésions d’IR. Le rôle prépondérant de la mitochondrie et l’augmentation de la perméabilité de ses membranes notamment via l’ouverture du pore de transition de perméabilité mitochondriale (mPTP) a pu être mis en évidence.Depré et al. (2001) ont décrit une stratégie cardioprotectrice novatrice : la surexpression de la protéine Hsp22 chez la souris protège le myocarde de l’infarctus et induit l’hypertrophie de ce dernier. Cette protéine est en effet capable d’activer des acteurs clés de la survie cellulaire notamment la voie des NO synthases qui est fortement impliquée dans le processus de PCI.Dans un premier temps, nous avons étudié les effets d’Hsp22 sur les fonctions mitochondriales et analysé le rôle du NO dans ces effets à l’aide d’un modèle murin sur-exprimant Hsp22 dans le myocarde. Nous avons montré qu’à l’état basal, la sur-expression d’Hsp22 augmente la production mitochondriale de NO, ce qui stimule la phosphorylation oxydative et s’accompagne de l’augmentation de la production d’espèces réactives de l’oxygène (ERO) par le complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale. Cette sur-expression réduit également la capacité maximale des complexes I et III à produire des ERO et limite l’ouverture du mPTP. Après anoxie, la sur-expression d’ Hsp22 exacerbe la diminution de phosphorylation oxydative par un mécanisme dépendant du NO et réduit la surproduction d’ERO par la chaîne respiratoire. Ces caractéristiques sont semblables à celles conférées par le PCI. La protéine Hsp22 induit donc au niveau mitochondrial des modifications qui pourraient participer à son effet cardioprotecteur. Une étude sur un modèle d’IR in vivo a permis de confirmer qu’Hsp22 limite fortement la taille de l’infarctus et de montrer que cet effet est associé à une réduction de l’atteinte des fonctions mitochondriales après IR. Les ERO sont des médiateurs clés dans le PCI mais également dans le développement de l’hypertrophie myocardique et du vieillissement prématuré. Or, Hsp22 stimule la production d’ERO mitochondriales, induit une hypertrophie myocardique et un effet cardioprotecteur similaire au PCI. Nous avons donc étudié le rôle des ERO dans les effets induits par Hsp22. Nos résultats ont montré qu’Hsp22 active les principales sources d’ERO cellulaires dans le myocarde aboutissant à un stress oxydant. Cet effet est associé à une forte réduction de la durée de vie des animaux sur-exprimant Hsp22 et à l’apparition de marqueurs de vieillissement prématuré dans le myocarde. Un traitement antioxydant permet de réduire cette sur-production d’ERO ainsi que l’hypertrophie myocardique et de rétablir l’espérance de vie des animaux transgéniques. Enfin, l’effet cardioprotecteur induit par Hsp22 est maintenu avec l’âge et n’est pas dépendant des ERO.En conclusion, l’effet cardioprotecteur durable induit par Hsp22 est associé à une protection des fonctions mitochondriales NO dépendante mais s’accompagne d’un stress oxydant responsable de l’hypertrophie myocardique et de la réduction de la durée de vie. Un traitement antioxydant est capable d’inhiber les effets délétères induits pas Hsp22 sans affecter son effet cardioprotecteur. / Development of reperfusion strategies such as thrombolysis, angioplasty and cardiac surgery to restore blood flow after myocardial ischemia is responsible for a spectacular reduction in deleterious consequences resulting from acute coronary syndrome. However reperfusion itself causes supplementary lesions. Research for new complementary cardioprotective strategies is needed to reduce the impact of myocardial ischemia. The discovery of powerful intrinsic cardioprotective processes consisting in repeated short cycles of ischemia-reperfusion (IR) before the ischemic episode (ischemic preconditioning) or at the moment of the reperfusion (ischemic postconditioning) has allowed to analyze the mechanisms involved in IR lesions and highlighted a crucial role of mitochondria and more particularly of the increase in its membrane permeability via the opening of the mitochondrial permeability transition pore (mPTP). Dr C. Depré et al. (2001) demonstrated that the over-expression of Hsp22 protein coding gene which induced myocardial hypertrophy protected from myocardial infarction. The mechanism of this innovative cardioprotective strategy is not fully understood but Hsp22 promotes the activation of cellular survival pathways such as the NO synthase pathway which is also involved in ischemic preconditioning (Depré et al., 2006).The goal of the first part of our study was to evaluate the effects of Hsp22 on mitochondrial functions and the role of NO in these effects using a transgenic mouse model overexpressing Hsp22 in the heart. Our results showed that Hsp22 overexpression increases mitochondrial NO production which stimulated oxidative phosphorylation in basal state. This was accompanied by an increased in reactive oxygen species (ROS) production by mitochondrial respiratory chain complex I. This overexpression also reduced the maximal capability of complex I and III to produce ROS production and limited mPTP opening. After anoxia, Hsp22 overexpression increaseed oxidative phosphorylation inhibition by a NO-dependent mechanism and limited the burst of ROS production from the respiratory chain.. Thus, Hsp22 modulates mitochondrial functions and this could participate to its cardioprotective effect as these characteristics replicate those of ischemic preconditioning. In the next step, we confirmed that Hsp22 overexpression highly reduced infarct size in an in vivo model of IR and showed that this was associated with a better preservation of mitochondrial functions.As ROS are key mediators of preconditioning but also of myocardial hypertrophy and aging and Hsp22 stimulates mitochondrial ROS production, induces a myocardial hypertrophy and a cardioprotective effect replicating preconditioning, we explored the role of ROS in Hsp22-induced effects in the last part of the study. Our results showed that Hsp22 overexpression activated major cellular sources of ROS leading to myocardial oxidative stress. This was associated with an extensive reduction of lifespan and the appearance of aging markers in the myocardium of young transgenic mice. Antioxidant treatment reduced the overproduction of ROS induced by Hsp22, decreased myocardial hypertrophy and restored lifespan in Hsp22 overexpressing mice showing the role of ROS in these effects. Finally, the cardioprotective effect induced by Hsp22 was maintained in old mice and was not dependent of ROS production. In conclusion, long-lasting cardioprotective effect induced by Hsp22 is associated with a NO-dependent preservation of mitochondrial functions and an oxidative stress responsible for myocardial hypertrophy and reduced lifespan. Antioxidant treatment is able to inhibit deleterious consequences of Hsp22 overexpression without affecting its cardioprotective effect.

