Ces travaux de thèse concernent le développement d'une biopuce à membranes permettant de réincorporer de manière fonctionnelle une protéine transmembranaire de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), CXCR4, dans une bicouche lipidique attachée et espacée sur un substrat d'or par pilotis peptidiques (pep-tBLM), sous un format miniaturisé et parallélisé. Le peptide pilotis utilisé, P19-4H, possède une cystéine en position N-terminale pour son greffage covalent sur la surface d'or et quatre résidus Histidine en position C-terminale pour l'attachement par chélation, en présence de Nickel, de protéoliposomes réintégrant CXCR4. La synthèse de cette protéine s'effectue par expression acellulaire sous forme de protéoliposomes, dans une composition lipidique adaptée et en présence d'un lipide chélatant, le DOGS-NTA, à 2% de la quantité molaire totale des lipides. Le peptide AH, un peptide fusogène, est utilisé dans une dernière étape pour fusionner les protéoliposomes attachés. La caractérisation approfondie des protéoliposomes et l'optimisation des conditions expérimentales ont permis d'aboutir à l'attachement robuste des protéoliposomes avec une densité lipidique suffisante pour leur fusion par le peptide AH et la formation d'une pep-tBLM réintégrant CXCR4. Des études de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) ont montré que la pep-tBLM réinsérant CXCR4 était fluide, homogène et continue, avec un coefficient de diffusion de 2.10-7 cm2/s. Des études d'interaction entre CXCR4 et un ligand antagoniste, le T22, ont révélé que la protéine s'insère dans la pep-tBLM de manière fonctionnelle et orientée. Le processus de formation de la pep-tBLM a été miniaturisé par microstructuration du support consistant à recouvrir la surface d'or de polystyrène puis à former des micropuits exposant la surface d'or en leur fond. Le peptide P19-4H a été déposé de manière contrôlée dans les micropuits à l'aide d'un robot de dépôt pour former des plots de pep-tBLM intégrant CXCR4. La fonctionnalité de CXCR4 réinsérée dans ces plots de membranes a été attestée par des études d'interaction avec son ligand T22. L'ensemble des étapes de formation, d'optimisation et de miniaturisation des pep-tBLM a été suivi, visualisé et caractérisé en temps réel et sans marquage par la technique d'imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi). La technologie « TransMembraChip » développée au cours de cette thèse représente une méthode de choix pour la réincorporation et l'étude fonctionnelle de protéines transmembranaires dans une composition lipidique adaptée. Les protéines transmembranaires, en particulier les RCPG, représentent des cibles thérapeutiques intéressantes. Ainsi, dans le cadre de la recherche de candidats médicaments pour le traitement de pathologies impliquant des protéines transmembranaires, cette nouvelle génération de biopuce à membranes constitue un outil prometteur adapté au criblage de ligands agonistes ou antagonistes de ces protéines / This thesis presents the development of a membrane biochip allowing to functionally reincorporate a transmembrane protein of the G-protein coupled receptor (GPCR) family, CXCR4, in a peptide-tethered bilayer lipid membrane (pep-tBLM), in a miniaturized and parallelized format. The peptide tether used, P19-4H, possesses a cysteine in its N-terminal extremity for covalent grafting onto the gold surface and four Histidine residues in its C-terminal extremity for attachment of proteoliposomes integrating CXCR4 by metal-chelate interaction in the presence of nickel. The synthesis of CXCR4 was carried out by cell-free expression in the form of proteoliposomes, in a suitable lipid composition and in the presence of a chelating lipid, DOGS-NTA, at 2% molar ratio. The AH peptide, a fusogenic peptide, was employed in a last step to fuse the attached proteoliposomes. The thorough characterization of proteoliposomes and the optimization of experimental conditions led to the robust attachment of proteoliposomes with sufficient lipid density to perform their fusion by the AH peptide and the formation of a pep-tBLM integrating CXCR4. