Scrapie und die Bovine Spongiforme Enzephalopathie (BSE) sind stets tödlich verlaufende transmissible spongiforme Enzephalopathien (TSE) bei kleinen Wiederkäuern und Rindern. Nach der „Prion-Theorie“ ist die pathologische Isoform eines zellulären Proteins, des Prion-Proteins, der Hauptbestandteil, wenn nicht sogar die einzige Komponente der TSE-Erreger. Gemäß dieser Theorie lagert sich die pathologische Isoform, PrPSc, an die zelluläre Form, PrPC, an und führt so zu einer Konformationsänderung von PrPC. Bisher lassen sich TSE-Erreger nur im Tierversuch sowie in wenigen überwiegend von Nagetieren stammenden Zelllinien vermehren. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war deshalb die Identifikation und Charakterisierung neuer TSE-empfänglicher Zelllinien, wobei vor allem die Infektion oviner und boviner Zelllinien mit Scrapie- bzw. BSE-Feldisolaten im Vordergrund stand. Hierzu wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher Kultur- und Infektionsbedingungen (Nährmedien, Umsetzraten, Temperatur, Herstellung der Inokulate, Inokulationsprotokoll) auf den Infektionserfolg studiert. Basierend auf den dabei gewonnenen Daten wurde ein Infektionsprotokoll erstellt, das im weiteren Verlauf für alle in dieser Studie untersuchten Zelllinien verwendet wurde. Durch die Zellbank des Friedrich-Loeffler-Instituts stand eine Vielzahl unterschiedlicher eukaryotischer Zelllinien zur Verfügung, von denen 53 aus geeigneten Organen und Geweben und größtenteils vom Wiederkäuer stammende Zelllinien ausgewählt wurden. Anschließend wurden diese Zelllinien kultiviert und wiederholt hinsichtlich ihrer PrPC-Expression analysiert. Dabei zeigte sich, dass das PrPC-Expressionniveau für jede Zelllinie sehr individuell und weder spezies- noch gewebespezifisch ist. 34 der 53 Zelllinien exprimierten PrPC in detektierbarer Menge und wurden in den weiteren Infektionsstudien verwendet. Dabei wurden sie mit verschiedenen TSE-Stämmen bzw. -Isolaten (bovines BSE-Material, ovines und caprines Scrapie-Material, mausadaptierte BSE- und Scrapie-Stämme) inokuliert. Der Großteil dieser Zelllinien (30 von 34) zeigte sich gegen alle eingesetzten Prion-Erreger resistent. Zwei Zelllinien konnten transient für 10 (MGbov900) bzw. 32 (Bov11) Passagen mit bovinem BSE-Material infiziert werden. Damit war die prinzipielle Möglichkeit einer BSE-Infektion dieser Zellen gezeigt. Aus bisher ungeklärten Gründen wurde die Prion-Infektion jedoch von beiden Zelllinien wieder verloren und erneute Infektionsversuche blieben erfolglos. Zwei weitere Zelllinien konnten persistent infiziert werden. Die Zelllinie N2a229, eine Sublinie der in der Prion-Forschung weit verbreiteten Neuroblastomzelllinie N2a, war für den mauspassagierten Scrapie-Stamm RML empfänglich. Des Weiteren wurde eine bovine Zelllinie (Bov5; 154PES) identifiziert, die für zwei ovine Scrapie-Feldisolate empfänglich war. Es handelt sich dabei um die erste nicht transgene Zelllinie, die