La salinisation des eaux douces est un problème global qui, dans les régions tempérées nordiques, est lié à l'urbanisation. Les principaux ions responsables de cette salinisation sont les chlorures, le sodium et le calcium et leurs sources majeures sont les sels de déglaçage et l'usure de la chaussée. Durant l'hiver, ces ions s'accumulent dans la neige en bordure des routes et peuvent être transportés dans les eaux souterraines et de surface via l'eau de fonte et de ruissellement. Dans les dernières décennies, la salinité des lacs, et plus particulièrement leur concentration en chlorures, a augmenté de façon conséquente par rapport aux valeurs de référence. Par contre, pour la plupart des lacs, les niveaux atteints se situent en-deçà de la valeur seuil définie par le conseil canadien des ministres de l'environnement pour la protection de la vie aquatique qui est de 120 mg Cl L⁻¹ pour une exposition chronique. Les impacts de la salinisation des écosystèmes d'eau douce sur les organismes aquatiques sont peu connus et le manque d'information est particulièrement marqué pour les communautés microbiennes. Les objectifs principaux de cette thèse étaient 1) d'identifier les voies qu'empruntent les ions pour se rendre dans les lacs, ainsi que les moments auxquels ces mouvements ont lieu et 2) de caractériser les changements que peuvent causer ces ions, particulièrement les chlorures, dans la composition taxonomique des communautés microbiennes. Un suivi saisonnier dans le bassin versant du lac Saint-Charles (Québec, Canada) a permis de comparer la concentration de différents ions dans la neige en bordure des routes, dans les rivières et dans le lac. Ce suivi s'est échelonné de l'hiver (saison d'accumulation des ions dans la neige) au printemps (principale période de fonte) et combinait des mesures ioniques aux deux semaines dans la neige et les rivières et des mesures de conductivité prises aux 10 minutes par un mouillage dans le lac. Les résultats de ce suivi indiquent que les ions chlorures et sodium se déplacent de la neige vers le lac à tous les épisodes de fonte et que ces derniers surviennent aussi durant l'hiver. Dans les rivières, on observait une relation positive entre la concentration des ions et l'urbanisation du bassin versant, et ce dès qu'elle dépassait ≈1%. Un suivi annuel de lacs présentant des variables limnologiques différentes a permis de mettre ces dernières en relation avec la composition des communautés microbiennes planctoniques. Les lacs Clair, Saint-Charles, Clément et Saint-Augustin, situés aux alentours de la Ville de Québec, diffèrent entre autres en fonction de leur salinité, de leur morphométrie, de leur état trophique, et du niveau d'urbanisation de leur bassin versant. Les résultats ont souligné l'importance de la saison pour la composition taxonomique des communautés microbiennes, plus particulièrement celle de l'hiver, ou du couvert de glace. Ils ont aussi suggéré l'importance de la salinité comme facteur structurant, et ce à une conductivité d'environ 1000 μS cm⁻¹ et une concentration en chlorures de l'ordre de 100 mg L⁻¹. La salinité était, entre autres, positivement corrélée avec l'abondance de cryptophytes et d'haptophytes. Une expérience de microcosme en laboratoire où une communauté microbienne du lac Saint-Charles a été exposée à des concentrations de chlorures de 50 mg L⁻¹ (correspondant environ à une augmentation de la salinité par un facteur 2) a aussi été mise en place pour évaluer l'importance de ce facteur. Après deux semaines d'exposition aux chlorures, l'abondance de plusieurs taxons a augmenté, dont les cyanobactéries Synechococcus et Pseudanabaena et un cryptophyte du clade SA1-3C06. L'exposition aux chlorures, toujours à 50 mg Cl L⁻¹, mais combinée à la neige urbaine n'a pas causé de changements aussi marqués dans la composition taxonomique. Ces résultats suggèrent qu'une composante de la neige urbaine a atténué les effets des chlorures et que l'exposition aux chlorures seuls ne représente pas correctement les effets attendus dans le milieu naturel. Cette thèse a permis de montrer que la salinité des lacs pouvait changer rapidement en réponse à des épisodes de fonte de neige, même en période hivernale et que l'augmentation de la salinité, tant en milieu naturel qu'en contexte expérimental, était corrélée avec des changements dans la composition taxonomique des communautés microbiennes. Ces résultats impliquent que l'augmentation de la salinité, même faible par rapport aux valeurs de référence, influence les écosystèmes d'eau douce, et que dans les régions froides, il devrait y avoir une gestion de l'eau de ruissellement des autoroutes afin de limiter la contamination des eaux par les sels de déglaçage. / Freshwater salinization is an ongoing global concern that in north temperate regions is linked to urbanization. Chloride, sodium, and calcium are the