Les stéroïdes sexuels ne sont pas impliqués uniquement dans la reproduction, ils sont également actifs dans le système nerveux où ils exercent des effets neuroprotecteurs. La mitochondrie a un rôle central dans la synthèse de l’énergie cellulaire et le contrôle du stress oxydant. Ces fonctions mitochondriales seraient une cible potentielle des effets des stéroïdes sexuels dans le cerveau. Deux approches ont été développées au cours de ce travail de thèse : une approche physiologique avec l’étude de l’influence des stéroïdes endogènes sur la fonction mitochondriale cérébrale et une approche thérapeutique en utilisant le modèle expérimental de l’ischémie cérébrale et du traitement par la progestérone. Pour analyser l’influence des stéroïdes endogènes, nous avons comparé le fonctionnement de la phosphorylation oxydative (consommation d’oxygène ou « respiration » et activités enzymatiques) ; le niveau du stress oxydant (pool de glutathion mitochondrial et inactivation oxydative de l’aconitase mitochondriale) et les taux cérébraux de stéroïdes dans des groupes de souris mâles et femelles soit jeunes adultes intactes ou gonadectomisées (3 mois) ; soit âgées (20 mois). Nous avons montré que la respiration NADH-dépendante est plus importante et que le stress oxydant mitochondrial est moins important chez les femelles que chez les mâles jeunes. Cette différence n’existe plus chez les souris âgées et est abolie après ovariectomie mais pas après orchidectomie, ce qui démontre l’influence des stéroïdes ovariens. Les taux cérébraux importants de prégnènolone et de progestérone chez les souris jeunes femelles par rapport aux jeunes mâles pourraient être impliqués dans le dimorphisme sexuel observé.Les modifications de la respiration mitochondriale induites par l’ischémie cérébrale sont également différentes entre les mâles et les femelles dans notre modèle. La respiration NADH-dépendante est diminuée dans les deux sexes, mais la respiration FADH2-dépendante est diminuée spécifiquement chez les femelles. Le stress oxydant mitochondrial est augmenté dans les deux sexes. L’administration de progestérone permet de restaurer la respiration FADH2-dépendante chez les femelles et la respiration NADH-dépendante ainsi que le pool de glutathion mitochondrial dans les deux sexes. Ce travail a permis de mettre en évidence des différences de fonctionnement mitochondrial cérébral chez les souris mâles et femelles jeunes et d’identifier la phosphorylation oxydative et le stress oxydant mitochondrial comme cibles d’action des effets neuroprotecteurs de la progestérone lors de l’ischémie cérébrale. / Besides the reproduction control, sex steroids also act on nervous system and exert neuroprotective effects. The mitochondria are centrally involved in cellular energy synthesis and oxidative stress regulation and constitute a potential target of steroids effects on brain. The aim of our study was twofold: (1) to study the influence of endogenous steroids on brain mitochondrial function in physiological conditions ; (2) to determine the effects of progesterone on mitochondrial function when used as therapeutic agent in an experimental model of cerebral ischemia. To analyze the influence of endogenous sex steroids, the oxidative phosphorylation system (oxygen consumption or “respiration” and enzymatic activities) and mitochondrial oxidative stress (glutathione pool and mitochondrial aconitase oxidative inactivation) were analyzed in brain mitochondria of young adult male and female mice (3-month-old), intact and after gonadectomy, and of aged male and female mice (20-month-old). Our results showed that young adult females have lower oxidative stress and a higher NADH-linked respiration rate as compared to young adult males. This sex difference was suppressed by ovariectomy but not by orchidectomy and no longer existed in aged mice. Concomitant analysis of brain steroids suggest that the major male/female differences in brain pregnenolone and progesterone levels may contribute to the sex differences observed in brain mitochondrial function.We have also shown that the decrease of brain mitochondrial respiration induced by ischemia is different according to sex in our experimental model. The NADH-linked respiration decreased after ischemia in males and female but a decrease of FADH2-linked respiration only occurred in females. Ischemia induced oxidative damages in both males and females. Progesterone restored NADH-linked respiration in both sexes and FADH2-linked respiration in females. Progesterone also preserved mitochondrial glutathione pool in both sexes. Our findings point to a sex difference in brain mitochondrial function of young male and female mice and identify the oxidative phosphorylation system and the mitochondrial oxidative stress as targets of the neuroprotective effects of progesterone.

