Le doryphore de la pomme de terre (Leptinotarsa decemlineata Say) est un ravageur important des cultures de pomme de terre (Solanum tuberosum L) à travers le monde, qui montre une capacité d'adaptation remarquable au climat et aux insecticides employés pour le contrôler. Le développement d'alternatives à l'utilisation des insecticides pour le contrôle du doryphore est aujourd'hui un enjeu économique, environnemental et même de santé publique. Dans cette optique, des lignées de pomme de terre hybrides ont été produites récemment par hybridation de cultivars de pomme de terre avec l'espèce sauvage Solanum brevicaule, une solanacée proche de la pomme de terre exprimant dans ses feuilles le composé glycoalcaloïde dehydrocommersonine. Dans le cadre de ce projet, des tests de consommation foliaire « sans choix » (no-choice) ont été réalisés pour l'ensemble des stades de développement du doryphore avec la lignée 15953-12, un hybride Solanum brevicaulex Solanum tuberosum rétrocroisé (BC₅), pour évaluer son statut de résistance par le suivi des taux de croissance, de consommation foliaire et de mortalité de l'insecte, de son temps de développement, du comportement des larves et du succès reproducteur des adultes. Le taux de mortalité des larves nourries de la lignée 15953-12 a été de 30% supérieur à celui d'insectes témoins nourris de plants de pomme de terre. Le développement des larves a été altéré, avec une augmentation du temps de développement de 8,6 jours (133%) et un poids des adultes réduit de 37% à l'émergence par rapport au groupe témoin. Le poids des adultes était toujours plus faible de 33% une semaine après l'émergence et peu de femelles avaient pondu sur la plante hybride. Le nombre d'œufs pondus par les couples nourris de la lignée 15953-12 était réduit de 87% par rapport aux insectes témoins. Une réduction significative de la consommation foliaire (46%) et un évitement de la plante hybride par les larves ont semblé être les principales causes des effets observés, en concordance avec les effets généralement attribués aux composés glycoalcaloïdes. Des recherches additionnelles seront maintenant nécessaires pour évaluer le potentiel de résistance génétique du doryphore à la lignée 15953-12 et, plus spécifiquement, à la dehydrocommersonine. / Colorado Potato Beetle (CPB) (Leptinotarsa decemlineata Say) is a worldwide pest of cultivated potato (Solanum tuberosum L). The CPB can quickly and easily adapt to climate or insecticides, which explains why it is such a widespread and hardy pest. Nowadays, finding alternatives to heavy insecticide usage to control the CPB is much needed not only from economic and ecological standpoints but also from a public health perspective. To this end, plant lines were developed recently by hybridization of potato cultivars with Solanum brevicaule, a wild tuber-bearing species containing the foliar glycoalkaloid dehydrocommersonine. No-choice feeding assays were conducted across all life stages of CPB with line 15953-12, a Solanum brevicaule x Solanum tuberosum BC₅ hybrid, to assess plant resistance through the monitoring of insect growth rate, development time, leaf consumption rate, mortality, larval behaviour and adult reproductive fitness. Larvae raised on the hybrid plant showed a 30% mortality rate, which is greater than the mortality rate of potato-fed insects. Larval development was both stunted and prolonged, with an 8.6-day (133%) increase in development time and a 37% decrease of adult weight upon emergence. After one week, adults raised and fed on the hybrid were 33% lighter than their control counterparts and fewer females laid eggs. The total amount of eggs per CPB couples on the hybrid line was 87% lesser than the control group. Significatively reduced feeding (46%) and avoidance of the hybrid plant by young larvae were likely the cause of the observed effects, in line with the usually reported effects of glycoalkaloids on herbivorous insects. Further studies will now be needed to document the long-term adaptation potential of CPB to line 15953-12, and, more specifically, to dehydrocommersonine, through natural selection.