mit einem Scrapie-Feldisolat infiziert werden konnte. Die beiden verwendeten Isolate (S71/04 und S95/04) stammten von Schafen aus einem klassischen Scrapie-Ausbruch aus dem Jahr 2004. In den infizierten Bov5Sc-Zellen steigerte sich die initial schwache PrPSc-Akkumulation über mehrere Passagen zu einem starken Signal, das durch verschiedene Prion-spezifische Antikörper im Dot-Blot, im Western-Blot und mit dem „Zell-ELISA“ nachgewiesen werden konnte. Die Infektion ist bereits seit über 200 Passagen stabil. Sie war mit den besagten Scrapie-Isolaten mehrfach wiederholbar und durch die Selektion von infizierten Einzelzellen konnten hochpositive Sublinien erhalten werden. Infizierte Bov5Sc-Zellen führten nach Inokulation in transgene Rinder- oder Schaf-PrPC überexprimierende Mäuse zu Scrapie-Erkrankungen und der Bildung von PrPSc im Gehirn der Mäuse. Die Infektion von Rinderzellen mit einem ovinen TSE-Isolat bedeutete die Überwindung einer Speziesbarriere. In weiteren Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Adaptation des Erregers an die Zellen stattgefunden hatte, welche sich z. B. in einem veränderten Glykosylierungs-profil darstellt. Verglichen mit zwei murinen TSE-infizierten Zelllinien zeigten die Bov5Sc-Zellen ähnliche Eigenschaften hinsichtlich ihrer Proteinase K-Resistenz, aber eine deutlich verlängerte Reaktionszeit gegenüber PrPSc inhibierenden Substanzen. Neben den Infektionsstudien an den „Zellbank-Zelllinien“ wurden transgene Zelllinien hergestellt, die auf der Basis von RK13-Zellen (Nierenzellen aus dem Kaninchen) und Hpl3-4-Zellen (neuronale Zelle aus PrP-defizienten-Mäusen) das PrPC von Maus, Schaf, Nerz, Hund sowie zwei chimären Konstrukten aus Maus/Rind/Maus bzw. Maus/Schaf/Maus exprimierten. Ein Großteil dieser transgenen Zelllinien war gegenüber einer Infektion und insbesondere einer Infektion mit TSE-Feldisolaten resistent. Durch Infektionsstudien mit dem mausadaptierten murinen Scrapie-Stamm RML konnten jedoch interessante Einblicke in die Hintergründe der zellulären TSE-Empfänglichkeit gewonnen werden. So zeigte sich, dass die Expression eines chimären PrP-Konstruktes aus Maus und Schaf (Mushp) nur in RK13-Zellen, nicht aber in Hpl3-4-Zellen zu einer für den Scrapie-Stamm RML empfänglichen Zelllinie führte. Dagegen konnten murines PrPC exprimierende Hpl3-4-Zellen erfolgreich mit RML, nicht aber mit dem Stamm Me7 infiziert werden. Diese Versuche unterstützen die Annahme, dass für eine Zellinfektion weitere zelluläre Komponenten eine Rolle spielen und zeigen, dass nur die richtige Kombination aus exprimiertem PrPC und zellulärem Hintergrund die Empfänglichkeit einer Zelllinie für einen speziellen TSE-Erreger bestimmen kann. Weitere Studien mit empfänglichen bzw. infizierten bovinen Zelllinien werden zu einem besseren Verständnis der zellulären Pathogenese bei BSE und Scrapie führen, woraus sich möglicherweise auch ein therapeutischer und diagnostischer Nutzen ziehen lässt.