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) studies have shown that the pep-tBLM reinserting CXCR4 was fluid, homogeneous and continuous, with a diffusion coefficient of 2 x 10-7 cm2/s. Ligand binding studies between CXCR4 and T22, an antagonist, revealed that the protein was functional and well-oriented in the peptBLM. The formation process of the pep-tBLM was miniaturized by support microstructuration, consisting in covering the gold surface with polystyrene and then, forming microwells exposing the gold surface at their bottom. The P19-4H peptide was spotted in a controlled manner into the microwells to form microspots of pep-tBLM incorporating CXCR4. The functionality of CXCR4 reinserted into these membrane microspots was confirmed by T22 ligand binding studies. All the steps of formation, optimization and miniaturization of the pep-tBLM were monitored, visualized and characterized by surface plasmon resonance imaging (SPRi), a real time and label-free technique for the detection of interactions. The "TransMembraChip" technology developed in this work represents a method of choice for the reincorporation and functional study of transmembrane proteins in a suitable lipid composition. Transmembrane proteins, particularly GPCRs, form interesting therapeutic targets. Thus, in the context of pharmaceutical research of drug candidates for the treatment of pathologies involving transmembrane proteins, this new generation of membrane biochip is a promising tool for screening agonist or antagonist ligands of these proteins

L'émergence du phénotype MDR (« multidrug resistance») des cellules cancéreuses est souvent corrélée à la surexpression de protéines membranaires appartenant à la superfamille ABC (« ATP binding cassette »). Ces protéines couplent l'hydrolyse de l'ATP au transport d'agents chimiothérapeutiques vers l'extérieur des cellules. Chez les bactéries, des transporteurs homologues ont été impliqués dans certains cas de résistance aux antibiotiques.<br />Deux nouveaux transporteurs ABC bactériens, Rv1747 de Mycobacterium tuberculosis et YheI/YheH de Bacillus subtilis, potentiellement impliqués dans la résistance aux antibiotiques, ont été étudiés ici en réalisant une expression hétérologue chez Escherichia coli et en isolant des vésicules de membrane inversées. Ce système s'est avéré inapproprié pour l'étude du transporteur Rv1747, à cause vraisemblablement des différences entre E. coli et M. tuberculosis dans l'usage des codons. En revanche, nous avons obtenu un degré important de surexpression de YheI/YheH qui nous a permis de caractériser son activité de transport et d'hydrolyse de l'ATP. Nous avons ainsi montré que les deux protéines, YheI et YheH, s'associent pour former un exportateur hétérodimérique capable de transporter de multiples drogues, et que le rôle des deux sous-unités n'est pas identique dans le mécanisme catalytique du transporteur. Enfin, nous avons réussi à purifier le transporteur YheI/YheH avec un rendement élevé et dans un état fonctionnel stable, permettant d'approfondir sa caractérisation biochimique ainsi que d'obtenir des cristaux bidimensionnels pour une étude structurale par microscopie électronique.

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La Granulomatose Septique Chronique (CGD) est une maladie génétique rare de l’immunodéficience innée affectant les cellules phagocytaires (neutrophiles, macrophages). Elle est causée par des mutations dans les sous-unités du complexe NADPH oxydase formé du cytochrome b558 membranaire (NOX2 associé à p22phox) et de facteurs cytosoliques (p47phox, p67phox et p40phox). La déficience de ce complexe enzymatique va conduire à l’absence de formation de formes réactives de l’oxygène (FRO) microbicides et donc à l’apparition d’infections graves et récurrentes très tôt dans l’enfance. La chimioprophylaxie à vie permet de protéger ces patients mais peut être responsable d’effets indésirables. La seule thérapie curative est la transplantation de moelle osseuse mais tous les patients ne peuvent en bénéficier, et la thérapie génique n’est pas encore envisageable. Il y a donc un manque réel de nouvelles thérapies pour cette maladie. Cependant pour développer de nouveaux traitements, il faut disposer de modèles physiopathologiques pertinents. Or, les modèles existants sont imparfaits ou manquants. Le but de notre travail est donc de produire des modèles cellulaires et animaux de la CGD pour développer dans un second temps, une nouvelle approche thérapeutique basée sur l’utilisation de protéoliposomes.Grâce à leurs propriétés de pluripotence et d’auto-renouvellement à l’infini, les cellules souches pluripotentes induites (iPS) sont un outil puissant pour la modélisation physiopathologique. Ainsi, à partir de fibroblastes de patients atteints de CGD reprogrammés en cellules iPS, nous avons mis au point un protocole efficace de différenciation hématopoïétique in vitro en neutrophiles et macrophages. Nous avons montré que ces cellules phagocytaires sont matures et reproduisent parfaitement le phénotype déficient en FRO des patients CGD. Nous avons donc obtenu des modèles cellulaires pertinent modélisant trois formes génétiques de CGD, la CGD liée à l’X et deux formes autosomiques récessives, CGDAR22 et CGDAR47.Nous avons ensuite réalisé la preuve du concept de l’efficacité de protéoliposomes thérapeutiques sur les macrophages modélisés de la forme CGDX, la forme génétique la plus fréquente (70 % des cas) due à l’absence du cytochrome b558 membranaire (NOX2/p22phox). Grâce