La production porcine utilisant des antibiotiques, il est primordial d'évaluer son impact sur la présence d'entérobactéries résistantes aux antibiotiques. L'objectif du projet était d'évaluer l'impact d'un traitement de chlortétracycline administré à des porcs trois semaines après le sevrage sur l'abondance des entérobactéries résistantes aux antibiotiques et sur leur contenu en gènes de résistance. Pour y répondre, 600 porcelets ont été séparés en deux groupes à l'entrée en pouponnière. Un groupe a reçu une alimentation supplémentée en chlortétracycline (660 mg/kg d'aliment) pendant 21 jours, alors que l'autre groupe a reçu une alimentation sans antibiotiques. Des échantillons de fèces et des frottis du groin ont été récoltés 16, 38, 45, 98 et 143 jours après le sevrage. Les entérobactéries totales ainsi que celles résistantes à la tétracycline, au cotrimoxazole ainsi qu'au céfotaxime ont été dénombrées. Un sous-ensemble d'entérobactéries a été isolé et testé pour sa susceptibilité à 24 antibiotiques. Le génome bactérien de certains isolats a été séquencé. L'abondance des entérobactéries totales ainsi que celles résistantes au cotrimoxazole étaient plus élevée 16 jours après le sevrage (P < 0,05). Les entérobactéries résistantes au céfotaxime étaient plus abondantes chez tous les porcs en engraissement (jours 98 et 143; P < 0,05). Le profil de résistance des isolats était différent selon le milieu de sélection et le type d'échantillon. Le contenu en gènes de résistance était similaire entre les deux groupes. Les gènes tetA et tetB étaient les déterminants de la résistance à la tétracycline les plus prévalent et ont été identifiés sur des plasmides à proximité d'autres gènes de résistance. L'administration de chlortétracycline en pouponnière n'a pas eu d'impact significatif, sauf pour l'abondance des entérobactéries fécales résistantes au céfotaxime en période de finition. Il est tout de même primordial d'utiliser tous les antibiotiques judicieusement en raison du potentiel de co-sélection de résistances. / Since swine industry uses antibiotics, it is primary to assess the impact of this use on the presence of antibiotic-resistant enterobacteria. The aim of this study was to evaluate the impact of a chlortetracycline treatment given to pigs three weeks after weaning on the abundance of enterobacteria and their antibiotic resistance genes content. To achieve this goal, 600 weaners were split into two groups when arriving in nursery. One group was fed, for 21 days, a diet supplemented with chlortetracycline (660 mg/kg of feed), while the other group received an antibiotic-free diet. Samples of feces and swabs of snouts were collected 16, 38, 45, 98 and 143 days after weaning. Total enterobacteria as well as tetracycline-, co-trimoxazole- and cefotaxime-resistant enterobacteria from samples were counted. A subset of enterobacteria was isolated and tested for its susceptibility to 24 antibiotics. Some of those enterobacteria isolates were whole-genome sequenced. Abundance of total enterobacteria as well as co-trimoxazole-resistant enterobacteria was higher 16 days after weaning (P < 0.05). Cefotaxime-resistant enterobacteria were more abundant for all pigs in fattening (days 98 and 143; P < 0.05). Antibiotic resistance profiles of the isolates were different according to the selection medium used and the sample type. The content of antibiotic resistance genes was similar between both groups. tetA and tetB genes were the most prevalent determinants for tetracycline resistance and were identified on plasmids near other antibiotic resistance genes. The administration of in-feed chlortetracycline in nursery pigs did not have a significant impact, except for the abundance of fecal cefotaxime-resistant enterobacteria found in finishing phase. It is still primary to use all antibiotics wisely since there are risks for co-selection of resistance.

Aeromonas salmonicida sous-espèce salmonicida, une bactérie pathogène infectant les poissons, cause une maladie nommée la furonculose qui est traitée par antibiotique. À cause des résistances aux antibiotiques, ceux-ci ne sont plus aussi efficaces. Comme les tests d'antibiogrammes nécessitent sept jours, une PCR multiplex ciblant les gènes de résistance aux antibiotiques homologués (sulfonamides et triméthoprime, tétracyclines, chloramphénicols) permettrait de détecter rapidement ces résistances. Suite à la caractérisation de séquences génomiques et l'optimisation de PCR multiplex, plusieurs souches d’A. salmonicida sous-espèce salmonicida ont été testées et leurs résultats ont été comparés avec ceux obtenus par les tests d'antibiogrammes. Il en ressort que la trousse développée est très performante voire plus que les tests d'antibiogrammes pour détecter les résistances aux sulfonamides, tétracyclines et chloramphénicols tout en étant plus rapide. Une connaissance plus approfondie sur les résistances aux sulfonamides et triméthoprime demeure d’actualité puis l'amélioration de la trousse diagnostique est à envisager. / Aeromonas salmonicida subspecies salmonicida, a pathogenic bacterium that infects fish, causes a disease named furunculosis, which is treated with antibiotics. The latters are not as effective because of antibiotic resistances. As the susceptibility tests require seven days, a multiplex PCR targeting the genes coding resistances against homologated antibiotics (sulfonamides and trimethoprim, tetracyclines, chloramphenicols) would detect resistance rapidly. Following the characterization of genomic sequences and optimization of multiplex PCR, several strains of A. salmonicida subspecies salmonicida were tested and the results were compared with those obtained by the susceptibility tests. It shows that the kit is highly efficient even more rapidly than the susceptibility tests to detect resistance to sulfonamides, tetracyclines and chloramphenicols while being faster. A deeper knowledge about sulfonamides and trimethoprim resistance and the improvement of the diagnostic kit should be considered.