Ph.D.

Les canaux ioniques occupent une place primordiale dans les mécanismes du vivant, et leurs dysfonctionnements sont à l'origine de nombreuses pathologies. Dans l'optique d'envisager un traitement efficace de ces maladies, la compréhension des mécanismes de fonctionnement des canaux ioniques constitue un objectif majeur à atteindre. Les toxines animales actives sur les canaux ioniques apparaissent aujourd'hui comme un outil de choix pour mieux comprendre le fonctionnement de ces canaux. Au travers de son introduction bibliographique, ce manuscrit présente les canaux K+, Na+ et Ca2+ et les toxines animales dont ces canaux sont les cibles naturelles. Ces toxines s'organisent majoritairement autour de deux motifs structuraux distincts : le motif CsΑΒ (Cystine stabilized ΑΒ motif), décrit principalement dans les toxines de scorpion actives sur les canaux K+ et Na+, et le motif ICK (Inhibitor Cystine Knot) qui est rencontré dans certaines toxines de cônes et d'araignées actives sur les canaux K+, Na+ ou Ca2+. Le travail effectué au cours de cette thèse est sous-tendu par un objectif, améliorer encore la connaissance et la compréhension de l'interaction d'une toxine et de sa cible, le canal. Les résultats obtenus s'articulent autour de la détermination de la structure RMN de plusieurs toxines. Concernant le motif CsΑΒ, nos résultats montrent que, par conception de protéines chimères, nous pouvons modifier la spécificité et/ou la sélectivité des toxines envers les canaux K+. Concernant le motif ICK, nos résultats pour les toxines actives sur les canaux K+ doivent être confirmés par des études complémentaires puisque la structure indique que ces toxines semblent interagir au niveau du pore du canal, hypothèse en contradiction avec les données biologiques ; pour les toxines actives sur les canaux Ca2+, la spécificité envers les différents types de canaux et l'influence de l'anisotropie de répartition des charges électrostatiques sur l'interaction toxine/canal sont discutées.

Th. 3e cycle--Pharmacochim. moléculaire--Paris 5, 1984. N°: 65.

L'insuffisance rénale chronique (IRC) est associée à une importante morbidité et mortalité cardio-vasculaire, à laquelle participent l'inflammation chronique, le stress oxydant et la dysfonction endothéliale. Les toxines urémiques sont des solutés s'accumulant dans le sérum et les tissus des patients IRC. Parmi elles, les toxines urémiques liées aux protéines sont mal épurées par la dialyse, et ont une toxicité endothéliale démontrée in vitro. Nous avons démontré que l'indoxyl sulfate (IS), une toxine liée aux protéines, induit la production de radicaux oxygénés (ROS) par les cellules endothéliales en culture (HUVEC), par le biais de l'activation de la NADP(H) oxydase, et par une déplétion en glutathion intracellulaire. Ce stress oxydant était induit par des concentrations d'IS rencontrées dans le sérum des patients IRC. Les patients IRC ont un niveau élevé de microparticules endothéliales (MPE), marqueur d'activation et de lésion endothéliale, et un nombre diminué de progéniteurs endothéliaux circulants (PEC), qui représentent les capacités de réparation de l'endothélium lésé. Nous avons souhaité étudier si les toxines urémiques jouaient un rôle dans ce déséquilibre. Chez des patients hémodialysés (HD), nous avons démontré que le nombre de PEC CD34+/CD133+ était inversement corrélé aux taux de 3 toxines urémiques, l'indole-3-acétique acide (IAA, une toxine proche de l'IS) et la ß2 microglobuline. In vitro, l'IAA induit l'apoptose des progéniteurs CD133+, et cet effet est imbibé par l'ajout d'érythropoïétine (EPO) au milieu de culture. Le sérum urémique induit l'apoptose des PEC. Bien que le nombre des PEC soit diminué chez les patients HD par rapport aux contrôles, leur nombre est positivement corrélé à 2 marqueurs de lésion vasculaire : le nombre de MPE, et la rigidité artérielle évaluée par la vitesse de l'onde de pouls aortique. Cela suggère que les PEC restent mobilisables chez les patients HD, en réponse aux lésions vasculaires, peut-être en partie grâce à leur traitement par EPO. En conclusion, les toxines urémiques participent à la dysfonction endothéliale des patients IRC, en augmentant le stress oxydant endothélial et la libération de MPE, et réduisent les capacités de réparation endothéliale en diminuant la survie des PEC. / Chronic kidney disease (CKD) is associated with dramatically increased cardio-vascular morbidity and mortality. Not only do traditional risk factors explain this accelerated atherosclerosis, but also chronic inflammation, oxidative stress and endothelial dysfunction. Uremic toxins are solutes accumulating in serum and tissues of CKD patients. Among them, protein-bound uremic toxins are poorly removed by haemodialysis (HD), and have shown deleterious effects on cultured endothelial cells (HUVEC). We showed that indoxyl suphate (IS), a protein-bound toxin, induces reactive oxygen species production in HUVEC, through activation of NAD(P)H oxidase, and intracellular glutathione depletion. This induction of oxidative stress was observed for concentrations of IS found in CKD patients. CKD patients exhibit high levels of endothelial microparticles (EMP), a marker of endothelial lesion, and low levels of endothelial progenitor cells (EPC), originating from bone marrow and implied in endothelial repair. We asked whetehr uremic toxins could play a role in this imbalance. In HD patients, we showed that the number of CD34+/CD133+ EPC was inversely correlated with the serum levels of two uremic toxins, indole-3-acetic acid (IAA, a protein-bound uremic toxin close to IS) and ß2microglobulin. In vitro, IAA induced apoptosis of CD133+ cells, unless erythropoietin was added to the medium. Uremic serum induced EPC apoptosis. Although endothelial progenitor cell number was reduced in CKD patients compared to healthy controls, it was positively correlated with two markers of vascular lesion : the number of EMP in serum, and the pulse wave velocity reflecting arterial stifness. This suggests that EPC can be mobilized in the circulation upon vessel injury, in spite of uremic toxicity, and maybe thanks to erythropoietin treatment in HD patients. In conclusion, uremic toxins induce endothelial dysfunction, assessed by increased endothelial oxidative stress and shedding of EMP, and reduce regeneration capacities of endothelium. They are probably key actors in cardio-vascular risk of CKD patients.

