Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

Conservation of the Eurasian Lynx (Lynx lynx) in a fragmented landscape - habitat models, dispersal and potential distribution

Abstract: The expansion of a recovering population - whether re-introduced or spontaneously returning - is shaped by (i) biological (intrinsic) factors such as the land tenure system or dispersal, (ii) the distribution and availability of resources (e.g. prey), (iii) habitat and landscape features, and (iv) human attitudes and activities. In order to develop efficient conservation and recovery strategies, we need to understand all these factors and to predict the potential distribution and explore ways to reach it. An increased number of lynx in the north-western Swiss Alps in the nineties lead to a new controversy about the return of this cat. When the large carnivores were given legal protection in many European countries, most organizations and individuals promoting their protection did not foresee the consequences. Management plans describing how to handle conflicts with large predators are needed to find a balance between "overabundance" and extinction. Wildlife and conservation biologists need to evaluate the various threats confronting populations so that adequate management decisions can be taken. I developed a GIS probability model for the lynx, based on habitat information and radio-telemetry data from the Swiss Jura Mountains, in order to predict the potential distribution of the lynx in this mountain range, which is presently only partly occupied by lynx. Three of the 18 variables tested for each square kilometre describing land use, vegetation, and topography, qualified to predict the probability of lynx presence. The resulting map was evaluated with data from dispersing subadult lynx. Young lynx that were not able to establish home ranges in what was identified as good lynx habitat did not survive their first year of independence, whereas the only one that died in good lynx habitat was illegally killed. Radio-telemetry fixes are often used as input data to calibrate habitat models. Radio-telemetry is the only way to gather accurate and unbiased data on habitat use of elusive larger terrestrial mammals. However, it is time consuming and expensive, and can therefore only be applied in limited areas. Habitat models extrapolated over large areas can in turn be problematic, as habitat characteristics and availability may change from one area to the other. I analysed the predictive power of Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) in Switzerland with the lynx as focal species. According to my results, the optimal sampling strategy to predict species distribution in an Alpine area lacking available data would be to pool presence cells from contrasted regions (Jura Mountains, Alps), whereas in regions with a low ecological variance (Jura Mountains), only local presence cells should be used for the calibration of the model. Dispersal influences the dynamics and persistence of populations, the distribution and abundance of species, and gives the communities and ecosystems their characteristic texture in space and time. Between 1988 and 2001, the spatio-temporal behaviour of subadult Eurasian lynx in two re-introduced populations in Switzerland was studied, based on 39 juvenile lynx of which 24 were radio-tagged to understand the factors influencing dispersal. Subadults become independent from their mothers at the age of 8-11 months. No sex bias neither in the dispersal rate nor in the distance moved was detected. Lynx are conservative dispersers, compared to bear and wolf, and settled within or close to known lynx occurrences. Dispersal distances reached in the high lynx density population - shorter than those reported in other Eurasian lynx studies - are limited by habitat restriction hindering connections with neighbouring metapopulations. I postulated that high lynx density would lead to an expansion of the population and validated my predictions with data from the north-western Swiss Alps where about 1995 a strong increase in lynx abundance took place. The general hypothesis that high population density will foster the expansion of the population was not confirmed. This has consequences for the re-introduction and recovery of carnivores in a fragmented landscape. To establish a strong source population in one place might not be an optimal strategy. Rather, population nuclei should be founded in several neighbouring patches. Exchange between established neighbouring subpopulations will later on take place, as adult lynx show a higher propensity to cross barriers than subadults. To estimate the potential population size of the lynx in the Jura Mountains and to assess possible corridors between this population and adjacent areas, I adapted a habitat probability model for lynx distribution in the Jura Mountains with new environmental data and extrapolated it over the entire mountain range. The model predicts a breeding population ranging from 74-101 individuals and from 51-79 individuals when continuous