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Bien que l’on attribue généralement un effet néfaste à l’instabilité génomique, pour le parasite Leishmania, elle s’avère pourtant bénéfique. De façon étonnante, ce protozoaire possède la capacité de remanier le nombre de copies de ses gènes pour s’adapter à son environnement et résister aux drogues utilisées contre lui. La présence de séquences répétées identiques près des gènes essentiels à sa survie permet une recombinaison homologue (RH) efficace et entraîne subséquemment la formation d’une copie extrachromosomique supplémentaire du gène ciblé. Ce phénomène de réarrangement génique induit la formation d’amplicons circulaires ou linéaires et est, entre autres, responsable de la résistance aux agents thérapeutiques. À l’heure actuelle, les enzymes impliquées dans ce processus sont peu connues et l’émergence d’un nombre croissant de cas d’infections réfractaires aux traitements favorise l’étude des protéines médiant la RH dans des conditions de résistance. Il a été récemment montré que la formation d’amplicons circulaires est compromise en l’absence du gène LiRad51, mais n’est toutefois pas abolie. Cette observation suggère l’implication d’autres acteurs dans ce processus, alors que le mécanisme par lequel les amplicons linéaires sont formés demeure inconnu. Cette thèse présente la caractérisation biochimique et cellulaire des protéines clés de la RH impliquées dans l’amplification génique chez le parasite Leishmania infantum. Plus précisément, le rôle de LiBrca2, en tant que médiateur de LiRad51, est tout d'abord démontré en raison de son implication essentielle dans la localisation nucléaire de LiRad51 et dans la stimulation d’invasion de brins effectuée par la recombinase. De façon similaire, les paralogues de LiRad51 peuvent, possiblement grâce à leur capacité de lier et d’apparier de l’ADN, eux aussi, stimuler LiRad51 pour l’invasion d’un ADN simple-brin dans un duplex homologue. L’inactivation génique pour l’un d’entre eux (LiRad51-4) a montré un rôle considérable sur l'amplification circulaire, malgré le fait qu’aucune activité d’invasion n’a pu être observée en l’absence de LiRad51. Enfin, en accord avec son rôle bien établi chez l’humain, cette étude confirme que la protéine LiMre11 possède une activité exonucléase et qu’elle serait impliquée dans la production d’amplicons linéaires. Ces résultats mettent en évidence le potentiel thérapeutique des protéines de la réparation de l’ADN, domaine de recherche prometteur pour mieux lutter contre la leishmaniose. / Genomic instability is usually known as a harmful hallmark, although in the parasite Leishmania this represents a beneficial feature. Surprisingly, this protozoan takes advantage of its ability to reorganize its genome for adapting itself to different environments as well as for drug resistance. In fact, the presence of identical repeats near essential genes allows homologous recombination (HR) between them, and subsequently causes the formation of an additional extrachromosomally copy of the targeted gene. This phenomenon of gene rearrangement induces circular or linear amplicons which leads to drug resistance. However, little is known about the enzymes involved in this process. In addition, the increasing number of infection cases refractory to treatment promotes the study of proteins mediating HR in these circumstances. It has been shown recently by gene inactivation that LiRad51 recombinase plays an important role in circular amplicon formation but was not essential. This observation suggested the presence of other players involved in this process while the mechanism by which linear amplicons are formed is still unknown. This thesis presents biochemical and cellular characterization of key HR proteins involved in extrachromosomal DNA amplification. We first determine the role of LiBrca2 as a mediator of LiRad51. In particular, LiBrca2 is involved in LiRad51 nuclear localisation and stimulates the homology search performed by the recombinase. Secondly, we show evidence that the LiRad51 paralogs help LiRad51 to promote HR through their capacity to bind and anneal DNA. Similary to LiBrca2, they can stimulate LiRad51 to invade a resected DNA double-strand break in an undamaged template to form a D-loop structure. However, they cannot perform this key step on their own. We succeed to inactivate one paralog (LiRad51-4) and provide insights on circular gene amplification. Finally, we show that LiMre11 harbors both DNA binding and exonuclease activities while inactivation of this gene led to a reduction of linear amplicon formation after drug selection. These results highlight a novel LiMre11-dependent pathway used by Leishmania to amplify stochastically portions of its genome. The relevance of DNA repair for drug resistance and its potential as a drug target represent a promising area of research for future treatments of leishmaniasis.