Le diazonamide A, molécule naturelle extraite d’une ascidie marine, présente une activité antitumorale très importante (IC₅₀ < 5 nM) selon un mode d’action tout à fait original. Des études ont en effet prouvé que cette molécule inhibait une enzyme, l’Ornithine-d-aminotransferase, intervenant dans la réplication cellulaire des cellules cancéreuses faisant d’elle un poison du fuseau mitotique très sélectif. Cette molécule présente en son sein un cœur benzofuroindoline qui serait issu, d’un point de vue biogénétique, d’un couplage oxydant entre un noyau indole et un noyau phénol. Afin de développer une méthode générale de synthèse d’analogues simplifiés du diazonamide A, nous avons mis au point une voie d’accès efficace et simple au noyau benzofuroindoline. Ce projet nous a permis de mettre en place une stratégie en 3 étapes à partir d’indoles acétylés et de phénols qui permettent l’obtention de benzofuroindolines. La première étape est une réaction d’hydroarylation sur la double liaison C₂-C₃ de l’indole médiée par le trichlorure de fer. Cette première étape met en avant une réactivité tout à fait inhabituelle du noyau indole en rendant la position 3 de cet hétérocycle, électrophile. Grâce à cette stratégie, nous avons pu obtenir une librairie importante de benzofuroindolines dont certaines présentent une activité biologique encourageante. La seconde partie de ces travaux de thèse ont porté sur une étude plus approfondie de la réaction d’hydroarylation de l’indole. Une étude intensive du champ d’application de cette réaction ont permis de mettre en avant une haute tolérance de groupements fonctionnels. De plus l’étude des nucléophiles aromatiques tels que des polyaromatiques ou des hétérocycles ont permis d’obtenir un grand nombre de 3-arylindolines avec une diversité structurale très importante. Ces travaux ayant porté sur l’umpolung de l’indole, des études mécanistiques ont finalement été menées afin d’expliquer cette réactivité. Des études de marquage isotopique, d’infra-rouge in-situ ainsi que l’établissement d’une relation de Hammett ont permis de proposer un mécanisme réactionnel plausible. / The benzofuroindoline core is a unique motif found in the natural products diazonamide A bipleiophylline and azonazine. From a biosynthetic point of view, we can assume that the benzofuroindoline skeleton arises from the oxidative coupling of an indole and a phenol.The benzofuroindoline motif represents an opportunity for the discovery of new antitumor agents. Diazonamide A is a very potent anticancer agent that has received considerable attention owing to its high antitumor activity (IC₅₀ < 5nm) and its unique mode of action the inhibition of a newly discovered role for the ornithine-δ-aminotransferase. It is suggested that this natural product may have clinical utility for cancer therapy because it is as active in vitro as widely used antimitotic drugs such as taxanes and vinca alkaloids, but does not have their toxicity in normal dividing tissue. Owing to the high potential of diazonamide A and its scarce availability, it is highly desirable to identify simplified benzofuroindoline analogues as promising as the natural product, but more synthetically accessible.We report herein the C3-regioselective hydroarylation of N-acetyl indoles with phenols mediated by FeCl ₃ featuring a rare example of the electrophilic reactivity of the indole core in a Friedel–Crafts reaction. The indole Umpolung, followed by an oxidation step, allows us direct access to the tetracyclic benzofuroindoline motif found in the natural product diazonamide A.Moreover, this activation of N-acetylindoles with iron(III) chloride allows the C-H addition of other aromatic substrates than phenols to the C ₃ =C₂ double bond of the indole nucleus generating a quaternary center at C ₃ and leading regioselectively to 3-arylated indolines. Optimization, scope, practicability (gram scale, air atmosphere, room temperature) and mechanistic insights of this process are presented in this study.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la caractérisation des cellules radiorésistantes des cancers du sein, à l’origine des rechutes après traitement par radiothérapie. La théorie des « Cellules Souches Cancéreuses » (CSC) place une sous-population cellulaire présentant une capacité accrue à induire des tumeurs et à proliférer au centre de la résistance à l’irradiation. Au cours de ce travail, nous avons montré que seul le marqueur de CSC CD24-/low permettait de définir une sous population radiorésistante, capable de transmettre une « mémoire » de l’irradiation se traduisant par une instabilité génétique persistante dans la descendance des cellules irradiées. En outre, nous avons montré que CD24 n’est pas uniquement un marqueur, mais bien un acteur de la réponse à l’irradiation. Ainsi, CD24 contrôle la prolifération cellulaire in vitro et in vivo, ainsi que les niveaux de ROS avant et après irradiation. L’ensemble de ces propriétés aboutit à une sensibilité réduite des cellules CD24-/low à l’irradiation γ, ainsi qu’à une baisse de l’instabilité génétique. Ces résultats permettent pour la première fois d’attribuer un rôle aux CSC CD24-/low dans la transmission de l’instabilité chromosomique. De plus, en apportant des informations pour évaluer la radiorésistance intrinsèque des tumeurs mammaires, le marquage CD24 pourrait contribuer à l’amélioration des protocoles de radiothérapie. / This work focuses on the characterization of radiation-resistant breast cancer cells, responsible for relapse after radiotherapy. The “Cancer Stem Cells” (CSC) theory describes a radiation-resistant cellular sub-population, with enhanced capacity to induce tumors and proliferate. In this work, we show that only the CSC marker CD24-/low defines a radiation resistant cell population, able to transmit the “memory” of irradiation, expressed as long term genomic instability in the progeny of irradiated cells. We show that CD24 is not only a marker, but is an actor of radiation-response. So, CD24 expression controls cell proliferation in vitro and in vivo, and ROS level before and after irradiation. As a result, CD24-/low cells display enhanced radiation-resistance and genomic stability. For the first time, our results attribute a role to CD24-/low CSCs in the transmission of genomic instability. Moreover, by providing informations on tumor intrinsic radiation-sensitivity, CD24- marker could help to design new radiotherapy protocols.