à une collaboration avec la start-up Synthelis SAS, des liposomes contenant le cytochrome b558 au niveau de la membrane lipidique ont été produits dans un système d’expression acellulaire basé sur l’utilisation d’extraits d’Escherichia coli. Ces liposomes NOX2/p22phox sont capables de reconstituer une enzyme NADPH oxydase fonctionnelle in vitro et de délivrer le cytochrome b558 à la membrane plasmique des macrophages CGDX qui présentent alors une restauration de l’activité NADPH oxydase avec la production de FRO.Enfin, nous nous sommes proposés de générer des souris dites « humanisées » par transplantation de cellules souches hématopoïétiques CD34+ capables de prise de greffe et de reconstitution hématopoïétique dans des souris immunodéficientes. A partir de cellules iPS saines, nous avons réussi à produire des cellules hématopoïétiques CD34+ possédant un potentiel hématopoïétique in vitro. Cependant, malgré des résultats encourageants, aucune prise de greffe in vivo n’a pu être réellement confirmée à ce jour.Pour conclure, nous avons donc montré au cours de ce projet, la production de modèles cellulaires de trois formes génétiques de CGD à partir de cellules iPS. Puis le modèle de macrophages CGDX nous a permis de faire la preuve de l’efficacité d’une nouvelle thérapie in vitro, une « enzymothérapie substitutive liposomale », qui pourrait à terme, offrir une alternative thérapeutique pour le traitement des infections aigües pulmonaires des patients CGD réfractaires aux traitements antibiotiques et antifongiques conventionnels. / Chronic Granulomatous Disease (CGD) is a rare inherited pathology of the innate immune system that affects the phagocytic cells (neutrophils, macrophages). This disease is caused by mutations in the subunits of the NADPH oxidase complex composed of the membrane cytochrome b558 (NOX2 associated with p22phox) and the cytosolic components (p47phox, p67phox et p40phox). Dysfunction in this enzymatic complex leads to the absence of microbicidal reactive oxygen species (ROS) and therefore to the development of recurrent and life-threatening infections in early childhood. Life-long prophylaxis is used to protect these patients but it may be responsible for side effects. Bone marrow transplantation is the only curative treatment but it can not be proposed to all the patients. In addition, gene therapy is not possible up to now. So there is a real lack of new therapies for this disease. However, to develop new therapeutic approaches, relevant physiopathological models must be available. Actually, existing models are imperfect or missing. Thus, the goal of our work is to produce cellular and animal models of CGD to develop a new proteoliposome-based therapy.Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are a powerful tool for physiopathologic modeling due to their pluripotency and self-renewal properties. Using CGD patient-specific iPSCs regrogrammed from fibroblasts, we developped an efficient protocol for in vitro hematopoietic differentiation into neutrophils and macrophages. We showed that the phagocytic cells produced are mature and reproduce the ROS-deficient phenotype found in CGD patients. Thus, we obtained relevant cellular models for three genetic forms of CGD: X-linked CGD and the two autosomal recessive forms AR22CGD and AR47CGD.Then, we demonstrated the proof-of-concept of the efficacy of therapeutic proteoliposomes on X-CGD iPS-derived macrophages. Indeed, X-CGD is the main form of the disease (70% of cases) and is caused by the absence of the membrane cytochrome b558 (NOX2/p22phox). Thanks to a collaboration with the start-up Synthelis SAS, liposomes integrating the cytochrome b558 into lipid bilayers were produced in an E. coli-based cell-free protein expression system. These NOX2/p22phox liposomes were able to reconstitute a functional NADPH oxidase enzyme in vitro and to deliver the cytochrome b558 at the plasma membrane of X-CGD macrophages, leading to restore the NADPH oxidase activity with a ROS production.Finally, we proposed to generate « humanized » mice models with a human immune system after transplantation of CD34+ hematopoietic stem cells able to engraft and reconstitute long-term hematopoiesis in immunodeficient mice. Using healthy iPSCs, we successfuly produced CD34+ hematopoietic cells with in vitro hematopoietic potential. However, no in vivo engraftment was really confirmed yet.In conclusion, during this project, we produced cellular models of three genetic forms of CGD using patient-specific iPSCs. Then, X-CGD macrophages were used to demonstrate in vitro the efficacy of a new therapy. This « liposomal replacement enzymotherapy » could, in the future, represents a curative alternative against life-threatening lung infections refractory to conventional antibiotic and antifungal therapy.