L'introduction délibérée dans l'air de microorganismes pathogènes représente une menace. Parmi les armes bactériologiques les plus craintes, on retrouve les spores de Bacillus anthracis. La possibilité de faire face à des souches de B. anthracis, porteuses de résistances aux antibiotiques, est bien réelle. Le but du projet est de développer une méthode rapide de détection des résistances aux antibiotiques pour les spores de Bacillus sp. Cette méthode doit pouvoir être utilisée avec un système de détection permettant une analyse cellule par cellule. Les techniques de FISH (Fluorescent In Situ Hybridization) et de PCR in situ sont appropriées dans cette situation. Présentement, le seul protocole de perméabilisation des spores de Bacillus sp. pour la détection in situ nécessite trois jours. Les objectifs spécifiques de cette thèse étaient de (i) développer un protocole de perméabilisation rapide des spores permettant de faire du FISH et (ii) développer des méthodes in situ afin de détecter des séquences de gènes de résistance aux antibiotiques d'origines plasmidique et chromosomique. Deux approches ont été utilisées pour perméabiliser les spores soit la germination rapide et la perméabilisation directe. Ensuite, les techniques d'amplification enzymatique du signal FISH et de PCR in situ ont été mises au point pour les spores. Des souches simulantes nonpathogènes de B. anthracis, soit B. aetropheus et B. cereus ATCC 14579 ont été utilisées comme modèle pour les expériences. La germination rapide des spores permet une détection par FISH en moins de deux heures comparativement à la perméabilisation directe des spores qui permet une détection en moins d'une heure. Les techniques d'amplification enzymatique du signal FISH et le PCR in situ ont permis la détection du gène de résistance au chloramphénicole présent sur le plasmide à haute copie pC 194. Le PCR in situ a permis la détection du gène de résistance à l'érythromycine porté par le plasmide à faible copie pMTL ainsi que d'une mutation, d'origine chromosomique, responsable de la résistance à la rifampicine. Cette thèse démontre qu'il est possible de détecter, directement dans la spore de Bacillus sp., des gènes de résistance aux antibiotiques, même s'ils sont présents en faible nombre de copies.

La structure des ADN polymérases (pol) du cytomégalovirus humain (CMV) et du virus herpès simplex 1 (VHS-1), appartenant tous deux à la famille des Herpesviridae, est associée à la forme d'une main droite comportant entre autres les domaines de la paume, du pouce et des doigts. L'ADN pol adopte différentes conformations (ouverte et fermée) impliquant un mouvement du domaine des doigts dans le but de faciliter l'interaction entre le nucléotide et l'ADN en cours d'élongation. Il a été montré que l'antiviral foscarnet (FOS) qui cible l'ADN pol du CMV et du VHS-1 se lierait à l'enzyme quand elle est dans sa conformation fermée et que des mutations dans le domaine des doigts conférant la résistance à cet antiviral favoriseraient une conformation plus ouverte de l'enzyme pour laquelle le FOS a une affinité plus faible. Nous avons voulu analyser si cette hypothèse s'appliquait également à des mutations qui sont localisées dans des régions du domaine NH₂-terminal et de la paume qui interagissent avec le domaine des doigts lors des changements de conformation de l'enzyme au cours de la réaction de polymérisation. Notre hypothèse est que des mutations localisées dans l'hélice K (domaine NH₂-terminal) et la région II (domaine de la paume) qui participent aux changements de conformation de l'enzyme pourraient favoriser une conformation plus ouverte des ADN pol virales, et par conséquent, réduire la sensibilité des virus au FOS. Nous avons donc sélectionné des substitutions théoriques en utilisant une stratégie basée sur l'alignement des séquences en acides aminés des ADN pol du CMV et du VHS-1 (sensibles au FOS) avec celles des bactériophages RB69 et T4 (résistantes au FOS). Nous avons tenté de générer les virus recombinants CMV et VHS-1 possédant les différentes substitutions théoriques sélectionnées. Cependant, l'introduction de certaines substitutions [Q578P, R581T, L587F (hélice K), P712Y, F718L (région II) pour le CMV et Q617P, R620T, L626F (hélice K), F718L (région II) pour le VHS-1] étaient délétères pour les ADN pol, ce qui empêchait les virus recombinants de se répliquer en culture cellulaire. Parmi les substitutions sélectionnées dans l'hélice K, la substitution I619K confère une résistance du VHS-1 au FOS. Au sein de l'hélice K, nous avons également caractérisé la substitution théorique Q579I qui conférait une hypersensibilité du CMV au FOS. Nous avons caractérisé cette substitution en la comparant à la mutation K805Q localisée dans l'hélice P (domaine des doigts) déjà connue pour induire une hypersensibilité du CMV au FOS. Dans la région II, les substitutions V715S et A719T confèrent une résistance des deux virus au FOS. La substitution Q697P du CMV confère une résistance du CMV au FOS mais pas pour le VHS-1. Les profils de sensibilité des virus recombinants au FOS ont également été confirmés par des tests