primary ions responsible for this salinization, and their major sources are road salts and pavement weathering. In winter, these solutes accumulate in roadside snow, and may then be transported to ground and surface waters via melting and runoff. In the last decades, the salinity of lakes and their chloride concentrations have significantly increased compared to background values. However, in most lakes, the levels reached are still below the guidelines of the Canadian Council of Ministers of the Environment for the protection of aquatic life, which is 120 mg Cl L⁻¹ for chronic exposure. The impacts of salinization on freshwater biota are largely unknown, particularly for microbial communities. The main objectives of this thesis study were to 1) identify the flow pathways and timing of ion transport from roads to receiving waters; and 2) characterize the changes that major ions, particularly chloride, may have on the taxonomic composition of freshwater microbial communities. Seasonal monitoring of the Lake Saint-Charles (Quebec, Canada) watershed allowed comparison of major ion concentrations in roadside snow, rivers within the lake basin, and the lake itself. These observations took place from winter (the season of ion accumulation in snow) to spring (the main melting period), and combined ion measurements in rivers and roadside snow at two-week intervals with conductivity measurements in the lake at 10-minute intervals. The results indicated that chloride and sodium moved from roadside snow to the lake during all melting events, which were also recorded during winter. There was a positive relationship between the major ion concentrations in the river and the watershed urbanization level, beyond a threshold of 1% pavement coverage of the catchment. To asssess the effects of chemical as well as other limnological variables on microbial community structure, plankton and associated samples were taken throughout an entire year from four lakes in the Quebec City region: lakes Clair, Saint-Charles, Clément, and Saint-Augustin. These lakes varied in terms of salinity, morphometry, trophic state, and watershed urbanization level. The results showed a strong seasonal effect on prokaryotic as well as eukaryotic taxonomic composition, and underscored the importance of winter ice cover. Salinity was also identified as a structuring factor, even at conductivities around 1000 μS cm⁻¹ and chloride concentrations around 100 mg L⁻¹. Among other taxa, cryptophyte and haptophyte abundance were positively correlated with salinity. In a laboratory microcosm experiment, the Lake Saint-Charles microbial community was exposed for two weeks to chloride at 50 mg L⁻¹ , corresponding to a two-fold increase of salinity, to test hypotheses concerning the importance of this factor. After two weeks of exposure, the abundance of many taxa increased, notably the cyanobacteria Synechococcus and Pseudanabaena and a cryptophyte of the SA1-3C06 clade. The exposure to chlorides, still at 50 mg Cl L⁻¹ but combined with urban snow, did not cause such marked changes in the taxonomic composition. These results suggest that a component of the snow mitigated the impacts of chloride, and that the exposure to chloride alone may not accurately represent the effects in natural ecosystems. This thesis study has shown that lake salinity can change rapidly in response to roadside snowmelt events, even in winter. Increases in salinity, both in natural ecosystems and in the laboratory, were correlated with changes in taxonomic composition of the microbial communities. These results imply that increased salinities, even over a low range of values, can influence freshwater ecosystems, and that the environmental management of roads in cold regions should take measures to limit the contamination of waterways by road salts.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2020-2021 / En biologie cellulaire, la microscopie optique est couramment utilisée pour visualiser et caractériser la présence et la morphologie des structures biologiques. Suite à l’acquisition, un expert devra effectuer l’annotation des structures pour quantification. Cette tâche est ardue, requiert de nombreuses heures de travail, parfois répétitif, qui peut résulter en erreurs d’annotations causées par la fatigue d’étiquetage. L’apprentissage machine promet l’automatisation de tâches complexes à partir d’un grand lot de données exemples annotés. Mon projet de maîtrise propose d’utiliser des techniques faiblement supervisées, où les annotations requises pour l’entraînement sont réduites et/ou moins précises, pour la segmentation de structures neuronales. J’ai d’abord testé l’utilisation de polygones délimitant la structure d’intérêt pour la tâche complexe de segmentation de la protéine neuronale F-actine dans des images de microscopie à super-résolution. La complexité de la tâche est