京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(医科学) / 乙第13482号 / 論医科博第8号 / 新制||医科||9(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 岩田 想, 教授 秋山 芳展, 教授 近藤 玄 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les protéines de type prion, contenant des Séquences en acides aminés de Faible Complexité (SFC), ont tendance à s’agréger et à former des compartiments non-membranaires dans la cellule. Ces derniers ont des propriétés physiques communes à celles des liquides, telles que la capacité de mouiller les surfaces, de s’écouler et de fusionner avec d’autres corps liquides. Dans cette étude, nous avons démontré que la protéine Hrp1 forme, in vitro, des gouttes de différentes tailles via une transition de phase liquide à liquide, et ce, uniquement lorsqu’elle est exposée à un milieu chargé négativement. Exclusivement dans ce même milieu, nous avons aussi observé que le domaine SFC de Hrp1 s’assemble et forme une matière de type gel. Sur la base de ces observations, nous avons émis l’hypothèse que la tendance des systèmes moléculaires à former des compartiments liquides in vivo peut être influencée par la présence, dans le cytosol, de polyélectrolytes chargés négativement tels que l'ADN, l'ARN et les polyphosphates (PolyP). En utilisant la levure comme modèle cellulaire et des techniques de microscopie à fluorescence, nous nous sommes focalisés sur l’étude du rôle des PolyP dans l'assemblage des P-bodies. Les P-bodies ont été choisis comme système moléculaire de référence in vivo, étant des corps qui, après une transition de phase, se trouvent dans le cytosol sous forme de gouttes. Nous avons démontré que la déplétion du phosphate et la délétion du gène vtc4, responsable de la synthèse des PolyP dans la levure, n’ont pas d’influence dans la formation des P-bodies. Nous avons aussi remarqué que les PolyP et la protéine Edc3, une des composantes principales des P-bodies, ne sont pas co-localisés dans la cellule. Cette étude préliminaire nous suggère un manque de corrélation entre la formation des P-bodies et la présence de PolyP dans la cellule. Cependant, pour confirmer nos observations, des expériences complémentaires doivent être envisagées, en considérant d’autres composantes des P-bodies, tel que Lsm4, ou en analysant, in vivo, les effets des PolyP sur d’autres systèmes moléculaires de nature liquide. / Prion-like proteins containing Low Complexity Sequences (LCSs) have the propensity to aggregate and form membrane-less compartments in the cell. These proteins form droplets that have liquid features such as wetting, dripping and fusion. In this study, we demonstrated that the prion domain-containing protein Hrp1 forms droplets of different sizes in the presence of negatively charged polymers via liquid-liquid phase separation, whereas under the same conditions, the prion-like domain PolyQ/N of Hrp1 forms a gel-like material. Based on these findings, we hypothesize that droplets in vivo could be modulated by negatively charged polyelectrolytes found in the cell such as DNA, RNA and polyphosphate (PolyP). My goal was to examine the role of the polyanionic nature of PolyP on the assembly of P-bodies using Saccharomyces cerevisiae as a cellular model and fluorescence microscopy. We chose to study processing (P)- bodies, based on previous findings that these cellular subcompartments are formed by liquid-liquid phase separation of component proteins in the cytoplasm. We found that depleting phosphate from the media and deleting vtc4 gene, which is responsible for PolyP synthesis, did not have any effect on P-body formation. In addition, we demonstrated that PolyP and the protein Edc3, a core component of P-bodies, do not colocalize. Our data suggest that PolyP does not affect P-body formation. However, further and complementary studies have to be performed to confirm that PolyP have no effects on other membrane-less organelles.

No description available.

Le projet de ma thèse a consisté en la mise au point de biomatériaux capables d'agir en tant que capteurs moléculaires pour la construction de biocapteurs d'affinité tels que des immunocapteurs, aptacapteurs et capteurs d'ADN, basés sur la lecture électrochimique. Les biocapteurs électrochimiques deviennent une technique intéressante pour l'identification des biomolécules en raison de possibilités de miniaturisation, de faible coût et de la lecture directe des signaux électriques. Toutefois, le choix d'un transducteur, qui permet d'obtenir un signal électrochimique, est crucial dans la construction du biocapteur. Au cours de ma thèse, j'ai eu l'occasion de comparer l'efficacité de différents matériaux conductrices tels que les conducteurs polymères (polypyrrole), les nanotubes de carbone et des nanoparticules d'or. Pour obtenir une réponse électrochimique intense, j'ai associé ces plateformes avec un marqueur redox-ferrocène. Les biocapteurs ont été basés sur la détection directe, généralement avec un «signal off» (diminution de la réponse électrochimique lors de la détection). J'ai travaillé sur différents types de reconnaissance biologique comme anticorps/antigène, aptamer/protéine, sonde ADN/ADN cible. Ces biocapteurs sont particulièrement intéressants dans le domaine de la biologie et de la santé publique. Au début je me suis intéressée à la nouvelle protéine impliquée dans le virus de la grippe et démontrée son évolution dans le cycle viral avec l'objectif de développer de nouveaux