enzymatiques dans lesquels nous avons déterminé l'inhibition de l'activité des ADN pol recombinantes mutées par cet antiviral. Nous avons également constaté une diminution des capacités réplicatives des CMV et VHS-1 recombinants possédant ces substitutions par rapport à celle des virus sauvages correspondants. Des analyses tri-dimensionnelles ont été réalisées et ont suggéré que les substitutions conférant une résistance au FOS seraient associées à une déstabilisation de la conformation fermée des ADN pol et favoriseraient une conformation plus ouverte pour laquelle l'antiviral a une plus faible affinité. D'autre part, les modélisations tri-dimensionnelles des protéines possédant les substitutions conférant une hypersensibilité au FOS ont montré que les ADN pol favorisaient une conformation plus fermée pour laquelle le FOS a une plus grande affinité. La caractérisation de la substitution théorique V715S du CMV et du VHS-1 (FOSᴿ/GCVᴿ et FOSᴿ/ACVᴿ, respectivement) a été comparée aux substitutions V715G du VHS-1 (FOSᴿ/ACVᴿ), V715M du CMV et du VHS-1 (FOSᴿ/GCV[exposant S] et FOS[exposant S]/ACVᴿ, respectivement), déjà décrites dans la littérature. Brièvement, nous avons montré que l'introduction de ces différentes substitutions induisaient des changements au niveau de l'environnement hydrophobe de la valine à la position 715 influençant ainsi les phénotypes de sensibilité aux antiviraux observés. L'ensemble de ces résultats nous ont permis d'appuyer notre hypothèse selon laquelle les mutations localisées dans l'hélice K et la région II peuvent influencer la sensibilité des virus au FOS en modifiant la structure de la protéine et en interférant avec les changements de conformation de l'enzyme. / The structure of the human cytomegalovirus (HCMV) and herpes simplex virus 1 (HSV-1) DNA polymerase (pol), belonging to the Herpesviridae family, is associated to a right hand with palm, thumb and fingers domains. The viral DNA pol adopts different conformations (open and closed) that implies a move of the fingers domain to facilitate the interaction between the nucleotide and the elongating DNA. It has been shown that the antiviral foscarnet (FOS) which targets the HCMV and HSV-1 DNA pol binds to the enzyme in its closed conformation and mutations confering resistance to this antiviral and localised in the fingers domain would favor a more open conformation of the enzyme for which FOS has a lower affinity. The aim of this thesis was to analyse whether this hypothesis could be extended to mutations localised in the NH₂-terminal and the palm domains which interact with the fingers domain during the conformational changes of the enzyme during the polymerization process. Our hypothesis is that mutations localized in the helix K (NH₂-terminal domain) and region II (palm domain) that participate in the conformational changes of the enzyme could favor a more open conformation of the viral DNA pol, and thus, decrease the susceptibility of viruses to FOS. We selected theoretical substitutions using a strategy based on amino acid sequences alignement of the DNA pol of HCMV and HSV-1 (susceptible to FOS) with those of RB69 and T4 bacteriophages (naturally resistants to this antiviral). We tried to generate recombinant HCMV and HSV-1 containing the different theoretical substitutions that we selected. However, the introduction of some theoretical substitutions [Q578P, R581T, L587F (helix K), P712Y, F718L (region II) for HCMV and Q617P, R620T, L626F (helix K), F718L (region II) for HSV-1] was so detrimental for the DNA pol that recombinant viruses were not able to grow in cell culture. Among the substitutions selected in the helix K, the substitution I619K confers resistance of HSV-1 to FOS. In the helix K, we also characterized the theoretical Q579I substitution that confers hypersusceptibility of HCMV to FOS. We compared this substitution with the K805Q substitution located in the helix P (fingers domain), already known to induce hypersusceptibility of HCMV to FOS. In region II, substitutions V715S and A719T confer resistance of both viruses to FOS whereas the Q697P substitution was associated with resistance of HCMV to FOS but not for HSV-1. The susceptibility profiles of recombinant viruses to FOS were confirmed by enzymatic assays that allowed us to determine the inhibition of the recombinant mutated DNA pol activity by this antiviral compound. We observed a decrease of the replicative capacities of recombinant HCMV and HSV-1 harboring these mutations compared to their wild-type counterparts. Tri-dimensional modeling was also performed to better understand the impact of these substitutions on the DNA pol of HCMV and HSV-1. On the one hand, substitutions confering resistance to FOS were associated to a destabilization of the closed conformation of the DNA pol and would favor a more open conformation for which the antiviral has a lower affinity. On the other hand, substitutions associated to a hypersusceptibility profile would favor a more closed conformation of the DNA pol for which FOS has a higher affinity. The characterization of the theoretical substitution