supportée par la morphologie hétérogène des neurones, le nombre élevé d’instances à segmenter dans une image et la présence de nombreux distracteurs. Malgré ces difficultés, l’utilisation d’annotations faibles a permis de quantifier un changement novateur de la conformation de la protéine F-actine en fonction de l’activité neuronale. J’ai simplifié davantage la tâche d’annotation en requérant seulement des étiquettes binaires renseignant sur la présence des structures dans l’image réduisant d’un facteur 30 le temps d’annotation. De cette façon, l’algorithme est entraîné à prédire le contenu d’une image et extrait ensuite les caractéristiques sémantiques importantes pour la reconnaissance de la structure d’intérêt à l’aide de mécanismes d’attention. La précision de segmentation obtenue sur les images de F-actine est supérieure à celle des annotations polygonales et équivalente à celle des annotations précises d’un expert. Cette nouvelle approche devrait faciliter la quantification des changements dynamiques qui se produisent sous le microscope dans des cellules vivantes et réduire les erreurs causées par l’inattention ou le biais de sélection des régions d’intérêt dans les images de microscopie. / In cell biology, optical microscopy is commonly used to visualize and characterize the presenceand morphology of biological structures. Following the acquisition, an expert will have toannotate the structures for quantification. This is a difficult task, requiring many hours ofwork, sometimes repetitive, which can result in annotation errors caused by labelling fatigue.Machine learning promises to automate complex tasks from a large set of annotated sampledata. My master’s project consists of using weakly supervised techniques, where the anno-tations required for training are reduced and/or less precise, for the segmentation of neuralstructures.I first tested the use of polygons delimiting the structure of interest for the complex taskof segmentation of the neuronal protein F-actin in super-resolution microscopy images. Thecomplexity of the task is supported by the heterogeneous morphology of neurons, the highnumber of instances to segment in an image and the presence of many distractors. Despitethese difficulties, the use of weak annotations has made it possible to quantify an innovativechange in the conformation of the F-actin protein as a function of neuronal activity. I furthersimplified the annotation task by requiring only binary labels that indicate the presence ofstructures in the image, reducing annotation time by a factor of 30. In this way, the algorithmis trained to predict the content of an image and then extract the semantic characteristicsimportant for recognizing the structure of interest using attention mechanisms. The segmen-tation accuracy obtained on F-actin images is higher than that of polygonal annotations andequivalent to that of an expert’s precise annotations. This new approach should facilitate thequantification of dynamic changes that occur under the microscope in living cells and reduceerrors caused by inattention or bias in the selection of regions of interest in microscopy images.

L'objectif de ces travaux est de découvrir et de valoriser des petites molécules organiques inhibant l'influx de l'iode dans les cellules thyroïdiennes. Ces composés présentent en effet un double intérêt : à court terme, ils peuvent être dérivés en biosondes afin de mieux caractériser les protéines impliquées dans les mécanismes de transport d'iode par génétique chimique directe. A plus long terme, ces inhibiteurs représentent des candidats-médicaments potentiels pour le traitement de pathologies thyroïdiennes et/ou pour la protection de populations exposées aux radioisotopes de l'iode. Pour chacune des deux familles d'inhibiteurs considérées, nous avons donc tout d'abord synthétisé une chimiothèque d'une centaine d'analogues ; puis ces derniers ont été évalués biologiquement afin de fournir un ensemble de relations structure-activité. Par ailleurs, la configuration absolue des centres stéréogènes nécessaire à l'activité biologique a été déterminée : dans chacun des cas, une stéréochimie particulière est responsable du pouvoir inhibiteur des composés. A partir de ces informations, une dizaine d'analogues " de seconde génération " a été synthétisée dans chaque famille, en combinant plusieurs modifications structurales contribuant à l'activité biologique. Après évaluation biologique, neuf d'entre eux possèdent des IC50 < 6 nM et des propriétés physico-chimiques satisfaisantes pour des candidats-médicaments. Enfin, dans chaque famille, une biosonde photoactivable biotinylée a été synthétisée et utilisée en photomarquage d'affinité. Plusieurs protéines marquées spécifiquement ont été repérées, qui correspondraient à des protéines-cibles de chacun des inhibiteurs et dont l'identification reste à achever.

