La P-glycoprotéine (P-gp) appartient à la famille des transporteurs ABC qui confèrent, aux microorganismes pathogènes et cellules tumorales humaines, par transport actif à travers la membrane plasmique, une résistance à de multiples molécules antibiotiques et anticancéreuses sans parenté structurale. Malgré les quelques structures de transporteurs ABC bactériens, la caractérisation par microscopie électronique de la P-gp, et la récente structure de P-gp de souris déposée dans la Protein Data Bank (PDB), obtenir une structure pour la P-gp humaine est d'un intérêt particulier à cause de son importance clinique. Actuellement, il n'existe pas de modèle structural d'interaction P-gp/substrat permettant d'expliquer sa multispécificité. Par modélisation par homologie, nous avons reconstruit trois structures de la Pgp humaine: une en présence et deux autres en absence de nucléotide. La liaison du nucléotide change l'accessibilité du transporteur de la face cytoplasmique vers la face extracellulaire. Ces trois états conformationnels ont été placés dans un environnement membranaire afin de révéler la localisation des mutations spécifiques altérant la liaison de la P-gp à certains médicaments. Enfin, nous avons réalisé une étude de docking sur deux structures modélisées de P-gp de Hamster dans les deux orientations. Ce docking a concerné trois molécules sans aucune ressemblance structurale (vérapamil, vinblastine et tentoxine) mais dont les fixations sont mutuellement soit compétitives, soit non-compétitives. Les meilleures poses obtenues sont compatibles avec l'existence de deux pharmacophores distincts pour la reconnaissance des drogues transportées par la P-gp.

Les transporteurs ABC constituent une famille de protéines membranaires qui assurent une fonction de transport, au travers des membranes cellulaires. Plusieurs ABC sont impliqués dans des physiopathologies humaines ou induisent des phénotypes de résistance. Ce manuscrit présente l'étude de l'expression de l'ensemble des ABC, par PCR quantitative, dans différents organes, ou en réponse à un traitement chez l'Homme et la souris. Nous avons étudié l'effet d'un traitement colchicine sur des lignées cellulaires humaines et des souris. Nous avons montré que ce traitement permettait d'induire l'expression de transporteurs ABC. Nous avons établi la première cartographie de l'expression des transporteurs ABC au cours du développement hépatique. Certains transporteurs absents du foie fœtal s'expriment après la naissance et jouent probablement un rôle dans la physiopathologie du foie adulte. A l'inverse l'expression de certains transporteurs s'éteint après la naissance, suggérant un rôle dans l'hématopoïèse. Nous avons mesuré l'expression des transporteurs ABC sur des biopsies de patients atteints de leucémies aiguës en corrélation avec leur sensibilité aux chimiothérapies. De façon intéressante, nous avons montré que des transporteurs jusqu'à présent non décrits dans la résistance pourraient contribuer à un mauvais pronostic. Enfin, nous avons étudié le transcritpome ABC dans les cellules souches humaines à différents stades de différenciation. Certains transporteurs pour lesquels nous observons des variations d'expression pourraient caractériser un état de différenciation et être impliqués dans l'auto-renouvellement ou la différentiation des cellules souches.

ABCB4 est un transporteur ABC spécialisé dans la sécrétion de phosphatidylcholine au niveau de la membrane canaliculaire des hépatocytes. Des variations du gène ABCB4 sont responsables de la cholestase intrahépatique familiale progressive de type 3 (PFIC3), une maladie rare, létale, qui progresse en cirrhose et insuffisance hépatique avant l'âge adulte. Nous avons étudié l'effet de la mutation I541F décrite chez un patient. Contrairement à la forme sauvage d'ABCB4 localisée à la membrane des canalicules biliaires dans les cellules HepG2 et à la surface apicale dans les cellules MDCK transfectées, le mutant I541F n'est pas replié correctement et s'accumule dans le réticulum endoplasmique (RE). Après transfert à 27°C, le mutant est exprimé à la surface apicale sous forme mature et active. La modulation des chaperonnes cellulaires calnexine et Hsc/Hsp70 ne restaure pas le trafic intracellulaire du mutant. La cyclosporine A augmente la maturation et l'expression à la membrane plasmique d'ABCB4-I541F, ce qui ouvre des perspectives de développer de nouvelles thérapies pour le traitement de la PFIC3. La seconde partie du travail a eu pour objectif de déterminer le rôle du domaine cytoplasmique N-terminal d'ABCB4, qui n'a pas d'homologie avec d'autres transporteurs ABC. Des délétions progressives de ce domaine ont permis d'identifier une séquence de 11 acides aminés nécessaire à la sortie du RE. Des mutations ponctuelles (T34M et R47G) identifiées chez des patients n'affectent pas la maturation ni le trafic, mais diminuent fortement l'activité d'ABCB4. Ces résultats montrent que le domaine N-terminal est nécessaire à la fois pour le trafic et l'activité d'ABCB4