V715S of HCMV and HSV-1 (FOSᴿ/GCVᴿ and FOSᴿ/ACVᴿ, respectively) was compared to the substitutions V715G of HSV-1 (FOSᴿ/ACVᴿ), V715M of HCMV and HSV-1 (FOSᴿ/GCV[superscript S] and FOS[superscript S]/ACVᴿ, respectively), already described in the literature and that were, thus, associated with different antiviral susceptibility phenotypes compared to those of V715S. Briefly, we showed that the introduction of these different substitutions could induce varying changes of the hydrophobic environment of the valine at position 715 influencing the antiviral susceptibility profile. Altogether, these results support our hypothesis that substitutions in helix K and region II could influence the susceptibility of HCMV and HSV-1 to FOS by modifiying the protein structure and impacting the correct conformational changes of the enzyme.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Les β-lactamases sont le principal mécanisme bactérien de défense contre les β-lactamines. Elles catalysent l’inactivation de ces antibiotique par le clivage de leur noyau β-lactame. Les β-lactamases les plus communes sont celles de la classe A, qui rassemble une grande variété d’enzymes aux spécificités de substrat variées. Ces protéines ont été l’objet de nombreuses recherches expérimentales et théoriques. Plusieurs études de dynamique par spectroscopie RMN ont été réalisées dans notre laboratoire sur les enzymes modèles TEM-1 et PSE-4. Le présent projet continue l’investigation de ces deux β-lactamases par des méthodes théoriques. Un protocole de simulation de DM a été établi et validé par comparaison avec des données de relaxation RMN. Une nouvelle technique d’analyse conjointe DM/RMN a également été développée, permettant de limiter les problèmes de sous et sur-ajustement présents dans l’analyse « model-free ». Pour comparer la dynamique des β-lactamases de classe A en présence et en absence de leur substrat, un potentiel pour les β-lactamines a été développé, en tenant compte de la géométrie et du potentiel chimique particuliers du noyau β-lactame. Ce champ de forces est transférable, permettant la construction d’une variété d’antibiotiques. Nos simulations, couplées aux précédentes études par RMN, démontrent qu’il existe une dualité dynamique dans les β-lactamases de classe A : elles sont hautement structurées à l’échelle ps-ns, mais aussi le siège de mouvements lents (µs-ms) aux abords du site actif et particulièrement dans la boucle qui borde le site catalytique. La rigidité ps-ns favorise un positionnement optimal des résidus du site actif pour une catalyse efficace, et permet la tolérance de mutations potentiellement déstabilisantes. Les mouvements à l’échelle µs-ms les plus intéressants sont localisés dans la boucle Ω et confirment son rôle régulatoire : elle permet l’ouverture du site actif pour l’entrée du substrat et le largage du produit. La liaison du substrat a des effets à longue portée rigidifiant TEM-1. On observe également un mouvement accru de la boucle Ω dans TEM-1 et PSE-4. Les interactions spécifiques menant à cette plus grande flexibilité varient toutefois d’une enzyme à l’autre : il y conservation des propriétés dynamiques. / β-Lactamases are the main bacterial mechanism of resistance against β-lactams. They inactivate these antibiotics by cleaving their β-lactam ring. Class A enzymes are the most prevalent, with a broad variety of substrate specificities. These proteins were studied by numerous experimental and theoretical studies. NMR spectroscopy measurements were performed in our laboratory on model enzymes TEM-1 and PSE-4. This project continues the investigation of the dynamic properties of these two β- lactamases using theoretical methods. An MD simulation protocol was established and validated using NMR relaxation data. A new joint MD/NMR analysis technique was developped, allowing a reduction of under- and over-fitting problems in model-free analysis. To compare class A β-lactamase dynamics in presence and absence of substrate, a potential was developped to describe β-lactams, taking into account the particular geometry and chemical potential of the β-lactam cycle. This force field is transferable, allowing the construction of a variety of antibiotics. Our simulations, along with past NMR studies, prove the existence of a dynamical duality in class A β-lactamases : they are highly structured on the ps-ns timescale, but also subjected to slow motions (µs-ms) in the vicinity of the active site, particularly in the Ω loop that borders the catalytic site. Ps-ns rigidity favors an optimal positioning of active site residues for an efficient catalysis, and allows the protein to tolerate potentially destabilizing mutations. The most interesting µs-ms motions are located in the Ω loop, confirming its regulatory role : it opens the active site for substrate entry and product release. Substrate binding has structuring long-range effects on TEM-1. Increased loop motions are also observed in both TEM-1 and PSE-4. However, specific interactions responsible for this higher flexibility vary between the two enzymes : protein dynamics properties are conserved.