Les colicines sont des toxines protéiques sécrétées par Escherichia coli ou des espèces apparentées. Leur mécanisme d'action se décompose en plusieurs étapes impliquant des domaines structurellement distincts de la toxine : le domaine central interagit avec un récepteur spécifique de membrane externe, le domaine N-terminal est transloqué à travers la membrane externe via un translocateur, puis transite dans le périplasme et le domaine C-terminal porte l’activité létale. L’étape de transit des colicines dites du groupe A implique l'interaction du domaine N-terminal de la colicine avec les protéines du système Tol. Ce système est formé de cinq protéines : TolQ, TolR, TolA, TolB et Pal. Le système TonB, composé des protéines TonB, ExbB et ExbD, est quant à lui parasité par les colicines dites du groupe B. La combinaison de techniques in vivo et in vitro, nous a permis de mettre en évidence pour la première fois l’interaction d’une colicine avec la protéine TolQ. Nous avons également montré que le clivage protéolytique de la protéine TolA, une protéine clé du système Tol, contrôle les interactions séquentielles engagées entre les colicines du groupe A et les composants de leur machinerie d’import chez E. coli. La colicine interagit avec TolB, puis TolA et finalement avec TolR et/ou TolQ. Nous avons également pu attribuer un rôle à la protéase FtsH dans ce mécanisme de dégradation. Parallèlement, nous avons entrepris de caractériser la colicine TonB-dépendante appelée colicine M (ColM), la seule colicine connue à ce jour capable de perturber la synthèse de peptidoglycane et dont l’activité nécessite la présence de la protéine périplasmique FkpA, un chaperon possédant une activité peptidyl-prolyl isomérase. Nous avons proposé une nouvelle approche pour étudier la ColM et délimiter plus précisément ses domaines afin d’identifier la séquence minimale requise pour sa toxicité. Nous avons montré que dans E. coli, la production périplasmique de la ColM (sp-ColM) est toxique et que son activité dépend de FkpA. Le domaine minimal requis pour cette toxicité correspond aux 153 derniers acides aminés C-terminaux deColM. Contrairement à la ColM entière, la toxicité de ce domaine C-terminal dans le périplasme d’ E. coline requiert pas FkpA.L’ensemble des données montrent que les colicines sont capables de parasiter des systèmes bactériens pour pénétrer dans la cellule et aussi de détourner la fonction physiologique de certaines protéines pour atteindre leurs cibles. / Colicins are toxin proteins secreted by Escherichia coli or related bacteria species. The actionmechanism of the colicins can be divided into several steps that involve distinct structural domains: thebinding of its central domain to an outer membrane specific receptor, the translocation of its N-terminaldomain through the outer membrane, the transit of this same domain through the periplasm and the lethalactivity carried by the C-terminal domain. The transit step of the group A colicins requires the interactionof colicin N-terminal domain with the Tol system which is composed of five proteins: TolQ, TolR, TolA,TolB and Pal. The TonB system, composed of TonB, ExbB and ExbD, is parasitized by the group Bcolicins. Using a combination of in vitro and in vivo experiments, we identified for the first time aninteraction between a colicin and the TolQ protein. We have also shown that the proteolytic cleavage ofthe TolA protein, a key protein of the Tol system, controls the sequential interactions of the group Acolicins with the components of their import machinery in E. Coli and we assigned a role to FtsH proteasein this degradation mechanism. We defined that the colicin interacts first with the TolB protein, then withTolA, and finally with TolR and/or TolQ.In parallel, we undertook the characterization of the TonB-dependent colicin M (ColM), the only colicinknown to be able to disrupt the peptidoglycan synthesis and that requires for its toxic activity the presenceof FkpA, a chaperone and peptidyl propyl isomerase protein located in the periplasm. We proposed a newapproach to investigate the in vivo activity of ColM designed to identify the different domains of ColMand the minimal sequence that retains toxic activity. We have shown that in E. coli, the periplasmicproduction of ColM is toxic and that its activity is FkpA dependent. The minimal domain required fortoxicity corresponds to the C-terminal last 153 amino acids of ColM. Unlike the full-length protein, thisdomain produced in the E. coli periplasm does not require FkpA for toxic activity.All these data show that colicins are able to parasitize bacterial systems to enter the cell and also to divertthe physiological function of certain proteins to achieve their targets