Le maintien de l'intégrité du patrimoine génétique est essentiel à la survie des organismes vivants. Face aux nombreuses sources de stress génotoxiques qui induisent des dommages de l'ADN, les cellules ont mis en place des mécanismes complexes capables de détecter et réparer ces lésions. Parmi ces sources, figurent les rayonnements ultraviolets (UV) contenus dans la lumière solaire, qui modifient la structure de l'ADN et peuvent conduire à l'introduction de mutations. Chez l'homme, la grande majorité des dommages de l'ADN produits par les rayonnements est éliminée par le système NER (Nucleotide Excision Repair), un système capable d'exciser les nucléotides lésés et de les remplacer. Une déficience de cette voie de réparation peut mener à l'apoptose (mort programmée des cellules), et augmente la susceptibilité de développer des maladies graves telles que le cancer. Le système NER met en œuvre de nombreuses protéines impliquées dans des mécanismes variés tels que la détection, la signalisation, ou la réparation de l'ADN. La protéine eucaryote KIN17, récemment découverte dans le noyau de la cellule humaine, semble appartenir à ce système de réparation. Cependant, son rôle précis dans la réponse aux dommages de l'ADN reste à ce jour inconnu. C'est pourquoi, nous avons entrepris une caractérisation structurale et fonctionnelle de la région 51-160 de la protéine KIN17 humaine (domaine K2) afin d'améliorer la connaissance de ses fonctions, de ses partenaires biologiques, et de ses modes de fonctionnement. La première partie de ce manuscrit est consacrée à la préparation de l'échantillon de protéine en vue d'une analyse structurale par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Le travail a dans un premier temps consisté à choisir et optimiser le système d'expression de domaines structuraux d'une autre protéine : la proline déshydrogénase PRODH. Dans un second temps, la meilleure stratégie de préparation de l'échantillon a été appliquée à la protéine KIN17 pour produire, puis résoudre la structure tridimensionnelle du domaine K2 par RMN et Modélisation Moléculaire. Nous avons montré que la région 51-160 de la protéine KIN17 humaine adopte un repliement caractéristique de la famille structurale « Winged Helix » des protéines de liaison aux acides nucléiques. Cependant, l'analyse des détails structuraux du domaine K2, la comparaison avec des protéines de fonction connue de la même classe structurale, et des études électrophorétiques, révèlent l'incapacité de ce domaine à lier l'ADN et l'ARN de manière autonome. En revanche, nous avons mis en évidence, par une étude RMN complémentaire, l'existence d'une surface ultra conservée impliquée dans des interactions de type protéine-protéine intra-moléculaires entre le motif « Winged Helix » de la région 51-160 et la région N-terminale 1-50 de KIN17 humaine.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude structurale de peptides urotensinergiques humains par DC, RMN etmodélisation moléculaire. L’hUII (11 aa) et son analogue l’URP (8 aa) sont considérés comme les peptides vasoactifs les plus puissants connus à ce jour et sont impliqués dans divers systèmes biologiques, notamment le système cardiovasculaire et la prolifération des cellules tumorales. Ces deux peptides sont des ligands endogènes d'un RCPG, l’UT. Ils peuvent exercer des actions physiologiques communes mais aussi divergentes. Afin d’apporter des éléments permettant une meilleure compréhension de leurs activités biologiques, nous avons, dans un premier temps, déterminé la structure 3D de trois agonistes (hUII4-11, URP,P5U) et d’un antagoniste (urantide) dans un milieu micellaire mimant les membranes des cellules eucaryotes, le DPC. Dans les quatre peptides, nous avons observé la présence de deux conformations majoritaires du pont disulfure, RHStaple et LHHook, qui sont connues pour être essentielles à l’activité biologique. Nous avons mis en évidence une différence de nature de coude entre les agonistes (coude β de type I) et l’antagoniste (coude β de type II’). Nos analyses ont également permis de montrer l’existence de variations d’orientation des chaînes latérales des résidus