habitat patches < 50 km2 are disregarded. The Jura Mountains could once be part of a metapopulation, as potential corridors exist to the adjoining areas (Alps, Vosges Mountains, and Black Forest). Monitoring of the population size, spatial expansion, and the genetic surveillance in the Jura Mountains must be continued, as the status of the population is still critical. ENFA was used to predict the potential distribution of lynx in the Alps. The resulting model divided the Alps into 37 suitable habitat patches ranging from 50 to 18,711 km2, covering a total area of about 93,600 km2. When using the range of lynx densities found in field studies in Switzerland, the Alps could host a population of 961 to 1,827 residents. The results of the cost-distance analysis revealed that all patches were within the reach of dispersing lynx, as the connection costs were in the range of dispersal cost of radio-tagged subadult lynx moving through unfavorable habitat. Thus, the whole Alps could once be considered as a metapopulation. But experience suggests that only few disperser will cross unsuitable areas and barriers. This low migration rate may seldom allow the spontaneous foundation of new populations in unsettled areas. As an alternative to natural dispersal, artificial transfer of individuals across the barriers should be considered. Wildlife biologists can play a crucial role in developing adaptive management experiments to help managers learning by trial. The case of the lynx in Switzerland is a good example of a fruitful cooperation between wildlife biologists, managers, decision makers and politician in an adaptive management process. This cooperation resulted in a Lynx Management Plan which was implemented in 2000 and updated in 2004 to give the cantons directives on how to handle lynx-related problems. This plan was put into practice e.g. in regard to translocation of lynx into unsettled areas. Résumé: L'expansion d'une population en phase de recolonisation, qu'elle soit issue de réintroductions ou d'un retour naturel dépend 1) de facteurs biologiques tels que le système social et le mode de dispersion, 2) de la distribution et la disponibilité des ressources (proies), 3) de l'habitat et des éléments du paysage, 4) de l'acceptation de l'espèce par la population locale et des activités humaines. Afin de pouvoir développer des stratégies efficaces de conservation et de favoriser la recolonisation, chacun de ces facteurs doit être pris en compte. En plus, la distribution potentielle de l'espèce doit pouvoir être déterminée et enfin, toutes les possibilités pour atteindre les objectifs, examinées. La phase de haute densité que la population de lynx a connue dans les années nonante dans le nord-ouest des Alpes suisses a donné lieu à une controverse assez vive. La protection du lynx dans de nombreux pays européens, promue par différentes organisations, a entraîné des conséquences inattendues; ces dernières montrent que tout plan de gestion doit impérativement indiquer des pistes quant à la manière de gérer les conflits, tout en trouvant un équilibre entre l'extinction et la surabondance de l'espèce. Les biologistes de la conservation et de la faune sauvage doivent pour cela évaluer les différents risques encourus par les populations de lynx, afin de pouvoir rapidement prendre les meilleuresmdécisions de gestion. Un modèle d'habitat pour le lynx, basé sur des caractéristiques de l'habitat et des données radio télémétriques collectées dans la chaîne du Jura, a été élaboré afin de prédire la distribution potentielle dans cette région, qui n'est que partiellement occupée par l'espèce. Trois des 18 variables testées, décrivant pour chaque kilomètre carré l'utilisation du sol, la végétation ainsi que la topographie, ont été retenues pour déterminer la probabilité de présence du lynx. La carte qui en résulte a été comparée aux données télémétriques de lynx subadultes en phase de dispersion. Les jeunes qui n'ont pas pu établir leur domaine vital dans l'habitat favorable prédit par le modèle n'ont pas survécu leur première année d'indépendance alors que le seul individu qui est mort dans l'habitat favorable a été braconné. Les données radio-télémétriques sont souvent utilisées pour l'étalonnage de modèles d'habitat. C'est un des seuls moyens à disposition qui permette de récolter des données non biaisées et précises sur l'occupation de l'habitat par des mammifères terrestres aux moeurs discrètes. Mais ces méthodes de- mandent un important investissement en moyens financiers et en temps et peuvent, de ce fait, n'être appliquées qu'à des zones limitées. Les modèles d'habitat sont ainsi souvent extrapolés à de grandes surfaces malgré le risque d'imprécision, qui résulte des variations des caractéristiques et de la disponibilité de l'habitat d'une zone à l'autre. Le pouvoir de prédiction de l'Analyse Ecologique de la Niche (AEN) dans les zones où les données de présence n'ont pas été prises en compte dans le calibrage du modèle a été analysée dans le cas du lynx en Suisse. D'après les résultats obtenus, la meilleure mé- thode pour