Les venins animaux sont largement distribués à travers le monde, en particulier dans les régions tropicales et subtropicales. Les venins d'animaux sont utilisés comme un mécanisme de défense, d'immobilisation, et de digestion des proies dans la nature. Les venins sont des mélanges complexes des protéines enzymatiques et non enzymatiques avec de spécifiques fonctions physiopathologiques et les peptides des toxines isolés à partir de venins ciblent principalement les canaux ioniques, les récepteurs de la membrane et les composants du système hémostatique avec une affinité élevée. Les venins de serpents ont également été utilisés comme outils médicaux pour des milliers d'années en particulier dans la médecine traditionnelle chinoise. Par conséquent, les venins peuvent être considérés comme des bibliothèques de mini-drogues dans lesquelles chaque médicament est actif sur un plan pharmacologique. Toutefois, moins de 0,01% de ces toxines ont été identifiés et caractérisés. La nouvelle identification de la toxine se déroule généralement à partir d'un test de dépistage, soit in vivo ou sur une cible pharmacologique à intérêt industriel. Dans ce travail, nous criblons pour des composés bioactifs à partir du venin du serpent égyptien noir Walterinnesia aegyptia, qui est capable d'activer la motilité des spermatozoïdes in vitro chez des souris mâles OF1. / Venomous animals are widely distributed throughout the world especially in tropical and subtropical regions. Animal venoms are used as a defense mechanism or to immobilize and digest prey in nature. In fact, venoms are complex mixtures of enzymatic and non- enzymatic proteins components with specific pathophysiological functions. Toxin peptides isolated from animal venoms target mainly the ion channels, membrane receptors and components of the hemostatic system with high affinity. Snake venoms have also been used as medical tools for thousands of years especially in Chinese traditional medicine. Consequently, venoms can be considered as mini-drug libraries in which each drug is pharmacologically active. However, less than 0.01% of these toxins have been identified and characterized. New toxin identification generally proceeds from a screening test, either in vivo or on a pharmacological target of interest to the industry. Herein, we screened for bioactive compounds from the venom of the Egyptian black snake Walterinnesia aegyptia capable to activate sperm motility in vitro from male mice OF1.

Les vaccins des muqueuses s'administrent facilement et favorisent une immunité humorale et cellulaire au niveau des muqueuses. Ainsi, ils offrent une protection optimale contre les pathogènes envahissant par les muqueuses. Cependant, la mise sur le marché de nouveaux vaccins des muqueuses est entravée par le manque d'adjuvants des muqueuses efficaces et sans effets secondaires. La toxine cholérique (CT) est une entérotoxine à fort pouvoir adjuvant mais sa toxicité empêche son utilisation chez l'homme. En tant que modèle expérimental, elle a permis de comprendre l'importance de l'activité enzymatique et des récepteurs dans l'adjuvanticité. Notre travail se base sur l'observation que des doses sublétales de la toxine œdémateuse de Bacillus anthracis (EdTx) n'inhibent pas la réponse immune à des vaccins « nasaux » contenant CT comme adjuvant. Nous avons montré que les dérivés EdTx représentent une nouvelle classe d'adjuvants qui donnent des réponses systémiques et des muqueuses à des protéines vaccinales administrées par de multiples voies, notamment nasale. Contrairement à CT qui se fixe aux gangliosides, EdTx se fixe aux récepteurs des toxines de l'anthrax et ne cible pas les tissus du système nerveux central après administration nasale. Le facteur inné nerve growth factor intervient dans les réponses des muqueuses induites par CT mais n'affecte pas l'adjuvanticité d'EdTx in vivo. L'activité adjuvante d'EdTx implique aussi l'augmentation des fonctions de présentation de l'antigène. Enfin, nous avons montré qu'EdTx est un adjuvant efficace par les voies transcutanée et sublinguale, bien que les IgA des muqueuses ne soient induits qu'après immunisation sublinguale.