médicaments pour cette maladie ainsi que de nouveaux outils de détection. J'ai construit ces biocapteurs basés sur polymère conductrice-polypyrrole associé avec le marqueur redox, ferrocène pour l'immobilisation des anticorps spécifique pour les protéines impliquées dans le virus de la grippe. De nouveaux biorécepteurs - aptamères et des techniques électrochimiques ont été ensuite développés pour concevoir un système sensible capable de détecter la protéine prion cellulaire au niveau pM dans les échantillons de plasma humaine. Les aptamères sont associés sur la plateforme composée de nanotubes de carbone, conjuguées avec des dendrimères poly(amidoamine) PAMAM. Les composites combinent les performances électriques de nanotubes mais permet simultanément l'attachement de nombreux biomolécules, en raison des nombreux groupes amines portant par des dendrimères. Puis j'étais aussi intéressé par la détection de l'ADN par le développement de biocapteurs à base de nanotubes de carbone pour deux maladies infectieuses telles que l'hépatite C avec des cibles d'ADN synthétiques et l'ADN de M. tuberculosis provenant d'échantillons PCR. Ces exemples ont été utilisés pour démontrer que le capteur d'ADN pourrait être généralisé à toutes les maladies infectieuses et utilisé dans le système «point of care». Des études précédentes ont consisté dans le dépôt de nanotubes de carbone sur la surface par adsorption et j'ai trouvé que c'était problématique en termes de reproductibilité. Alors, j'ai utilisé polypyrrole comme une matrice pour l'association des nanotubes de carbone. Cette méthode semble être la plus efficace et a permis de combiner les propriétés des nanotubes avec celles de polypyrrole conducteurs. Au cours de ma thèse, j'ai démontré que les capteurs électrochimiques d'affinité à base de polymères conducteurs et les nanomatériaux peuvent être appliqués dans différents domaines concernant les problèmes de santé. Ces biocapteurs sont prêts pour être intégrés dans les microsystèmes ainsi que dans les systèmes «point of care». / The project of my thesis consisted on the development of biomaterials that are able to act as molecular transducers for the construction of affinity biosensors such as immunosensors, aptasensors and DNA sensors, based on electrochemical reading. Electrochemical biosensors become an attractive technique for the identification of biomolecules due to miniaturization possibilities, low cost and direct lecture of electric signals. However the choice of a transducer, which allows obtaining electrochemical signal, is crucial in biosensor construction. During my thesis I had the opportunity to compare the efficacy of different conducting materials such as conducting polymers (polypyrrole), carbon nanotubes. To obtain an intense electrochemical response, I associated these platforms with a redox marker – ferrocene. The biosensors which I constructed were based on direct detection, usually with “signal off” (decrease in electrochemical response during detection). I worked on different types of biological recognition such as antibody/antigen, aptamer/protein, DNA probe/DNA target. These biosensors are especially attractive in the biological field and public health. First, I was interested in the new protein involved in Influenza virus and demonstrated its evolution in viral cycle with the objective to develop new drugs for this disease as well as new tools for detection. I constructed biosensors based on conducting polypyrrole which was studied extensively in our group. I used this polypyrrole matrix associated with redox marker, ferrocene for immobilization of antibody specific for protein involved in Influenza virus. By this approach I demonstrate that electrochemical biosensors can become effective tools in the daily laboratory work, especially useful for biologists who are often limited by commercially available methods. Then new bioreceptors - aptamers and electrochemical techniques have been developed to design a sensitive system able to detect cellular prion protein at pM level in plasma samples. Aptamers were associated on the platform composed of polypyrrole or carbon nanotubes conjugated with dendrimers poly(amidoamine) PAMAM. Composite combines the high electrical performance of transducers but simultaneously allows attachment of high number of biomolecules, due to numerous amine groups bearing by dendrimers. I was also interested in DNA detection and in the development of biosensors based on carbon nanotubes for two infectious diseases like hepatitis C with synthetic DNA targets and M. tuberculosis DNA from PCR samples. Such examples were used to demonstrate that DNA sensor could be generalised to all infectious diseases and used in point-of-care system. My previous studies consisted on the deposition of carbon nanotubes on the surface by adsorption and I found that it was problematic in terms of reproducibility, so important in biosensor construction. I used polypyrrole as a matrix for carbon nanotubes association. This method seems to be effective and allowed combination of nanotubes properties with those of conducting polypyrrole. During my thesis I demonstrated that electrochemical affinity sensors based on conducting polymers and nanomaterials can be applied in different fields concerning health problems. These biosensors are ready for integration in microsystems for application as analytical tools as well as in point-of-care systems.