prédire la distribution du lynx dans une zone alpine dépourvue d'indices de présence est de combiner des données provenant de régions contrastées (Alpes, Jura). Par contre, seules les données sur la présence locale de l'espèce doivent être utilisées pour les zones présentant une faible variance écologique tel que le Jura. La dispersion influence la dynamique et la stabilité des populations, la distribution et l'abondance des espèces et détermine les caractéristiques spatiales et temporelles des communautés vivantes et des écosystèmes. Entre 1988 et 2001, le comportement spatio-temporel de lynx eurasiens subadultes de deux populations réintroduites en Suisse a été étudié, basé sur le suivi de 39 individus juvéniles dont 24 étaient munis d'un collier émetteur, afin de déterminer les facteurs qui influencent la dispersion. Les subadultes se sont séparés de leur mère à l'âge de 8 à 11 mois. Le sexe n'a pas eu d'influence sur le nombre d'individus ayant dispersés et la distance parcourue au cours de la dispersion. Comparé à l'ours et au loup, le lynx reste très modéré dans ses mouvements de dispersion. Tous les individus ayant dispersés se sont établis à proximité ou dans des zones déjà occupées par des lynx. Les distances parcourues lors de la dispersion ont été plus courtes pour la population en phase de haute densité que celles relevées par les autres études de dispersion du lynx eurasien. Les zones d'habitat peu favorables et les barrières qui interrompent la connectivité entre les populations sont les principales entraves aux déplacements, lors de la dispersion. Dans un premier temps, nous avons fait l'hypothèse que les phases de haute densité favorisaient l'expansion des populations. Mais cette hypothèse a été infirmée par les résultats issus du suivi des lynx réalisé dans le nord-ouest des Alpes, où la population connaissait une phase de haute densité depuis 1995. Ce constat est important pour la conservation d'une population de carnivores dans un habitat fragmenté. Ainsi, instaurer une forte population source à un seul endroit n'est pas forcément la stratégie la plus judicieuse. Il est préférable d'établir des noyaux de populations dans des régions voisines où l'habitat est favorable. Des échanges entre des populations avoisinantes pourront avoir lieu par la suite car les lynx adultes sont plus enclins à franchir les barrières qui entravent leurs déplacements que les individus subadultes. Afin d'estimer la taille de la population de lynx dans le Jura et de déterminer les corridors potentiels entre cette région et les zones avoisinantes, un modèle d'habitat a été utilisé, basé sur un nouveau jeu de variables environnementales et extrapolé à l'ensemble du Jura. Le modèle prédit une population reproductrice de 74 à 101 individus et de 51 à 79 individus lorsque les surfaces d'habitat d'un seul tenant de moins de 50 km2 sont soustraites. Comme des corridors potentiels existent effectivement entre le Jura et les régions avoisinantes (Alpes, Vosges, et Forêt Noire), le Jura pourrait faire partie à l'avenir d'une métapopulation, lorsque les zones avoisinantes seront colonisées par l'espèce. La surveillance de la taille de la population, de son expansion spatiale et de sa structure génétique doit être maintenue car le statut de cette population est encore critique. L'AEN a également été utilisée pour prédire l'habitat favorable du lynx dans les Alpes. Le modèle qui en résulte divise les Alpes en 37 sous-unités d'habitat favorable dont la surface varie de 50 à 18'711 km2, pour une superficie totale de 93'600 km2. En utilisant le spectre des densités observées dans les études radio-télémétriques effectuées en Suisse, les Alpes pourraient accueillir une population de lynx résidents variant de 961 à 1'827 individus. Les résultats des analyses de connectivité montrent que les sous-unités d'habitat favorable se situent à des distances telles que le coût de la dispersion pour l'espèce est admissible. L'ensemble des Alpes pourrait donc un jour former une métapopulation. Mais l'expérience montre que très peu d'individus traverseront des habitats peu favorables et des barrières au cours de leur dispersion. Ce faible taux de migration rendra difficile toute nouvelle implantation de populations dans des zones inoccupées. Une solution alternative existe cependant : transférer artificiellement des individus d'une zone à l'autre. Les biologistes spécialistes de la faune sauvage peuvent jouer un rôle important et complémentaire pour les gestionnaires de la faune, en les aidant à mener des expériences de gestion par essai. Le cas du lynx en Suisse est un bel exemple d'une collaboration fructueuse entre biologistes de la faune sauvage, gestionnaires, organes décisionnaires et politiciens. Cette coopération a permis l'élaboration du Concept Lynx Suisse qui est entré en vigueur en 2000 et remis à jour en 2004. Ce plan donne des directives aux cantons pour appréhender la problématique du lynx. Il y a déjà eu des applications concrètes sur le terrain, notamment par des translocations d'individus dans des zones encore inoccupées.