Helicobacter pylori est une bactérie qui infecte l'estomac de la moitié de la population mondiale et est impliquée dans la plupart des maladies gastriques, dont les ulcères et le cancer de l'estomac. La bactérie produit deux toxines, CagA et Tipα, qui sont associées avec le développement du cancer. CagA est injectée dans les cellules et interagit avec de nombreuses protéines des voies de signalisation cellulaire. Tipα est secrétée et internalisée dans les cellules gastriques où elle induit la production de cytokines pro-inflammatoires. Dans ce travail de thèse, nous avons tout d'abord étudié les interactions entre un domaine central de CagA et des protéines de H. pylori. Nous avons ensuite identifié de nouveaux fragments solubles de CagA par une méthodologie à ‘'haut-débit''. L'un d'eux, correspondant à l'extrémité C-terminale de la protéine de 33kDa, CagAC33, a été caractérisé par différentes techniques de biochimie et de biophysique. CagAC33 forme des dimères de dimères en solution et des particules en microscopie électronique. De plus, CagAC33 peut être phosphorylé in vitro par les kinases c-Src et c-Abl mais l'efficacité de la phosphorylation dépend de la kinase utilisée. L'étude de l'interaction entre la phosphatase SHP-2 et CagAC33 montre que CagA est dephosphorylée in vitro. Par ailleurs, les structures de deux formes cristallines de Tipα ont été déterminées par cristallographie aux rayons X. La structure du monomère de Tipα adopte un nouveau repliement, et la protéine forme des dimères différents dans les deux formes cristallines. L'étude de la protéine en solution indique qu'un des dimères est sans doute favorisé et suggère que les ponts disulfures identifiés en N-terminal ont un rôle durant la sécrétion de la protéine.

PARMI LES DIFFERENTES SOURCES NATURELLES DE COMPOSES BIOLOGIQUEMENT ACTIFS, LES VENINS REPRESENTENT, DE PAR LA GRANDE VARIETE DE LEURS CONSTITUANTS, UNE CIBLE DE CHOIX POUR LA RECHERCHE MEDICALE. LES TOXINES QU'ILS CONTIENNENT SONT VARIEES ET COMPRENDRE LEUR MODE D'ACTION DANS LE BUT DE SYNTHETISER DES ANALOGUES D'INTERET PHARMACOLOGIQUE PASSE PAR UNE DETERMINATION PRECISE DE LEUR STRUCTURE CHIMIQUE AVEC LA CONTRAINTE QUE LA FAIBLE QUANTITE DE MATERIEL GENERALEMENT DISPONIBLE REND L'ENSEMBLE DES PROCESSUS DE SEPARATION ET DE CARACTERISATION TRES DELICAT. C'EST DANS CE CONTEXTE QUE SE SITUE CETTE THESE DONT L'OBJECTIF A ETE DE METTRE AU POINT DE NOUVELLES STRATEGIES D'ANALYSE PAR SPECTROMETRIE DE MASSE A HAUTE RESOLUTION DE NOUVELLES TOXINES PEPTIDIQUES. CETTE THESE A PARTICULIEREMENT CIBLE L'ETUDE DE TOXINES PEPTIDIQUES DE CONES (MOLLUSQUES UTILISANT UN HARPON VENIMEUX POUR ATTEINDRE ET PARALYSE! R LEUR PROIE) ET DE SERPENTS. AU FINAL, LA SPECTROMETRIE DE MASSE A HAUTE RESOLUTION S'EST REVELEE COMME UN OUTIL TRES PUISSANT POUR LA CARACTERISATION DE PETITES TOXINES MODIFIEES PAR SES GRANDES CAPACITES EN TERMES DE PRECISION SUR LA MESURE DE MASSE MAIS AUSSI DANS L'ETUDE DE PLUS GROSSES TOXINES POUR LESQUELLES LA RECENTE TECHNIQUE DE DISSOCIATION PAR CAPTURE D'ELECTRON S'EST MONTREE DES PLUS PERFORMANTES.