F6, Y9 et plus spécialement celle de W7 entre les agonistes etl’antagoniste. Le groupe indole du D-W7 présente ainsi une rotation de 180°. Dans un deuxième temps, nous avons mis en évidence un impact de la concentration sur la conformation de l’hUII qui n’est pas observé pour l’URP. Ce phénomène d’auto-association pourrait avoir une influence sur l’interaction avec le récepteur et être à l’origine des divergences d’activités biologiques entre l’hUII et l’URP. / This work aims to characterize the structure of human urotensinergic peptides by CD, NMR and molecular modelling. hUII (11 aa) and its analogue URP (8 aa) are considered as the most potent vasoactive peptides known so far and are involved in various biological systems, including the cardiovascular system and tumor cell proliferation. These two peptides are endogenous ligands of a GPCR, UT, and exert common but also divergent physiological actions. In order to gain a better understanding of their biological activities, we determined the structures of three agonists (hUII4-11, URP, P5U) and one antagonist (urantide), in DPC micelles, a cellular eukaryotic mimetic membrane. For all peptides, we observed the presence of two major forms of the disulfide bridge, RHStaple and LHHook, which are known to be essential for biological activity. We showed a difference in the turn nature between agonists (type I β turn) and the antagonist (type II’ β turn). Our analyses also revealed that, in agonists and antagonist, the side chain orientations of residues F6, Y9 and more specifically W7 were different. Indeed, the indole group of D-W7 exhibited a 180° rotation. Secondly, we showed that, contrary to URP, the conformation of hUII was dependent on concentration. This selfassembly phenomenon may impact the interaction with the receptor and be responsible for the differential biological activities of hUII and URP.

Le cancer est l'une des maladies les plus répandues au Canada étant responsable de plus d'un quart de tous les décès. En effet chaque personne sera un jour ou l'autre touchée par cette maladie, soit personnellement ou par la souffrance d'un proche. Il y a de nombreux types de cancer, mais ils sont tous associés par la prolifération anarchique de cellules anormales dans le corps. Le cancer de la prostate et la leucémie sont deux types de cancer très fréquents dans la population. Le cancer de la prostate est un cancer androgéno-sensible, c'est-à-dire son développement et sa croissance sont stimulés par la liaison des androgènes actifs au récepteur. L'utilisation d'un antiandrogène capable de bloquer cette interaction permet de diminuer la taille du cancer. Cependant, il n'existe présentement aucun antiandrogène capable de lier fortement le récepteur afin de traiter le cancer par sa seule utilisation. Pour cela, plusieurs agents thérapeutiques potentiels ont été synthétisés à l'aide de plusieurs réactions dont une métathèse utilisant le catalyseur de Grubbs. Parmi cet éventail de produits, le meilleur antiandrogène était un noyau 5a-androstane-3a,17P-diol avec, en positition 16a, une chaîne de 3 méthylènes avec un chlorure à son extrémité. Ce type de produit a de plus été modélisé afin de déterminer son interaction avec le récepteur. La leucémie est le type de cancer le plus fréquent chez les enfants, mais peut aussi affecter les adultes. La majorité des traitements présentement utilisés induisent de nombreux effets secondaires pouvant parfois être fatals pour les patients. À l'aide de la chimie combinatoire ou de la chimie en solution, plusieurs librairies de dérivés 2P-amino5a-androstane-3a,17(3-diol ont été synthétisées. L'analyse de l'activité biologique de tout ces composés a permis d'en identifier six ayant une activité antiproliférative sur les cellules leucémiques HL-60 avec des IC50 variant de 0.58 à 6.4 uM. La plupart de ces produits affectent le cycle cellulaire en bloquant les cellules leucémiques dans la phase G[ du cycle, tandis que d'autres induisent aussi la différenciation. De plus, quelques candidats ont démontré une sélectivité pour les cellules cancéreuses puisqu'ils n'ont aucun effet sur les cellules humaines normales.