La surexpression de pompes d'efflux par les cellules cancéreuses permet l'élimination d'agents cytotoxiques, induisant alors une résistance à la chimiothérapie. Trois transporteurs ABC sont principalement impliqués dans cette résistance : P-gp/ABCB1, MRP1-ABCC1 et BCRP/ABCG2. La surexpression des ces transporteurs peut également être le "talon d'Achille" des cellules cancéreuses résistantes en les sensibilisant à certains composés. Ce phénomène, appelé sensibilité collatérale, pourrait constituer un nouvel outil thérapeutique conter les les cancers intrinséquement ou rendus résistants en éliminant sélectivement les cellules cancéreuse résistances. Ainsi, le S-vérapamil provoque la mort sélective par apoptose des cellules surexprimant suite à l'extrusion rapide et massive du glutathion 5GSH) intracellulaire par MRP1. Nous avons démontré que le vérapamil est capable de dépléter s"lectivement de leur contenu en GSH les tumeurs de cancer du poumon H69AR, MRP1 positives et résistantes, dès 3 heures d'exposition aiguë. Le vérapamil étant fortemnt carditoxique, nous avons développé de nouveaux agents de sensibilité collatérale, plus sélectif que le vérapamil, comme le xanthone 9, le flavonoïde 36 et le dimère de flavonoïde 4e. Enfin, grâce à l'étude de chimères MRP1/MRP2, nous avons démontré que la région comprenant les boucles L0 et L1-TM12 pourrait constituter les sites modualteurs et substrat du GSH sur MRP1.

Les principaux transporteurs ABC et cytochromes P450 exprimés au niveau des microvaisseaux cérébraux chez l’homme sont l’ABCB1/P-gp, l’ABCG2/BCRP et le CYP1B1. Au niveau des organes périphériques, la régulation de l’expression de ces trois marqueurs fait intervenir des facteurs de transcription et notamment le récepteur aryl hydrocarbon (AhR). Or les transcrits d’AhR sont très exprimés au niveau des microvaisseaux cérébraux humains. Les travaux de cette thèse ont donc dans un premier temps été consacrés à l’étude de l’implication de la voie du récepteur Ah dans la régulation de l’expression de l’ABCB1, de l’ABCG2 et du CYP1B1 au niveau de la barrière hémato-encéphalique. In vivo, nous avons mis en évidence qu’un traitement aigu par la dioxine (ou TCDD), ligand puissant d’AhR, induisait l’expression génique et protéique du Cyp1b1 au niveau des microvaisseaux cérébraux de rats adultes Srague-Dawley. De même, in vitro, l’exposition au TCDD a fortement induit l’expression du CYP1B1 dans la lignée hCMEC/D3, un modèle in vitro de l’endothélium cérébral humain et le recours à la technique de l’ARN interférence nous a permis de démontrer que le récepteur Ah était impliqué dans les effets observés. En revanche, que ce soit in vivo ou in vitro, l’exposition au TCDD n’a entrainé aucune modification significative de l’expression de l’ABCB1 ou de l’ABCG2. Dans un second temps, nous avons étudié l’interrelation entre la voie AhR et les voies de réponse à l’hypoxie cellulaire. Les différentes expériences réalisées sur la lignée cellulaire hCMEC/D3 ont mis en évidence une interaction non réciproque entre ces deux voies de signalisation : en cas d’activation simultanée, la réponse à l’hypoxie abolit la réponse AhR tandis que l’activation de la voie AhR ne modifie pas la réponse adaptative à l’hypoxie. / ABCB1 (P-gp), ABCG2 (BCRP) and CYP1B1 are the main ABC transporters and cytochrome P450 enzymes expressed at the human blood-brain barrier (BBB). In peripheral tissue, expression of these proteins is regulated by transcription factors such as the aryl hydrocarbon receptor (AhR). Interestingly, high levels of AhR mRNA are detected in human brain microvessels. We therefore investigated the potential implication of AhR in the regulation of ABCB1, ABCG2 and CYP1B1 expression. In vivo, a single dose of TCDD, a highly potent AhR ligand, increased Cyp1b1 transcripts and protein expression in rat brain microvessels. Similarly, exposing hCMEC/D3 cells, an in vitro promising model of human BBB, to TCDD induced CYP1B1 expression. Using small interfering RNA, we established AhR involvement in TCDD effects. However, either in vivo or in vitro TCDD treatment had no effect on ABCB1 or ABCG2 expression. Next, we investigated the crosstalk between AhR and hypoxia signalling pathways in case of simultaneous activation. Our experiments revealed that a crosstalk between these two pathways effectively occurred in hCMEC/D3 cells: hypoxia inhibited AhR response but not the reverse.