Les inhibiteurs de la neuraminidase (INAs) jouent un rôle central dans le contrôle des infections grippales, tant dans le cas des épidémies et des pandémies comme chez les patients immunosuprimés et d'autres patients à risque. Cependant, le développement et la dissémination de la résistance compromettent l'utilité à long terme de cette intervention. En fait, le problème de la résistance aux INAs a été mis en évidence pendant les épidémies de grippe annuelles de 2007-09, avec la dissémination globale d’une variante de la souche A(H1N1) saisonnière résistante à l'oseltamivir. Dans ce cas, les observations préliminaires ont spéculé avec l'existence d'un ensemble de mutations “permissives” qui auraient facilité cette transmission mondiale. Heureusement, l'émergence et la propagation mondiale de la souche pandémique en 2009 a mené au remplacement de la souche saisonnière A/Brisbane/59/2007 (H1N1) résistante à l'oseltamivir, par le virus A(H1N1)pdm09 naturellement sensible aux INA, et, par conséquent, l'oseltamivir a récupéré son utilité clinique. En fait, la plupart des virus A(H1N1)pdm09, A(H3N2) et B circulants à ce jour restent sensibles à l'oseltamivir, avec seulement 1-2% de souches résistantes. Néanmoins, le nombre croissant de souches résistantes récemment détectées en l’absence de traitement fait craindre que ce problème puisse encore augmenter. À cet égard, l'impact de l'émergence et la dissémination de la résistance sur le choix limité des antiviraux actuellement disponibles renforce la nécessité d’une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents à ce phénomène ainsi que de nouvelles approches thérapeutiques. Les différentes études présentées dans le cadre de cette thèse convergent vers l'objectif général de mieux décrire les mécanismes de développement de la résistance aux INAs dans les virus de la grippe. En outre, nous prévoyons que les thérapies combinées pourraient induire une meilleure réponse virologique et immunologique par rapport à la monothérapie antivirale. À la fin, nous nous attendons à ce que notre travail ait un impact sur la gestion des infections grippales en guidant la surveillance mondiale des marqueurs potentiels de résistance, ainsi qu’en proposant des traitements novateurs qui minimisent le développement de souches résistantes. / Neuraminidase inhibitors (NAIs) play a central role in the control of influenza infections, with important implications in the management of outbreaks and pandemics as well as in immunocompromised and other at risk patients, with both prophylactic and therapeutic indications. However, the development and dissemination of antiviral drug resistance represents a major limitation that compromises the long-term usefulness of this intervention. Actually, the problem of resistance to NAIs was highlighted by the worldwide dissemination of the oseltamivir-resistant seasonal A(H1N1) neuraminidase H274Y variant during the 2007-09 annual influenza epidemics. In that case, preliminary observations speculated with the existence of a set of “permissive” mutations that could have facilitated this global transmission. Fortunately, the antigenic shift that enabled the emergence of and global spread of the 2009 pandemic strain meant the replacement of the oseltamivir-resistant seasonal A/Brisbane/59/2007 (H1N1) virus by the naturally NAI-susceptible A(H1N1)pdm09 virus, and, consequently, oseltamivir recovered its clinical utility. In fact, most of the circulating A(H1N1)pdm09, A(H3N2) and B viruses remain susceptible to oseltamivir with only 1-2% of tested strains exhibiting phenotypic or genotypic evidence of resistance. Nevertheless, the growing number of resistant strains recently detected in the absence of therapy raises concern that this problem could increase. In that regard, the impact of the emergence and dissemination of resistance on the limited choice of antivirals currently available underscores a better understanding of the mechanisms underlying this phenomenon as well as the necessity for innovative therapeutic approaches. The different studies presented in this thesis converge to the general objective of better describing the mechanisms underlying the development of resistance to NAIs in influenza viruses. Also, we anticipate that combination therapies will induce better virological and immunological responses compared to antiviral monotherapy. In the end, we expect that our work will have an impact on the management of influenza infections by guiding the global surveillance of potential drug resistance markers, as well as proposing innovative ways to improve the clinical outcome and minimizing the development of drug-resistant strains.

Le parasite Leishmania est un protozoaire de l’ordre des Kinetoplastidae et de la famille des Trypanosomatidae, responsable de maladies appelées leishmanioses. En tant qu’eucaryote unicellulaire, Leishmania possède de nombreux mécanismes d’adaptation aux stress environnementaux. En effet, plusieurs mécanismes de résistance peuvent être développés par le parasite pour répondre au stress et sont basés sur la modulation du génome, comme l’amplification génique ou l’introduction de mutations. De fait, l’étude de l’intégrité génomique et des mécanismes sous-jacents l’acquisition de la résistance sont des éléments clés de la compréhension du fonctionnement de ce parasite. L’amplification génique est rendue possible par la présence de nombreuses séquences répétées distribuées à travers le génome de Leishmania et qui permettent la formation d’amplicons circulaires et linéaires contenant des gènes essentiels à l’acquisition de la résistance. Les mécanismes sous-jacents la formation des amplicons restent encore à élucider mais les protéines de réparation de l’ADN semblent jouer un rôle majeur dans l’amplification génique. Dans le laboratoire, il a été démontré que l’amplification