Les séquences d’ADN et d'ARN riches en Guanines peuvent adopter des conformations inhabituelles connues sous le nom de G-quadruplexes (G4). Les topologies et les formes de ces structures fascinantes sont très diverses. Les G4 sont stabilisés par la présence de cations monovalents et des liaisons Hydrogène de type Hoogsteen. De petites molécules contribuent également à la formation de formes stables, principalement par des interactions d'empilement π - π. Bien que les G4 soient connus depuis des décennies, l'intérêt de la communauté scientifique a été stimulé par la découverte de leur effet potentiellement inhibiteur sur la télomérase, une transcriptase inverse impliquée dans la transformation maligne de la plupart des cellules cancéreuses. En ce qui concerne la télomérase, le cancer et G4, plusieurs groupes ont été impliqués dans la découverte de nouveaux stabilisateurs G4 qui peuvent indirectement inhiber l'enzyme. Des centaines de ligands ont été identifiés par ce biais au cours de la dernière décennie et c'est encore un domaine très actif. Prenant en compte les avantages et la facilité qu'offre l'identification de nouvelles structures à l'aide de techniques de calcul grâce à des modèles mathématiques simples et reproductibles, nous avons entrepris un criblage à haut débit et à faible coût de calcul afin d’identifier de nouveaux ligands G4. Avec l'utilisation de la modélisation QSAR nous pouvons prédire l’IC50 d'un ensemble de composés congénères. Nous avons également été en mesure de relier les descripteurs moléculaires qui apparaissent dans nos modèles avec des caractéristiques structurales que les études de la littérature scientifique et SAR ont rapportés dans les études précédentes, pour un ensemble de ligands congénères. En outre, nous avons construit des modèles différents utilisant des ensembles non congénères de composés en appliquant une stratégie de consensus et pu identifier six ligands approuvés par la FDA qui stabilisent les structures G4. Par la suite, en appliquant des techniques non linéaires et un processus pour le traitement de la base de données que nous avons contruite à partir de publications antérieures, nous avons effectué un criblage virtuel de plus de 500 000 ligands d'une base de données commerciale de composés. Nous avons pu identifier de nouveaux ligands avec une puissance plus forte que les précédentes, qui peuvent également stabiliser d’autres structures G4 impliqués dans les processus liés au cancer. Ces observations ouvrent un spectre large de possibilités à explorer. Malgré les limites des techniques de modélisation QSAR explorées tout au long de ce travail, nous considérons qu'elles peuvent être combinées et utilisées avec soin pour répondre à la recherche de nouveaux stabilisateurs G4. / DNA and RNA G-rich sequences can adopt unusual arrangements that are known as G-quadruplexes (G4). The topologies and forms of these fascinating structures are very diverse. G4 are stabilized by the presence of monovalent cations and Hoogsteen Hydrogen bonds. Small molecules also contribute to the formation of stable forms mainly via π-π stacking interactions. Although G4s are known for decades, interest in this field started with their potential effect on inhibition of telomerase enzyme, a Reverse Transcriptase involved in the malignant transformation of most cancer cells. With regards to telomerase, cancer and G4, several groups have been involved in the discovery of new G4 stabilizers that would indirectly inhibit the enzyme. Most of the G4 ligands were identified following this paradigm. Hundreds of ligands have been identified during the past decade and this is still a very active field in science. Taking into account the advantages and easiness that offers the identification of new structures using computational techniques we built single and reproducible mathematical models with high screening capacity and low computational cost in order to use them on the identification of G4 ligands. With the use of QSAR modelling we can predict the telIC50 of a congeneric set of compounds. We have also been able to relate the molecular descriptors that appear in ours models with some structural features that scientific literature and SAR studies have reported in previous studies as appropriated for describing the above mentioned activity, also for congeneric set of ligands. Moreover, we built different models using non congeneric sets of compounds applying a consensus strategy and could identify six FDA approved ligands that stabilize G4 structures. Subsequently, by applying nonlinear techniques and a process for the cure of the database proposed for us in previous publications, we have performed a virtual screening of more than 500 000 ligands from a commercial database of compounds, followed of structure-based model in order to reduce the number of candidates. We were able to identify new ligands with stronger potency than the previous ones, which can also stabilize other G4 structures involved in processes related to cancer. These observations open a wide-ranging spectrum of possibilities to be explored. Despite the limitations of the QSAR modelling techniques explored along this work, we consider they can be combined and used carefully to address the search for new G4 stabilizers.