Le sélénium est reconnu comme un micronutriment important pour l'homme et les animaux. Plusieurs études ont montré qu'une supplementation en sélénium dans le régime alimentaire pourrait être bénéfique contre les cancers du foie, du colon, du pancréas et de la prostate. Le mécanisme anti-carcinogène du sélénium se produit au niveau systémique, cellulaire et nucléaire. Ces processus peuvent également impliquer le système immunitaire et ne doivent pas être interprétés par un seul mécanisme. Jusqu'à présent son mécanisme d'action est encore inconnu. L'objectif de cette étude était d'étudier l'effet des composés du sélénium, à faibles concentrations, sur la capacité de réparation de l'ADN dans les cellules du cancer de la prostate LNCaP (p53 compétentes). Ce travail est divisé en trois parties. La première partie du travail a été consacrée à étudier l'effet des deux composés du sélénium (SS et SM) sur les propriétés cytotoxiques et génotoxiques de différents stress oxydatifs et non oxydatifs. Les résultats ont montré qu'un prétraitement avec une faible dose en Se stimulait la synthèse des sélénoprotéines, et protègait contre la toxicité et les dommages oxydatifs à l'ADN induites par les UVA ou H2O2, mais pas par MMS ou UVC. La deuxième partie a été consacrée à l'influence de la supplementation en sélénium sur la capacité de réparation de l'ADN. Notre travail a clairement montré l'augmentation de l'efficacité d'excision de certaines glycosylases que n'est pas nécessairement corrélée à une augmentation de l'expression génique et /ou protéiques. Enfin, la troisième partie de notre travail a été dédiée à l'optimisation de la technique Host Cell Reactivation (HCR) qui nous a permis d'étudier la capacité de réparation de l'ADN in cellulo, afin de cibler les partenaires impliqués dans la voie de signalisation affectées par la supplémentation en sélénium. En conclusion, nous pourront penser que le mécanisme d'action du sélénium est représenté par un délicat équilibre entre l'activation et la répression de l'activité de certaines protéines qui induit des changements conformationnels plus ou moins directement impliqués dans la réparation de l'ADN et la progression de la croissance cellulaire. / Selenium was recognized as an important micronutrient for both humans and animals. Several studies showed that increased selenium in the diet might be beneficial against liver, colon, pancreas and prostate cancer. The anticarcinogenic actions of Se occur at the systemic, cellular and nuclear level. These actions may also involve the immune system and thus cannot be interpreted by a single mechanism. Until now its mechanisms of action are not well understood. The objective of this study was to investigate the effect of selenocompounds at low doses on DNA repair capacity in the p53-proficient LNCaP prostate cancer cells. This work is divided into three parts. The first part of the work was devoted to study the effect of two selenocompounds (SS and SM) on the cytotoxic and genotoxic properties of various oxidative and non oxidative stresses. The results showed that low doses of Se pre-treatment stimulates selenoprotein synthesis, protects against toxicity and oxidative DNA damage induced by UVA or H2O2 but not by MMS or UVC. The second part of our investigation was devoted to the influence of selenium supplementation on DNA repair capacity. Our work clearly showed an increase in excision efficiency of the glycosylases activity that was not necessarily correlated with an increase of gene expression and/or protein levels. Finally, the third part of our work was devoted to the optimization of Host Cell Reactivation assay (HCR) to study the DNA repair capacity in cellulo, in order to target the partners involved in the signalling pathway affected by selenium supplementation. In conclusion, we could image that the mechanism of action of selenium is represented by a delicate balance between activation and repression of protein activity that induces conformational changes of several proteins more or less directly involved in DNA repair and progression of cell growth.

La première partie de ce travail est réalisé dans le but de préparer des produits pouvant jouer un rôle très important de l’imagerie cellulaire des lipopolysaccharides sur la surface des cellules bactériennes, tout en utilisant des méthodes fiables telle que la ‘’chimie click’’. Dans un premier temps, nous avons synthétisé une première génération d’outils fluorescents à base de rhodamine B et fluorescéine modifiée par une fonction oxyde de nitrile. Dans un deuxième temps nous avons cherché les meilleures conditions d’applications de la chimie click 3+2 sans cuivre, entre la fonction oxyde de nitrile et le motif saccharidique complémentaire portant une fonction vinylique. Finalement, nous avons appliquée, avec succès, la méthode click avec cuivre sur plusieurs types de bactéries portant sur leur membrane cellulaire des lipopolysaccharides ayant un motif ‘’Kdo’’ fonctionnalisé par un groupement azoture déjà synthétiser au sein de notre équipe, et une sonde fluorescente porteuse d’une fonction alcyne. Une nouvelle génération d’outils de marquage saccharidique est en cours de finalisation dans le but d’optimiser les conditions finales, tel que le dérivé de ‘’Kdo’’ fonctionnalisé cette fois-ci par des dérivées cycliques, bicycliques et aromatiques porteurs d’une fonction alcyne ou alcène, pour réaliser les derniers essais de marquage in vitro. Le stress oxydant est lié au vieillissement des cellules et à de nombreuses maladies: cardiovasculaire, cancer, diabète, Alzheimer… Il est dû à un déséquilibre entre le système oxydant / antioxydant au niveau des cellules, et se caractérise par la présence principalement de substance radicalaires réactives oxygénées. Dans le but d'identifier le taux de substances réactives oxygénées dans les cellules, le travail dans la deuxième partie de la thèse reposait sur la synthèse multi étape d'une molécule fluorescente dérivée de la coumarine. Le composé ciblé est le peroxyde d'oxygène, connu sous le nom d'eau oxygénée. Possédant un ester vinyl-boronique, notre molécule sera oxydée et réarrangée en aldéhyde conduisant à la condensation intramoléculaire avec le groupement aminé adjacent pour former un cycle indolique, libérant ainsi de la fluorescence. La recherche des conditions optimales de la dernière étape de la voie synthétique sont toujours en cours d’optimisation. Dans le futur, on cherchera les conditions optimales de la dernière étape de la synthèse de la sonde spécifique au peroxyde d’oxygène. Cette molécule est d'une importance remarquable comme sonde du stress oxydant. En réussissant cette étape, on pourra avoir en main une bibliothèque de ‘’KDO’’ fonctionnalisé afin d’avoir des résultats satisfaisants in vivo. / The first part of this work is done in order to prepare products that play a very important role in cellular imaging lipopolisaccharides on the surface of bacterial cells, while using reliable methods such as '' click chemistry ''. Initially, we synthesized the first generation of tools based fluorescent rhodamine B and fluorescein -modified nitrile oxide function. In a second step we sought the best possible applications of click chemistry 3+2 copper free, between