circulaire reposait essentiellement sur la protéine de réparation de l’ADN RAD51. Cependant, les acteurs impliqués dans la formation d’amplicon linéaire restaient inconnus. Les travaux de cette thèse ont permis de caractériser les fonctions de la protéine MRE11 chez Leishmania, protéine majeur de la réparation de l’ADN par recombinaison homologue, et qui possède une activité de liaison à l’ADN ainsi qu’une activité nucléase. MRE11 semble impliquée dans l’amplification linéaire puisque son inactivation conduit à une diminution du nombre d’amplicons linéaires dans la cellule. De plus, inhiber l’activité nucléase de MRE11 conduit à une augmentation de l’amplification circulaire, suggérant ainsi un rôle prépondérant de cette activité nucléase dans la formation d’amplicons. Cette étude a également permis d’étudier l’implication des protéines de réparation de l’ADN dans le maintien de l’intégrité du génome. / Nous avons pu établir un lien entre MRE11 et RAD50, deux protéines agissant au sein d’un même complexe MRN (MRE11-RAD50-NBS1), et l’instabilité génomique. En effet, l’inactivation de MRE11 et RAD50 a conduit à des réarrangements chromosomiques qui semblent être survenus par micro-homologie. Ces travaux ont donc permis de mettre en lumière qu’en l’absence des protéines majeures de la recombinaison homologue, un mécanisme de réparation par micro-homologie indépendant de MRE11 se met en place dans la cellule. De plus, l’inactivation du gène RAD50 dans une souche sauvage s’est révélée impossible alors qu’elle l’était dans une souche préalablement inactivée pour MRE11, suggérant une certaine hiérarchie dans le complexe MRN. Cette thèse présente également l’étude de l’acquisition de mutations ponctuelles dans le gène du transporteur de miltéfosine qui conduit à la résistance des parasites à cette drogue. La technologie de séquençage à profondeur élevée (« deep-sequencing ») nous a permis de séquencer ce gène à différents stades intermédiaires de la résistance, afin de déterminer la fréquence d’acquisition et la stabilité de ces mutations. Nous avons pu observer que les mutations ponctuelles dans le gène du transporteur de miltéfosine ne sont pas présentes dans les premiers stades de la résistance mais acquises à des concentrations plus élevées. L’analyse du gène a également démontré un plus grand nombre de mutations au fur et à mesure que la pression de sélection s’intensifie ainsi qu’une certaine stabilité des mutations après retrait de la pression de drogue, laissant entrevoir un maintien de la résistance. Ces résultats mettent en évidence l’implication des protéines de réparation de l’ADN dans la stabilité génomique chez Leishmania, mais surtout un rôle dans l’amplification extra-chromosomique liée à la résistance. L’utilisation des nouvelles technologies de séquençage nous a également permis d’étudier la dynamique d’acquisition de mutations ponctuelles impliquées dans la résistance.

Le développement de la résistance aux drogues chimiothérapeutiques ou la chimiorésistance est un obstacle majeur dans les thérapies anti-cancer et représente un facteur important dans la rechute des patients. L'un des mécanismes majeurs impliqués dans la chimiorésistance est la capacité des cellules cancéreuses à adhérer aux cellules stromales et à la matrice extracellulaire de leurs microenvironnements. Dans ce contexte, les cellules leucémiques lymphoblastiques aiguës de type T (T-ALL) sont connues pour interagir avec la matrice extracellulaire via les molécules d'adhésion de la sous-famille des intégrines β1. Cependant, le rôle et l'importance de ces intégrines dans la chimiorésistance des cellules T-ALL restent encore mal compris. Dans ce travail, nous avons montré que l'adhésion des lignées cellulaires T-ALL humaines et des cellules T-ALL primaires aux matrices extracellulaires tridimensionnelles comme le matrigel et le gel de collagène de type I, favorise leurs résistances à la doxorubicine via l'intégrine β1. De plus, le blocage de l'intégrine β1 avec un anticorps bloquant spécifique sensibilise les xénogreffes de cellules T-ALL CEM à la doxorubicine. En effet, l'utilisation de l'anticorps AIIB2 bloquant l'intégrine β1 combiné à la doxorubicine diminue la charge leucémique dans la moelle osseuse et prolonge la survie des souris. En analysant les mécanismes impliqués, nous avons trouvé que l'adhésion au matrigel induisait la chimiorésistance des cellules T-ALL en favorisant l'efflux de doxorubicine via l'activation du transporteur de drogue ABCC1 (ATP Binding Cassette Subfamily C Member 1). Par ailleurs, le matrigel induit la phosphorylation de la tyrosine kinase d'adhésion focale PYK2 (FAK-related proline-rich tyrosine kinase 2) et l'inhibition de PYK2 avec l'inhibiteur VS-6063 ou un siRNA spécifique a montré que cette dernière était impliquée dans l'efflux de doxorubicine et la chimiorésistance induite par le matrigel. En plus des intégrines qui lient la matrice extracellulaire, nous avons également montré que l'intégrine α4β1 ou VLA-4 (Very late antigen 4) qui lie la molécule d'adhésion VCAM-1 (Vascular cell adhesion molecule 1) induisait également la chimorésistance des cellules T-ALL et ce, en activant l'efflux de doxorubicine qui est dépendante de PYK2 et non de la tyrosine kinase d'adhésion focale FAK. En conclusion, l'ensemble des résultats de cette thèse indique que la voie des intégrines β1 joue un rôle majeur dans la chimiorésistance des T-ALL. Nous avons également identifié un nouveau mécanisme de chimiorésistance activé par les intégrines et qui consiste dans l'activation de la tyrosine kinase PYK2 qui augmente la fonction du transporteur des drogues ABCC1. Finalement, nos résultats suggèrent que le ciblage thérapeutique de la voie intégrine β1/PYK2/ABCC1 dans les cellules T-ALL pourrait réduire la chimiorésistance des cellules T-ALL et la rechute des patients.