L’objectif de ces travaux est de découvrir et de valoriser des petites molécules organiques inhibant l’influx de l’iode dans les cellules thyroïdiennes. Ces composés présentent en effet un double intérêt : à court terme, ils peuvent être dérivés en biosondes afin de mieux caractériser les protéines impliquées dans les mécanismes de transport d’iode par génétique chimique directe. A plus long terme, ces inhibiteurs représentent des candidats-médicaments potentiels pour le traitement de pathologies thyroïdiennes et/ou pour la protection de populations exposées aux radioisotopes de l’iode. Pour chacune des deux familles d’inhibiteurs considérées, nous avons donc tout d’abord synthétisé une chimiothèque d’une centaine d’analogues ; puis ces derniers ont été évalués biologiquement afin de fournir un ensemble de relations structure-activité. Par ailleurs, la configuration absolue des centres stéréogènes nécessaire à l’activité biologique a été déterminée : dans chacun des cas, une stéréochimie particulière est responsable du pouvoir inhibiteur des composés. A partir de ces informations, une dizaine d’analogues « de seconde génération » a été synthétisée dans chaque famille, en combinant plusieurs modifications structurales contribuant à l’activité biologique. Après évaluation biologique, neuf d’entre eux possèdent des IC50 < 6 nM et des propriétés physico-chimiques satisfaisantes pour des candidats-médicaments. Enfin, dans chaque famille, une biosonde photoactivable biotinylée a été synthétisée et utilisée en photomarquage d’affinité. Plusieurs protéines marquées spécifiquement ont été repérées, qui correspondraient à des protéines-cibles de chacun des inhibiteurs et dont l’identification reste à achever. / This work was intended to discover small organic molecules acting as iodide uptake inhibitors in thyroid cells. These compounds can indeed be derivatized into biochemical probes for further characterization of proteins involved in iodide transport mechanisms. On the long term, these inhibitors also appear as attractive drug candidates for treatment of thyroid pathologies or radioprotection against iodine isotopes. A similar strategy was adopted for both of the two inhibitor families. First, we synthesized a chemical library of around 100 analogues; we measured their IC50 against iodide uptake in FRTL-5 cells to get structure-activity relationships. Absolute configuration of stereogenic centers was also investigated, and a preferential stereochemistry was found to be responsible for activity. From this basis, around twenty « second-generation » analogues were synthesized by combining fragments contributing to biological activity. Biological evaluation indicated that nine were very potent inhibitors, with IC50 < 6 nM and satisfying physicochemical properties required for drug candidates. Finally, one photoactivatable biotinylated probe was developed in each family and used for photoaffinity labeling. Several specifically labeled proteins are still under identification and constitute new potential therapeutic targets.