Abstract: Neurodegenerative diseases are associated with progressive loss of structure or function of neurons which results in cell death. Recent evidence indicate that all neurodegenerative disorders, sporadic or transmissible, may have a common pathological mechanism at the molecular level. This common feature consists of protein aggregation and accumulation of harmful aggregates in neuronal cells resulting in cellular apoptosis and neurotoxicity. Neurodegenerative diseases can affect abstract thinking, skilled movements, emotional feelings, cognition, memory and other abilities. This diverse group of diseases includes Alzheimer's disease (AD), Parkinson's disease (PD), Huntington's disease (HD), prion diseases or transmissible spongiform encephalopathies (TSEs) and amyotrophic lateral sclerosis. In my project I worked on the molecular mechanism of protein aggregation, propagation and neurotoxicity in Parkinson's disease and prion disease. Prion disease and PD are associated with misfolding and aggregation of PrPc and a-Synuclein (a-Syn), respectively. Despite being two important neurodegenerative disorders, molecular mechanisms of a-Syn or PrPC aggregation and amyloidogenesis are still unclear in PD and prion disease. Furthermore, the toxic protein species in PD have not been characterized yet. In this study we characterize the mechanism of a-Syn and PrPc misfolding in a physiological-like cell free condition in the absence of a-Syn aggregates, PrPc ggregated isoform (Pre's), denaturants or acidic environment. A number of studies indicate that dimerization of PrPc or a-Syn may be a key step in the aggregation process. To test this hypothesis we verified if enforced dimerization of PrPc or a-Syn may induce a conformational change reminiscent of the conversion of PrPc or a-Syn to PrPR' or a-Syn aggregates, respectively. We used a well-described inducible dimerization strategy where a dimerizing domain called FK506-binding protein (Fv) was fused to PrPc or a-Syn in order to produce chimeric proteins Fv-PrP and a-SynF'''. A divalent ligand AP20187 was used to induce protein dimerization. Addition of AP20187 to recombinant Fv-PrP in physiological-like conditions resulted in a rapid conformational change characterized by an increase in beta-sheet (13-Sheet) structure and simultaneous aggregation of the proteins. However, non-dimerized PrP formed 13-Sheet conformation in very slower rates. In the presence of AP20187, we also report a rapid random coil into 13-sheet conformational transformation of a-SynF" within 24 h, whereas wild type a-Syn showed 24 h delay to achieve P-sheet structure after 48 h. Electron microscopy experiments demonstrated that dimerization induced amyloid fibril formation after 48 h for both Fv-PrP and a-Syr?", whereas in the absence of dimerizing ligand AP20187, PrP or a-Syn converted into amyloid fibrils after 3 days or even later. Dimerization-induced Fv-PrP aggregates were partially resistant to PK digestion which is a characteristics of the naturally occurring PrPR'. The rates of amyloidogenesis in the presence of dimerization was also characterized by Thioflavin T (ThT) fluorescence probing. Whereas the stable structure of Fv-PrP showed no ThT binding for over 60 h of incubation at 37°C, the addition of AP20187 to Fv-PrP resulted in a time-dependent increase in ThT binding. As for a-SynR, dimerization accelerated the rate of ThT binding and amyloid formation comparing to the slower amyloidogenesis rate of wild type a-Syn in the absence of dimerizer AP20187. The impact of dimerization on a-Syn aggregation was further determined by Fluorescence ANS probing, indicating a higher affinity of dimerization-induced a-SynF" aggregates for