No sabem quin nom serà emprat en la posteritat per a caracteritzar la nostra era però amb tota seguretat se la podria nomenar l'Era química, tal és el nombre de molècules sintetitzades per l'home que impregnen l'ambient que ens envolta en la nostra vida diària. Per això el nostre concepte de civilització moderna és inconcebible sense un entorn químic superimpost a l'entorn natural. Si la vida humana és millor gràcies a les nostres creacions químiques, o bé serà destruïda per elles, avui més que mai és una qüestió sense resposta (E. Pellegrino, 1976). Amb aquestes declaracions de Pellegrino, es posa de relleu que el propi home és capaç de provocar, a vegades inconscientment, canvis importants en el Medi Am bient, que alteren les repercussions que podríem conside rar "naturals"i els beneficis perseguits es converteixen moltes vegades en perjudicis. Entre ells, l'anomenada "contaminació ambiental" és la causa de trastorns sobre la nostra salut i origen de noves malalties. En aquesta Tesi s'estudien els efectes sobre l'organisme humà d'alguns d'aquestos agents contaminants, els nomenats electrofílics, que es troben abundantment repartits a l'atmosfera de les àrees industrials i urbanes, en molts ambients laborals, i sobre tot al fum del tabac. Aquestos compostos electrofílics són capaços, una vegada ingressats al nostre organisme, de formar enllaços covalents amb les cèl·lules i provocar en elles lesions irreversibles com a mutagènesi i carcinogènesi. Per agreujar més la situació, l'home disposa de sistemes enzimàtics capaços d'augmentar la toxicitat d'alguna d'aquestes substàncies, o inclus de convertir en tòxiques algunes que d'antuvi no ho eren.Sortosament el nostre organisme compta amb diferents mètodes de defensa contra aquestes agressions, entre els que s'hi troben els sistemes de metabolització que permeten eliminar aquestes substàncies el més ràpidament possible. Els compostos electrofílies segueixen majoritàriament la via metabòlica de la conjugació amb el glutation (GSH), mitjançant l'acció de les Glutation S-Transferasa (GST), la qual cosa priva la toxicitat d'aquests agents i facilita la seva excreció. Així doncs, aquest sistema Glutation-Glutation S-Transferasa té un paper clarament detoxificador i pro tector davant d'aquests compostos. El producte final d'aquesta conjugació és un tioèter inactiu, que s'elimina fàcilment per l'orina. Els tioèters seran, per tant, un reflex del grau d'exposició de l'organisme als compostos electrofílics però, a més, ens permetran diferenciar, a igualtat d'ex posició, la millor o pitjor capacitat de detoxificació de cada individu. De tot això es dedueix que, per a valorar la importància d'un contaminant, no és suficient quantificar la seva concentració ambiental, que és el que podríem nomenar "grau de contaminació externa", sinó que s'han de tenir en compte també les interaccions amb els sistemes biològics (metabolització) que poden modificar el compost inicial. D'aquestes interaccions s'obté el que coneixem com a "grau de contaminació interna" o real, que serà molt variable per a cada individu, i no necessàriament coincidirà amb la contaminació externa. Es per tot això que adquireixen tant de valor els no menats indicadors biològics, com a expressió molt fiable de la nomenada Exposició Interna. Els tioèters urinaris han de considerar-se com a indicadors biològics i incluir-se en els plans de monitorització de Salut Pública, com de fet ja passa a d'altres països. En primer lloc, caldrà una coordinació de les funcions de tots els professionals, com són: químics, fisiòlegs, farmacèutics, farmacòlegs, etc., sobrepassant inclus els límits de competències tradicionalment impostes. Existeixen diferents nivells d'actuació i distintes tasques per a tots, i només petits conflictes territorials i jurisdiccionals poden entorpir la bona coordinació d'aquests especialistes en el gran paper que els té reservat la Salut Pública. El farmacòleg, a part de la funció clàssica de descobrir i desenvolupar nous productes, ha de tenir també un paper preponderant en el control d'agents químics em prats en la ramaderia, agricultura i indústria. Ha de dependre d'ells també l'ensenyar i portar a terme treballs d'investigació bàsica, que permetin després, establir sistemes de vigilància i informació, a fi de què la utilització dels agents químics sigui racional. Per tant, allà on existeixi un problema d'interacció d'agents químics amb la vida, la presència del farmacòleg es fa indispensable i adquireix una gran significació social. (E. Pellegrino, 1976).