La présence croissante de nanoparticules (NPs) dans les produits de la vie quotidienne (alimentation, médicaments, cosmétiques, textiles…) soulève de sérieuses inquiétudes quant à leurs potentiels effets nocifs pour la santé humaine. Les NPs de dioxyde de titane (TiO2) sont produites à l’échelle industrielle et peuvent déjà être trouvées dans plusieurs produits commerciaux tels que les peintures, les cosmétiques ou dans les systèmes de décontamination de l’eau ou de l’air. Dans le passé, les NPs de TiO2 étaient considérées comme inertes, mais, très récemment, l'Agence Internationale pour la Recherche sur le Cancer les a classées comme possiblement cancérogènes (groupe 2B) pour l’homme. De nombreuses études in vitro et in vivo ont démontré la potentielle neuro-toxicité des NPs de TiO2, mais très peu d'études se sont concentrées plus spécifiquement sur la barrière hémato-encéphalique (BHE), protégeant le cerveau. Aujourd'hui, en dépit des avancées constatées, la bio-cinétique et la bio-accumulation des NPs de TiO2 ainsi que les conséquences sur la physiologie de la barrière hémato-encéphalique (BHE) in vivo restent très peu documentées. De plus, dans l’évaluation du risque lié à l’exposition aux NPs, des facteurs de risque tel que l’âge ont jusqu’ici été quasiment ignorés. Dans ce contexte, l’objectif de ce projet est donc d’évaluer chez le rat adulte et âgé, l’impact d’une exposition aux NPs de TiO2 sur les fonctions de la BHE et sur le métabolisme cérébral. Nos résultats ont montré que les NPs de TiO2 s’accumulent dans certains organes et tissus (principalement dans les poumons, la rate et le foie) et ne sont pas distribuées au système nerveux central (SNC) que ce soit après injection intra-veineuse (IV) ou après une inhalation subaiguë à un nano-aérosol de TiO2. Après administration IV, une interaction directe entre NPs et les cellules endothéliales microvasculaires conduit à des altérations fonctionnelles au niveau de la BHE. Malgré l'absence de translocation vers le SNC, la bio-persistance du titane dans les organes périphériques semble être la cause de modulations de perméabilité de la BHE et d’une inflammation cérébrale. L'implication de médiateurs circulants faisant le lien entre la bio-persitance de titane dans les organes périphériques et les modulations observées au niveau cérébral a été démontré en utilisant un modèle in vitro de BHE. Une réponse exacerbée en termes de neuro-inflammation et de modulation de perméabilité de la BHE établit la vulnérabilité du cerveau âgé à la toxicité des NPs inhalées. Ces résultats ont démontré que malgré l'absence de translocation cérébrale, l'exposition aux NPs de TiO2 induit des altérations fonctionnelles de la BHE et une neuro-inflammation qui pourraient conduire à des troubles neurologiques. L’identification des médiateurs et la description des effets neurotoxiques restent encore à préciser. / The overwhelming presence of nanoparticles (NPs) in products including foods, medications, cosmetics, or textiles raises serious concerns about their potential harmful effects on human health. In the wide diversity of NPs, titanium dioxide (TiO2) NPs are among those produced on a large industrial scale and can already be found in several commercial products such as paints, cosmetics or in environmental decontamination systems. In the past, TiO2 NPs was considered inert, but, very recently, the International Agency for Research in Cancer (IARC) has classified TiO2 as possibly carcinogenic (group 2B) to human beings. Numerous in vitro and in vivo studies have shown the potential neuro-toxicity of TiO2 NPs, but very few studies focus on the central nervous system (CNS), Nowadays, notwithstanding the reported advances, the biokinetic and bioaccumulation ofTiO2 NPs and the consequences on the physiology of the blood-brain barrier (BBB) in vivo are unknown. In addition, NPs effect on susceptible population such as the elderly have been mostly ignored. In this context, the target of the present studies is to evaluate the in vivo impact of exposure to NPs on the BBB physiology and brain inflammation which could promote neurotoxicity in young adults and aging. Our results have shown that TiO2 NPs bioaccumulate in organs and tissues (lungs, spleen and liver especially) and don’t translocate to the brain either after IV or subacute inhalation exposure. In IV administration case, the direct interaction between NPs and brain endothelial cells induces BBB functional alterations. Despite the lack of CNS translocation, the biopersistence of titanium in peripheral organs may be indirectly the cause of BBB permeability alteration and brain inflammation. The involvement of circulating mediators linking titanium biopersitence in peripheral organs and brain impact has been demonstrated using an in vitro BBB model. An exacerbated response in term of neuro-inflammation and BBB permeability modulation has established the vulnerability of the aging brain to inhaled NPs toxicity. Taken together, our findings demonstrated that despite lack of brain translocation, exposure to TiO2 NPs induce BBB physiology alteration and neuro-inflammation that may lead to CNS disorders. Thereafter, identification of mediators and description of the neurotoxic effects may complete the assessment of the impact of TiO2 NPs exposure on the brain.