the nitrile oxide function and the additional saccharide unit with a vinyl function. Finally, we applied successfully, the click method with copper on several types of bacteria on their cell membrane lipopolysaccharides having a pattern Kdo functionalized azide group already synthesized within our team, and a probe carrying a fluorescent alkyne. A new generation of tools saccharide marking is being finalized in order to optimize the final terms, such as derivative functionalized Kdo this time by cyclic, bicyclic and aromatic derivatives holders of an alkene or alkyne function to perform final testing of in vitro labeling. Oxidative stress is linked to cell aging and many diseases: cardiovascular disease, cancer, diabetes, Alzheimer's ... It is due to an imbalance between oxidant system/antioxidant in cells, and is characterized mainly by the presence of radical substance reactive oxygen. In order to identify the rate of reactive oxygen substances in cells, work in the second part of the thesis based on multi- step synthesis of a fluorescent molecule derived from coumarin. The target compound is oxygen peroxide, known as the name of hydrogen peroxide. Having a vinyl boronic ester, this molecule will be oxidized and rearranged aldehyde leading to intramolecular condensation with the adjacent amino group to form an indolique ring , thereby releasing fluorescence. The search for optimal conditions for the last step of the synthetic pathway is still being optimized. In the future, the optimal conditions for the last step of the synthesis of specific probe oxygen peroxide are sought. This molecule is remarkable importance as a probe of oxidative stress. By passing this step, we will have on hand a library of KDO functionalized to have satisfactory results in vivo.

Un pontage ADN-protéine se forme lorsqu'une protéine se lie de façon covalente à l'ADN, ce qui a pour conséquence de bloquer certains processus biologiques tels que la réplication, la transcription, la réparation ou la recombinaison. Ces travaux de thèse consistent en l'étude des pontages se produisant lors d'une oxydation à un électron de l'ADN. La guanine possède le potentiel d'ionisation le plus bas parmi les composants de l'ADN; elle est donc facilement oxydée pour former un radical cation, lui-même impliqué dans la formation de nombreuses lésions oxydatives. Des travaux antérieurs ont permis de mettre en évidence la formation d'un adduit entre la guanine et la lysine, résultant de l'oxydation à un électron d'un oligonucléotide TGT en présence d'un peptide trilysine. Le mécanisme de cette réaction est une addition nucléophile de l'acide aminé central par le groupement amine ε, en position C8 du radical cation de la guanine. L'objectif de cette thèse a été de caractériser l'adduit guanine-lysine, de le quantifier dans l'ADN isolé puis dans l'ADN cellulaire, et d'étudier son implication dans la formation des pontages ADN-protéines. Différentes espèces nucléophiles sont capables de s'additionner sur le radical cation de la guanine. Nous nous sommes intéressés au cas des polyamines endogènes, qui sont des cations organiques présents en particulier dans le noyau des cellules. Ces molécules interviennent dans la stabilisation et la condensation de l'ADN, mais elles participent également à de nombreux processus cellulaires. Le lien entre polyamines et cancer a été largement décrit. Cependant le mécanisme par lequel la perturbation de leur métabolisme est impliquée dans le processus cancérogenèse reste à ce jour peu connu.Dans un premier temps, ces lésions ont été synthétisées chimiquement, sous la forme de nucléosides modifiés, afin de les caractériser. Par la suite des méthodes de quantification de ces dommages par chromatographie liquide haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem ont été développées. Ces méthodes analytiques nous ont permis de démontrer que les adduits guanine-lysine et guanine-polyamines pouvaient se former dans l'ADN isolé suite à une oxydation à un électron. Des pontages entre guanine et lysine ont été mis en évidence dans l'ADN extrait de cellules THP1 irradiées par impulsions laser à 266 nm. Nous avons ensuite développé différents modèles de pontages entre un peptide et un oligonucléotide, afin d'étudier la structure chimique du pontage, et de déterminer si celui-ci pouvait se produire entre la guanine et la lysine. Des adduits guanine-polyamines ont également été détectés dans de l'ADN extrait de spermatozoïdes. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension du rôle physiologique des polyamines ainsi que de leur implication dans la fertilité masculine. / A DNA-protein crosslink (DPC) occurs when a protein becomes covalently bound to DNA. This kind of lesions seems to affect several metabolic processes, including DNA replication, transcription, repair and recombination. This PhD work deals with crosslinks which are formed through a one-electron oxidation of DNA. Guanine exhibits the lowest ionization potential among DNA components, therefore it is readily oxidized leading to the formation of a radical cation, which is involved in the formation of numerous oxidative DNA lesions. In a previous study, a crosslink between guanine moiety and a lysine residue, generated subsequently to a one electron oxidation of a TGT oligonucleotide in the presence of a trilysine peptide, has been described. The mechanism of formation of this adduct relies on the nucleophylic addition of the ε amino group of lysine onto the C8 position of the guanine radical cation. The aim of the present work was to characterize the guanine-lysine adduct and to quantify this lesion in isolated DNA and then in cellular DNA, and to investigate their implication in DNA-protein crosslinks. Several nucleophylic species are able to react with the guanine radical cation. We focused on polyamines, which are organic cations localized in the nucleus of cells at millimolar concentration ranges. These molecules are involved in stabilization and condensation of DNA, and participate also in numerous cellular processes. The relation between polyamine and cancer has been widely described. The mechanism by which dysregulation in their metabolism is related to carcinogenesis is still unknown.In the first part of this project, we focused on the synthesis and the characterization of these lesions as modified nucleosides. Subsequently, we have developed and optimized methods of quantification of these damages, using HPLC coupled with tandem mass spectrometry. Thanks to these analytical methods, we have demonstrated that guanine-lysine and guanine-polyamines adducts could be formed in isolated DNA following a one electron oxidation. Crosslinks between guanine and lysine have been highlighted in DNA extracted from THP1 cells exposed to laser pulses at 266 nm. We have then developed several crosslinks models between a peptide and an oligonucleotide, in order to investigate the chemical structure of the crosslink and determine whether it could occur between guanine and lysine. Guanine-polyamines adducts have also been detected in DNA extracted from sperm cells. These results open new prospects in the understanding of the physiological role of polyamines as well as their involvement in male fertility.