binding to ANS comparing to wild type a-Syn aggregates. These results indicate that dimerization increases the aggregation and amyloidogenesis processes for Fv-PrP and a-SynF". Both Fv-PrP and a-SynF" amyloids were successfully propagated in vitro by protein misfolding amplification (PMCA) cycle. These results ar in agreement with the theory that all protein aggregates in neurodegenerative diseases propagate with the same molecular mechanism. Neurotoxicity of recombinant Fv-PrP and a-SynF" aggregates was determined in cellulo and in vivo, respectively. Aggregates of Fv-PrP were toxic to cultured cells whilst soluble Fv-PrP and amyloid fibres were harmless to the cells. When injected to the mice brain, both a-Syni" and a-Syn pre-fibrillar aggregates internalized cells and induced neurotoxicity in the hippocampus of wild-type mice. These recombinant toxic aggregates further converted into non-toxic amyloids which were successfully amplified by PMCA method, providing the first evidence for the in vitro propagation of synthetic a-Syn aggregates. These results suggest an important role for protein dimerization in aggregation and amyloidogenesis, and therefore, in the pathology of PD and prion disease. The similarities between aggregation, amyloidogenesis and toxicity of PrPC and ct-Syn provide further evidence on the existance of a prion-like mechanism in all neurodegenerative disorders. // Résumé: Les maladies neurodégénératives sont associées à la perte progressive des propriétés structurales ou fonctionnelles des neurones, ce qui engendre la mort des cellules. De récentes études indiquent que tous les désordres neurodégénératifs, sporadiques ou transmissibles, peuvent avoir un mécanisme pathologique commun au niveau moléculaire. Ce dispositif commun se compose de l'agrégation de protéines, de la propagation des agrégats, et de l'accumulation d’agrégats toxiques dans les cellules neuronales, menant à l'apoptose et à la neurotoxicité cellulaire. Les maladies neurodégénératives peuvent affecter la pensée abstraite, les mouvements habiles, les sentiments émotifs, la connaissance, la Mémoire et d'autres capacités cognitives. Ce groupe divers de maladies inclut la maladie d'Alzheimer (AD), de Parkinson (PD), de Huntington (HD), les maladies à prions ou encéphalopathies spongiformes transmissibles (TSEs) et la sclérose latérale amyotrophique (ALS). [symboles non conformes]

Transmissive spongiform encephalopathies (TSEs) are neurodegenerative diseases characterized by depositions of abnormally folded prion protein (PrPTSE ) in brain. PrPTSE is at present the only specific biochemical marker of human and animal TSEs. Diagnostic tests are based on the detection of PrPres after proteinase K digestion of brain homogenate using Western blot or on the immunohistochemistry of fixed brain tissue, which are both difficult and time consuming. In this work we focused on development of a new type of tests based on PrP detection without need of proteinase K digestion. As deposits of PrPTSE remain in the body for a long time, there is a substantial chance of them being nonenzymatically modified by glycation. The detection of glycated PrPTSE may have a potential to serve as a diagnostic marker. We prepared monoclonal antibodies specific for carboxymethyl lysine/arginine modified prion protein. Bacterially expressed and purified recombinant human prion protein (rhPrP) was modified by glyoxylic acid that introduces carboxymethyl groups on lysine and arginine residues present within the molecule of the protein. Modified rhPrP (rhPrP-CML) was used for immunization of laboratory mice and hybridoma cells were prepared. Screening of cell supernatants resulted in the selection of 4...