La barrière hémato-encéphalique (BHE) est une barrière physique qui sépare le sang du parenchyme cérébral. Dues à ses propriétés, la BHE est très sélective et peu perméable. Les cellules qui la composent sont dotées de différents mécanismes de transport adaptés au besoin du système nerveux central (SNC). Jusqu'à présent, l'état de la BHE dans la pathologie Alzheimer a été peu étudié, mais certains indices supposent qu'elle puisse réguler le transport de molécules pathologiques dont le peptide β-amyloïde (Aβ). Nos premiers résultats concernant l'étude de la perméabilité de la BHE suggèrent une diminution du volume vasculaire cérébrale (VvaSc) chez le modèle de souris triple transgéniques (3xTgAD). Notre seconde étude démontre que les protéines ATP-binding cassettes (ABC) pourraient jouer un rôle dans l'efflux du peptide Aβ lors de la maladie d'Alzheimer (MA). Finalement, notre dernière étude suggère que les anticorps monoclonaux (mAb) pourraient servir de vecteurs à la libération de médicament au niveau cérébral

La surexpression de pompes d’efflux par les cellules cancéreuses permet l’élimination d’agents cytotoxiques, induisant alors une résistance à la chimiothérapie. Trois transporteurs ABC sont principalement impliqués dans cette résistance : ABCB1 (aussi appelé P-gp), ABCC1 (ou MRP1) et ABCG2 (ou BCRP, MXR, ABCP). Du fait de leur implication dans le phénotype de « MultiDrug Resistance », il est essentiel de mieux comprendre le fonctionnement de ces transporteurs. Une étude par mutagenèse dirigée a montré que les boucles intracellulaires, ICL0 et ICL1 sont impliquées dans le transport des substrats. Deux résidus sont particulièrement intéressants : W379 qui agirait comme un filtre des substrats ; et H457 qui participerait à la reconnaissance ou à la fixation des substrats. Par ailleurs, il est important de moduler cette chimiorésistance. Dans ce contexte nous avons développé une nouvelle classe d’inhibiteurs d’ABCB1 et ABCG2 non compétitifs basés sur un motif dipeptidique. Les composés les plus efficaces, CT1347 pour ABCB1 et CT1364 pour ABCG2, s’avèrent, d’une part peu ou pas cytotoxiques à fortes concentrations, abolissent d’autre part la résistance induite par ABCB1 ou ABCG2 et se comportent comme des inhibiteurs non compétitifs du Hoechst 33342 et de la daunorubicine. De plus, CT1364 inhibe l’activité ATPasique d’ABCG2 et induit une diminution rapide de l’expression de la protéine. Enfin, les 1ers tests in vivo de ce composé montrent que l’association avec l’irinotécan ralentit la croissance des xénogreffes de petite taille chez des souris / Resistance to chemotherapy is partly due to efflux pumps expressed in the plasma membrane which prevent the accumulation of anticancer drugs in the tumour cells. Three human ATP-binding Cassette (ABC) transporters are particularly involved in this phenotype: P-gp/ABCB1, MRP1/ABCC1, and the last discovered BCRP/ABCG2. Because of their involvement in chemoresistance, it is critical to understand the mechanism by which those ABC transporters recognize and transport drugs. The mutagenesis study of the intracellular loops, ICL0 and 1 shows that these loops are involved in this mechanism. Two amino acids were particularly remarkable: W379 which act as a substrate filter and H457 which can be involved in substrate recognition and binding. In order to restore the cancer cell sensitivity to chemotherapeutic drugs, we have developed a new class of peptide