SoxR est un régulateur transcriptionnel à centre [2Fe-2S] qui induit une réponse adaptative permettant à E. coli de résister aux composés redox actifs, générateurs de stress superoxyde. En présence de composés redox actifs, le centre [2Fe-2S] de SoxR est oxydé ce qui lui permet d’activer l’expression du gène soxS codant pour un régulateur transcriptionnel activant l’expression d’une centaine de gènes. Parmi les gènes du régulon SoxRS on trouve ceux permettant de résister au superoxyde mais aussi aux antibiotiques. J’ai montré qu’en présence de phénazine méthosulfate (PMS), un composé redox actif, la machinerie de biogénèse des centres Fe-S utilisée pour la maturation de SoxR est différente suivant les conditions environnementales. En effet, en aérobie la maturation de SoxR est assurée par la machinerie SUF, alors qu’en anaérobie c’est la machinerie ISC qui intervient. J’ai également étudié l’importance de SoxR, et des machineries ISC et SUF, dans la résistance aux antibiotiques induite par la présence de PMS. J’ai montré qu’en présence de PMS, E. coli peut résister à la norfloxacine, par un mécanisme SoxR dépendent, et ceci quelque soit la machinerie de biogénèse des centres FeS présente. D’autre part, j’ai étudié l’impact des conditions environnementales, comme la teneur en CO2 dans l’atmosphère sur la capacité d’ E. coli à résister au stress oxydant. J’ai testé, expérimentalement les prédictions obtenues par un modèle d’équations différentielles permettant de simuler la concentration des ROS dans la cellule. J’ai montré que le CO2 a un effet de protection lors d’un stress au H2O2 probablement en capturant les HO• produits par la réaction de Fenton. / SoxR is a [2Fe-2S] cluster-containing transcriptional regulator that mounts the adaptive response allowing E. coli to tolerate superoxide-propagating compounds. When cells are exposed to redox cycling drugs the Fe-S cluster of SoxR undergoes a reversible univalent oxidation to yield the oxidized active protein. The only known target of SoxR is the soxS gene that is itself a transcriptional regulator activating the expression of more than 100 genes including those for superoxide and antibiotic resistance. I showed that the machinery used to mature SoxR under phenazine methosulfate (PMS) exposition, a redox cycling drug, was different depending on the environmental conditions used. In aerobiosis, the SUF machinery ensured SoxR maturation, while in anaerobiosis the ISC machinery was required. I also monitored the implication of SoxR, the ISC and SUF machineries, in antibiotic resistance induced by PMS exposition. I showed that E. coli can resist to norfloxacin under PMS exposition in a SoxR-dependent manner whatever the Fe-S cluster biogenesis machinery available. Last, I studied the impact of environmental conditions, such as atmospheric CO2 concentration, on the ability of E. coli to cope with oxidative stress. I have experimentally tested the predictions obtained by a mathematical model that simulates ROS dynamics. I showed that carbon dioxide has a protective effect on hydrogen peroxide stress likely by scavenging the radical hydroxyl produced by the Fenton reaction.