De nombreux travaux récents ont démontré l’importance de la stochasticité dans l’expression des gènes à différentes échelles. On passera tout d’abord en revue les principaux résultats expérimentaux pour motiver l’étude de modèles mathèmatiques prenant en comptedes effets aléatoires. On étudiera ensuite deux modèles particuliers où les effets aléatoires induisent des comportements intéressants, en lien avec des résultats expérimentaux : une dynamique intermittente dans un modèle d’auto-régulation de l’expression d’un gène ; et l’émergence d’hétérogénéité à partir d’une population homogène de protéines par modification post-traductionnelle. Dans le Chapitre I, nous avons étudié le modèle standard d’expression des gènes à trois variables : ADN, ARN messager et protéine. L’ADN peut être dans deux états, respectivement “ON“ et “OFF“. La transcription (production d’ARN messagers) peut avoir lieu uniquement dans l’état “ON“. La traduction (production de protéines) est proportionnelleà la quantité d’ARN messager. Enfin la quantité de protéines peut réguler de manière non-linéaire les taux de production précédent. Nous avons utilisé des théorèmesde convergence de processus stochastique pour mettre en évidence différents régimes de ce modèle. Nous avons ainsi prouvé rigoureusement le phénomène de production intermittente d’ARN messagers et/ou de protéines. Les modèles limites obtenues sont alors des modèles hybrides, déterministes par morceaux avec sauts Markoviens. Nous avons étudié le comportement en temps long de ces modèles et prouvé la convergence vers des solutions stationnaires. Enfin, nous avons étudié en détail un modèle réduit, calculé explicitement la solution stationnaire, et étudié le diagramme de bifurcation des densités stationnaires. Ceci a permis 1) de mettre en évidence l’influence de la stochasticité en comparant aux modèles déterministes ; 2) de donner en retour un moyen théorique d’estimer la fonctionde régulation par un problème inverse. Dans le Chapitre II, nous avons étudié une version probabiliste du modèle d’agrégation fragmentation. Cette version permet une définition de la nucléation en accord avec les modèles biologistes pour les maladies à Prion. Pour étudier la nucléation, nous avons utilisé une version stochastique du modèle de Becker-Dôring. Dans ce modèle, l’agrégation est réversible et se fait uniquement par attachement/détachement d’un monomère. Le temps de nucléation est définit comme le premier temps où un noyau (c’est-à-dire un agrégat de taille fixé, cette taille est un paramètre du mod`ele) est formé. Nous avons alors caractérisé la loi du temps de nucléation dans ce modèle. La distribution de probabilitédu temps de nucléation peut prendre différente forme selon les valeurs de paramètres : exponentielle, bimodale, ou de type Weibull. Concernant le temps moyen de nucléation, nous avons mis en évidence deux phénomènes importants. D’une part, le temps moyen denucl´eation est une fonction non-monotone du paramètre cinétique d’agrégation. D’autre part, selon la valeur des autres paramètres, le temps moyen de nucléation peut dépendre fortement ou très faiblement de la quantité initiale de monomère . Ces caractérisations sont importantes pour 1) expliquer des dépendances très faible en les conditions initiales,observées expérimentalement ; 2) déduire la valeur de certains paramètres d’observations expérimentales. Cette étude peut donc être appliqué à des données biologiques. Enfin, concernant un modèle de polymérisation-fragmentation, nous avons montré un théorème limite d’un modèle purement discret vers un modèle hybride, qui peut-être plus utile pourdes simulations numériques, ainsi que pour une étude théorique. / The importance of stochasticity in gene expression has been widely shown recently. Wewill first review the most important related work to motivate mathematical models thattakes into account stochastic effects. Then, we will study two particular models where stochasticityinduce interesting behavior, in accordance with experimental results : a bursting dynamic in a self-regulating gene expression model ; and the emergence of heterogeneityfrom a homogeneous pool of protein by post-translational modification.In Chapter I, we studied a standard gene expression model, at three variables : DNA, messenger RNA and protein. DNA can be in two distinct states, ”ON“ and ”OFF“. Transcription(production of mRNA) can occur uniquely in the ”ON“ state. Translation (productionof protein) is proportional to the quantity of mRNA. Then, the quantity of proteincan regulate in a non-linear fashion these production rates. We