inhibitors, specific to one transporter. A structure-activity relationship study has been performed and made it possible to develop a second generation of molecules. The most efficient compound inhibiting ABCB1 (CT1347) or ABCG2 (CT1364) have none or limitated cytotoxic effects. These compounds restore the activity of chemotherapeutic drugs and act as non competitive inhibitors. Moreover, CT1364 inhibits the ATP hydrolysis activity and lead to a rapid reduction of ABCG2 expression. Initial in vivo tests that have been carried out with CT1364 associated with irinotecan allow to observe a growth reduction of small mice xenografts

En raison de leur résistance aux agents chimiothérapeutiques, les transporteurs ABC de phénotype MDR ont attiré l'attention de la communauté scientifique. Notre projet vise à trouver des conditions dans lesquelles les transporteurs ABC restent fonctionnels en solution pour aboutir à la cristallisation de ces protéines dans une conformation active. Dans ce but, nous avons conçu et développé une nouvelle classe de détergents, à base de calix[4]arène, qui stabilisent ces protéines. Afin de résoudre la structure 3D à résolution atomique du transporteur ABC bactérien "BmrA", responsable de la résistance aux antibiotiques, nous avons utilisé une approche classique utilisant des détergents commerciaux en parallèle à nos détergents innovants. En présence de la Foscholine 12, nous avons obtenu des cristaux diffractant jusqu’à 5 Å de résolution. Cependant, les données de diffraction n’étaient pas suffisantes pour déterminer la structure tridimensionnelle complète de la protéine, seuls les domaines transmembranaires ont été résolus. D'autre part, nous avons atteint l'objectif de l'extraction, la purification et la stabilisation de ce transporteur à l'aide des détergents à base de calix [4] arène. Nous avons également montré que ces détergents promeuvent et améliorent la cinétique de cristallisation de BmrA, une étape que nous sommes en train d’optimiser, pour obtenir des cristaux de meilleure résolution, pour résoudre la structure 3D de BmrA qui sera utilisé pour concevoir des inhibiteurs adaptés / Due to their preponderance in the resistance to chemotherapies, the MDR ABC transporters have drawn the attention of the scientific community. Our project aimed at finding conditions in which ABC transporters are active in solution to lead the crystallization of these proteins in an active conformation. In this purpose, we conceived and developed a new class of detergents, based on calix[4]arene ring, that stabilize these proteins. In order to solve the 3D-structure to atomic resolution of bacterial ABC transporter “BmrA” responsible for antibiotic resistance, we used a classical approach with commercial detergents in addition to the innovative ones. We have crystallized the protein in presence of Foscholine 12 with a diffraction resolution up to 5 Å. The data was incomplete; solving partially the structure of the transmembrane domains. On the other hand, we have reached the objective of extraction, purification and stabilization of this transporter by using calix[4]arene-based detergents. We have also shown that these detergents promote and enhance the kinetics of crystallization of BmrA, a step that we are improving, to get crystals of better resolution, for resolving the BmrA 3D-structure which will be used to design adapted inhibitors

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