Le développement d'organismes photosynthétiques (piégeant le C02 en préservant l'eau douce et les terres cultivables sans ajout d'engrais) capables d'utiliser l'énergie solaire pour produire du dihydrogène (H2) passe par une meilleure compréhension du rôle de l'hydrogénase dans le métabolisme cyanobactérien. Le Laboratoire de Biologie et Biotechnologie des Cyanobatéries où j'ai travaillé durant ma thèse utilise une approche de "Biologie Intégrative" pour analyser le métabolisme qui conduit à la photo-production d’H2 chez la cyanobactérie modèle Synechocystis sp. PCC6803. Mon travail s'est focalisé sur l’analyse des réseaux de régulation amenant à la production d'H2 par l’hydrogénase bidirectionnelle à centre Ni-Fe (composée de 5 sous-unités) codée par l’opéron hox. Lorsque j’ai débuté ce travail, 2 activateurs de l’opéron hox avaient été identifiés: AbrB1 et LexA. Un article dont je suis co-premier auteur est paru (Dutheil et al. 2012 J Bact.), il décrit l'identification par l'utilisation de diverses approches d'un nouveau facteur de transcription de l'opéron hox: AbrB2 (homologue d'AbrB1). J'ai ainsi montré que l'expression de l’opéron hox était régulée négativement par AbrB2 en utilisant des fusions transcriptionnelles au gène rapporteur cat (introduites dans la souche sauvage ou dépourvues d'AbrB2) ainsi que des expériences de qRT-PCR. Par la technique de retard sur gel, nous avons confirmé une interaction directe entre AbrB2 et la région promotrice de l’opéron hox. En collaboration avec deux laboratoires du CEA, nous avons montré qu'un mutant dépourvu d’AbrB2 possède une activité hydrogénase augmentée, confirmant ainsi qu'AbrB2 est un régulateur négatif de la production d'H2.Dans un deuxième temps et en collaboration avec deux post-doc du laboratoire, nous avons mis en évidence le rôle de la cystéine unique d'AbrB2 dans le contrôle redox de son activité de régulation transcriptionnelle.Par la technique du retard sur gel,j’ai montré que cette cystéine n’est pas cruciale pour la fixation d'AbrB2 sur le promoteur hox, mais que par contre, la modification redox de celle-ci l’affecte de manière drastique. Dans le cadre de collaborations, nous avons identifié la modification post-traductionnelle qui peut avoir lieu sur la cysteine d'AbrB2 et il s’agit de la première fois, qu’un tel mécanisme de régulation est identifié pour cette famille de régulateur et chez les cyanobactéries. J’ai construit une souche portant l'allèle muté abrB2 Cys>Ser sur le chromosome et exprimé par le promoteur sauvage d’abrB2. J’ai montré grâce à cette construction et en utilisant diverses techniques (activité hydrogénase, qRT-PCR, Western blot et transcriptome) que la cystéine d'AbrB2 joue un rôle dans son activité de régulation qui est 60% moins bonne sur les 529 gènes cibles (directes ou indirectes) du régulateur muté. L’effet est également visible sur l’activité hydrogénase. Ce résultat a été complété par des tests de surexpression thermoinduite d’AbrB2 qui montrent que la mutation C34S affecte la stabilité de la protéine qui ne s’accumule pas autant que la sauvage dans les même conditions et dont la surexpression est létale. Un manuscrit dont je suis copremier auteur et décrivant ces résultats est en cours de finalisation et sera prochainement soumis à l’Intern. Journ. of Hydrogen Energy.L’ensemble de ces travaux permet de mieux comprendre les mécanismes biologiques liés à l’expression de l’hydrogénase bidirectionnelle et vont dans le sens d’un rôle important de celle-ci dans la détoxification des stress redox. La détermination des relations entre les différents régulateurs de l’hydrogénase et les possibles modifications post-traductionnelles de chacun de ces facteurs que j’ai mises en évidence traduisent une enzyme à la régulation complexe. Ces nouvelles connaissances permettent d’éclairer sous un angle nouveau la photoproduction d’H2 par les cyanobactéries et permettront peut-être d’élaborer des stratégies de production d’H2 efficace. / Developing photosynthetic organism (trapping CO2 while preserving fresh water and arable soils without adding fertilizers) able to use Sun light to produce dihydrogen (H2) is depending on a better understanding of the role of hydrogenase in the cyanobacterial metabolism. The Laboratoire de Biologie et Biotechnologie des Cyanobactéries (LBBC) where I worked during my thesis uses « Integrative Biology » approach to analyze the metabolism leading to H2 photoproduction by the model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC6803. My work focused on analyzing the regulation network leading to H2 production by the bidirectionnal hydrogenase with Ni-Fe cluster (composed of 5 subunits) encoded by hox operon. When I started this work, two transcriptionnal activators were identified : AbrB1 and LexA. An article, of which I’m sharing first author position, is published (Dutheil et al. 2012 J Bact.), it describes the identification by different approachs of a new transcriptionnal factor of hox operon : AbrB2 (homologous to AbrB1). I showed that hox expression is negatively regulated by AbrB2 by using transcriptionnal fusion to cat reporter gene (introduced in the wild type background or the AbrB2-deleted one) and qRT-PCR experiments. By the electrophoretic mobility shift assay (EMSA) method, we confirmed a direct interaction between AbrB2 and the promoter region of hox operon. Collaborating with two CEA laboratories, we showed that a mutant lacking AbrB2 harbours an increased hydrogenase activity, validating that AbrB2 is a negative regulator of H2 production.In a second time of my thesis and colaborating with two post-doc of the laboratory, we evidenced the role of the unique cysteine of AbrB2 in redox-controlling the transcriptionnal regulator activity of the protein.Using the EMSA method, I showed that the cysteine is not crucial for AbrB2 fixing on hox promoter, but also that the redox modification occuring on this residue inhibits this same binding activity. Collaborating with other labs, we identified the post-translational modifications that may occur on AbrB2 cysteine and it is the first time that such a regulating mechanism is identified for this family of regulators and in cyanobacteria. I constructed a strand harbouring the abrB2C34S mutant allele on the chromosome and expressed by the abrB2 natural promoter. I showed with this construction and using diverse methods (hydrogenase activity, qRT-PCR, Western blot and transcriptome) that AbrB2 cysteine plays a role in its regulating activity : regulating activity is 60% less efficient towards the 529 target genes (either direct and indirect) of the mutated regulator. The effect is also seen on hydrogenase activity and hox genes. This result was completed by thermoinduced overexpression assays that show that C34S mutation of AbrB2 alters protein stability : the mutated protein accumulates less than wild type allele in the same conditions, which is lethal. A manuscript, of which I’m sharing first author position, and describing those results is being finalised and will be submitted soon to the IJHE (International Journal of Hydrogen Energy).Altogether, my results allow a better understanding of the biological mechanisms linked to bidirectionnal hydrogenase expression and agree with a possible role for hydrogenase in detoxifying redox stresses. The determination of the relationships between the different regulators of hydrogenase, and their possible post-translational modifications that I revealed, highlight an enzyme with complex regulation. This new knowledge brings an original outlook on hydrogen photoproduction by cyanobacteria and shall allow elaboration of efficient H2 production strategies.