Ce projet de recherche se focalise sur les infections par mycobacterium ulcerans (maladie de l’ulcère de Buruli), une maladie de la peau dévastatrice caractérisée par la formation de lésions nécrotiques progressives et l’absence d’une réponse inflammatoire. Bien que négligée, cette infection est la troisième maladie mycobactérienne la plus répandue après la tuberculose et la lèpre et des cas sont rapportés dans plus de 30 pays à travers le monde. Mycobacterium ulcerans sécrète une toxine polycétidique complexe, appelée mycolactone A/B, qui est directement responsable des effets pathogènes de la maladie. Depuis sa découverte, les propriétés biologiques inhabituelles de la mycolactone A/B ont suscité de nombreux efforts de recherche dans différents domaines. Dans ce contexte, ce projet s’intéresse à l’élucidation du mécanisme d’action des mycolactones en utilisant la synthèse totale comme outil principal. Dans cette optique, notre équipe a mis en place une voie de synthèse permettant un accès facile et robuste à différents mimes de mycolactone. L’utilisation de cette méthode a conduit à la préparation de 13 mimes de la toxine au cours de cette thèse. D’autre part notre équipe s’intéresse également à la préparation de mimes possédant un ou plusieurs atomes de fluor. Ces derniers présentent un intérêt particulier pour améliorer la compréhension des interactions ayant lieu entre la toxine et sa cible cellulaire. Les travaux réalisés autours de la synthèse de mycolactones fluorés ont conduit à la mise au point d’une méthode générale et simple pour introduire un groupe trifluorométhyle sur un alcyne terminal, permettant ainsi des modulations inédites de la structure de la toxine. / This research project focuses on mycobacterium ulcerans infection (Buruli ulcer disease), a severe skin disease characterized by the formation of progressive necrotic lesions and the lack of an acute inflammatory response. Although neglected, this infection is the third most common mycobacteriosis after Mycobacterium tuberculosis and Mycobacterium leprae, and cases are reported in more than 30 countries worldwide. Mycobacterium ulcerans secretes a complex polyketidic macrolide, called mycolactone A/B, which is directly involved in the biological effects of the disease. Since its discovery, the unusual biology triggered by this toxin has spurred research efforts. In this context, this research project aims at a better understanding of mycolactone A/B molecular interactions by using total synthesis as main tool. To this end, our research team has developed an efficient synthetic pathway allowing the preparation of different mimetics of the toxin. This synthesis has been used to prepare thirteen new mycolactone mimetics during this thesis. Moreover our team has also been interested in the synthesis of fluorinated mycolactone analogs. Such fluorinated mycolactones are of great interest to improve the interactions that occur between the toxin and its biological binding site. Work in this field led to the development of a simple and general method to introduce a trifluoromethyl group onto a terminal alkyne, allowing novel modulation of the structure of the toxin.

L'ulcère de Buruli est une maladie nécrosante de la peau et des tissus mous accompagnée d'ulcères de grandes tailles, causée par une mycobactérie. L’Organisation Mondiale de la Santé a lancé en 1998 une initiative mondiale contre cette maladie tropicale négligée, présente notamment en Afrique et en Australie. L'infection est causée par Mycobacterium ulcerans, mycobactérie faisant partie de la même famille que les mycobactéries responsables de la tuberculose et de la lèpre. Mycobacterium ulcerans sécrète une toxine nommée mycolactone, responsable de cette infection. Cette toxine a des propriétés cytotoxiques et immunosuppressives. Le projet de recherche développé dans l'équipe concerne la synthèse et l'évaluation biologique des mycolactones A et B et de leurs analogues. A l'heure actuelle, la première étude relation structure-activité conduisant à une meilleure compréhension du mode d'action des mycolactones a été établie. La stratégie de synthèse choisie implique plusieurs réactions de couplage catalysées par des métaux (fer, cuivre, palladium) pour la création de liaisons carbone-carbone. La stéréochimie des sept alcools secondaires a quant à elle été contrôlée par des réactions d'allyl-et crotylboration asymétrique ainsi que par des réactions de dihydroxylation catalytique et asymétrique. Au cours de ce travail de thèse, 12 analogues ont ainsi été obtenus en appliquant cette voie de synthèse. / Buruli ulcer, a severe necrotizing skin disease caused by Mycobacterium ulcerans, is one of the most neglected tropical diseases. The World Health Organization has started in 1998 a Global Initiative against this disease. The pathogen belongs to the same family as the mycobacteria responsible for tuberculosis and leprosy and 6000 new cases are registered each year. Infection leads to extensive destruction of the skin and soft tissues with the formation of large ulcers usually on the legs or the arms and can caver up 15% of the skin surface. These effects are due to the presence of the bacterial toxins mycolactones, secreted by M ulcerans. Mycolactones are the first polyketides isolated from a human pathogen. Deciphering their functional interactions is of fundamental importance for the understanding and ultimately the control of this devastating mycobacterial infection. A Diverted Total Synthesis approach of mycolactones analogues has been developed and provides the first insights into their structure-activity relationship based on cytopathic assays on L929 fibroblasts.