used convergence theoremof stochastic processes to highlight different behavior of this model. Hence, we rigorously proved the bursting phenomena of mRNA and/or protein. Limiting models are then hybridmodel, piecewise deterministic with Markovian jumps. We studied the long time behaviorof these models and proved convergence toward a stationary state. Finally, we studied indetail a reduced model, explicitly calculated the stationary distribution and studied itsbifurcation diagram. Our two main results are 1) to highlight stochastic effects by comparisonwith deterministic model ; 2) To give back a theoretical tool to estimate non-linear regulation function through an inverse problem. In Chapter II, we studied a probabilistic version of an aggregation-fragmentation model. This version allows a definition of nucleation in agreement with biological model for Prion disease. To study the nucleation, we used a stochastic version of the Becker-Döring model. In this model, aggregation is reversible and through attachment/detachment of amonomer. The nucleation time is defined as a waiting time for a nuclei (aggregate of afixed size, this size being a parameter of the model) to be formed. In this work, we characterized the law of the nucleation time. The probability distribution of the nucleation timecan take various forms according parameter values : exponential, bimodal or Weibull. Wealso highlight two important phenomena for the mean nucleation time. Firstly, the mean nucleation time is a non-monotone function of the aggregation kinetic parameter. Secondly, depending of parameter values, the mean nucleation time can be strongly or very weakly correlated with the initial quantity of monomer. These characterizations are important for 1) explaining weak dependence in initial condition observed experimentally ; 2) deducingsome parameter values from experimental observations. Hence, this study can be directly applied to biological data. Finally, concerning a polymerization-fragmentation model, weproved a convergence theorem of a purely discrete model to hybrid model, which may beuseful for numerical simulations as well as a theoretical study.

The conversion of the native monomeric cellular prion protein (PrPC) into an aggregated pathological β-oligomeric (PrPβ) and an infectious form (PrPSc) is the central element in the development of prion diseases. The structure of the aggregates and the molecular mechanisms of the conformational change involved in this conversion are still unknown. My research hypothesis was that a specific structural rearrangement of normal PrPC monomers leads to the formation of new inter-subunit interaction interfaces in the prion aggregates, leading to aggregation. My approach was to use constraints obtained by structural proteomic methods to create a 3D model of urea-acid induced recombinant prion oligomers (PrPβ). My hypothesis was that this model would explain the mechanism of the conformational change involved in the conversion, the early formation of the β-structure nucleation site, and would describe the mode of assembly of the subunits within the oligomer. I applied a combination of limited proteolysis, surface modification, chemical crosslinking and hydrogen/deuterium exchange (HDX) with mass spectrometry for the differential characterization of the native and the urea-acid converted prion β-oligomer structures to get an insight into the mechanism of the conversion and aggregation. Using HDX, I detected a region of the protein in which backbone amides become more protected from exchange in PrPβ compared to PrPC. In order to obtain the inter-residue distance constraints to guide the assembly of the oligomer model, I then applied zero-length and short-range crosslinking to an equimolar mixture of 14N/15N-metabolically labeled β-oligomer thereby enabling the classification of the crosslinks as either intra-protein or inter-protein. Working with the Dokholyan group at the University of North Carolina at Chapel Hill, I was able to assemble a structure of the β-oligomer based on the combination of constraints obtained from all methods. By comparing the structures before and after the conversion, I was able to deduce the conformational change, that occurs during the conversion as the rearrangement and disassembly of the beta sheet 1– helix 1 – beta sheet 2 (β1-H1-β2) region from the helix 2 – helix 3 (H2-H3) core, forming new β-sheet nucleation site and resulting in the exposure of hydrophobic residues patches leading to formation of inter-protein contacts within aggregates. / Graduate / 2018-06-14

No description available.