Le premier objectif de cette thèse était de déterminer les effets isolés et combinés de l'alpha thalassémie, des polymorphismes inducteurs (QTLs) de l'HbF et du génotype G6PD dans un contexte d'évolution naturelle de la drépanocytose (Etudes 1 et 2). L'étude 1 a permis d'évaluer pour la première fois les fréquences alléliques de ces gènes modificateurs chez 301 enfants sénégalais SS. Contrairement aux autres populations africaines, le Variant Betica de la G6PD était majoritaire par rapport au variant A(-). De plus, 12% de notre cohorte avait un déficit en G6PD combiné à une absence d'alpha-thalassémie. Ces patients-là seront à privilégier pour la réalisation d'un Doppler transcrânien. Les résultats obtenus dans l'étude 2 nous ont permis de conclure que l'alpha-thalassémie et les QTLs de l'HbF sont interdépendants et ne doivent pas être étudiés séparément pour une prédiction clinique précise. En effet, une combinaison d'alpha-thalassémie avec au moins 2 QTLs de l'HbF est nécessaire pour retarder de manière significative la première complication de la maladie. Cependant, une alpha-thalassémie homozygote, même associée à 3 à 6 QTLs de l'HbF, augmente la fréquence des CVO pendant l'enfance. Par conséquent, une alpha-thalassémie hétérozygote avec au moins deux QTL HbF constituerait le génotype le plus favorable relativement à la survenue des CVO. Le deuxième objectif de cette thèse était d'étudier les interrelations entre le stress oxydant (phénotype et génotype) et la sévérité clinique de la maladie (Etudes 3 à 4). La drépanocytose est caractérisée par un stress oxydatif élevé pouvant expliquer une partie des manifestations cliniques. Nos résultats ont montré que l'alpha-thalassémie homozygote semble diminuer le stress oxydatif, ce qui contribuerait à son effet protecteur sur certaines complications du sous-phénotype hémolytique. En outre, les patients qui ont le moins d'hospitalisations et de CVO semblent présenter une meilleure défense antioxydante (activités catalase et GPx augmentées). Dans l'étude 4 nous avons étudié 4 SNPs de gènes du stress oxydant (rs4880 du gène SOD2, rs207454 du gène XO, rs233322 du gène MPO et rs35652124 du gène NFE2L2). Le SNP rs4880 aurait un effet favorable au niveau biologique (réticulocytose moindre, activité GPx augmentée) mais sans traduction clinique associée. Il en est de même pour rs233322 qui serait associé à une hémolyse et à un stress oxydatif (AOPP) plus importants. En revanche, une tendance à un effet protecteur de rs207454 vis-à-vis de certaines complications (hospitalisations, ostéonécrose, sepsis, STA) a été observée. Notre travail contribue à la compréhension de l'impact des gènes modificateurs dans la drépanocytose. Il pourrait donc permettre, via une sélection positive des patients à risque, d'améliorer la prise en charge de la maladie dans les pays où les traitements de fond (hydroxyurée, doppler transcrânien, échanges transfusionnels) ne peuvent être proposés à tous / The primary objective of this thesis was to determine the isolated and combined effects of alpha-thalassemia, inductors polymorphisms (QTLs) of HbF and genotype G6PD in a context of natural progression of sickle cell disease (Studies 1 and 2). Study 1 was undertaken to evaluate for the first time the allelic frequencies of these modifiers genes in 301 Senegalese SS children. Unlike other African populations, the G6PD Betica Variant was predominant over the A (-) variant. In addition, 12% of our cohort had G6PD deficiency combined with no alpha-thalassemia. These patients will be favoured for the realization of a transcranial doppler. The results obtained in Study 2 allowed us to conclude that alpha thalassemia and QTLs of HbF are interdependent and should not be studied separately for accurate clinical prediction. Indeed, a combination of alpha thalassemia with at least 2 QTLs of HbF is required to significantly delay the first complication of the disease. However, a homozygous alpha thalassemia, even associated with 3 to 6 QTLs of HbF, increases the frequency of CVOs during childhood. Therefore, a heterozygous alpha-thalassemia with at least two QTL HbFs would be the most favourable genotype for the occurrence of CVOs. The second objective of this thesis was to study the interrelationships between oxidative stress and the clinical severity of the disease (Studies 3 to 4). Sickle cell disease is characterized by high oxidative stress that may explain some of the clinical manifestations. Our results showed that homozygous alpha-thalassemia appears to reduce oxidative stress, which would contribute to its protective effect on certain complications of the hemolytic sub-phenotype. In addition, patients with the least hospitalization and CVO appear to have better antioxidant defense (catalase and GPx activities increased). In Study 4 we studied 4 SNPs of oxidative stress genes (rs4880 of the SOD2 gene, rs207454 of the XO gene, rs233322 of the MPO gene and rs35652124 of the NFE2L2 gene). The rs4880 SNP would have a favourable effect on the biological level (less reticulocytosis, increased GPx activity) but without associated clinical translation. The same is true for rs233322, which is associated with greater haemolysis and oxidative stress (AOPP). On the other hand, a tendency to a protective effect of rs207454 for some complications (hospitalizations, osteonecrosis, sepsis, STA) was observed. Our work contributes to the understanding of the impact of modifiers genes in sickle cell disease. It could therefore, through a positive selection of at-risk patients, improve the management of the disease in countries where the basic treatments (hydroxyurea, transcranial doppler, blood transfusion) cannot be offered to all