Qualité de l'air intérieur dans les écoles et toxicité potentielle des particules en suspension

Les collectivités d'enfants, comme les écoles, mettent en contact de nombreuses personnes dans un espace restreint. Cette proximité peut favoriser la transmission croisée de micro-organismes infectieux. Les épidémies de varicelle, conjonctivite virale, rougeole et gastro-entérite, et la transmission de parasites comme les poux sont fréquentes dans les établissements scolaires et affectent les enfants et le personnel encadrant dont les enseignants. Ce risque professionnel est souvent négligé car considéré comme inévitable. À côté des risques infectieux, d'autres risques liés à des micro-organismes environnementaux et à leurs constituants comme les endotoxines peuvent exister. Ainsi, des études ont montré que les concentrations aéroportées de particules à l'intérieur des classes d'école étaient plus élevées qu'à l'extérieur (1) et que leur composition chimique était différente (2). Plusieurs études épidémiologiques ont montré un lien clair entre l'exposition à des particules et différents problèmes de santé notamment des problèmes respiratoires et cardiaques. Cette exposition à des particules en suspension dans l'air peut avoir des effets toxiques sur les cellules épithéliales des voies respiratoires. Deux études récentes menées dans des écoles et portant sur les particules aéroportées sont analysées ci-dessous. La première étude a évalué les effets biologiques in vitro de particules collectées dans des classes d'écoles en Allemagne et la seconde étude a mesuré les concentrations aéroportées de différents indicateurs de la qualité de l'air dont les micro-organismes dans des écoles au Portugal.

Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

Molecular genetics of narcolepsy

1 Abstract Sleep is a vital necessity, yet its basic physiological function is still unknown, despite numerous studies both in healthy humans and animal models. The study of patients with sleep disorders may help uncover major biological pathways in sleep regulation and thus shed light on the actual function of sleep. Narcolepsy is a well defined but rare sleep disorder characterized by excessive daytime sleepiness and cataplexy, thought to be caused by a combination of genetic and environmental factors. The aim of this work was to identify genes or genetic variants, which contribute to the pathogenesis of sporadic and familial narcolepsy. Sporadic narcolepsy is the disorder with the strongest human leukocyte antigen (HLA) association ever reported. Since the associated HLA-DRB1 *1501-DQB1 *0602 haplotype is common in the general population (15-25%), it has been suggested that it is necessary but not sufficient for developing narcolepsy. To further define the genetic basis of narcolepsy risk, we performed a genome-wide association study (GWAS) in 562 European individuals with narcolepsy (cases) and 702 ethnically matched controls, with independent replication in 370 cases and 495 controls, all heterozygous for DRB1*1501-DQB1*0602. We found association with a protective variant near HLA-DQA2. Further analysis revealed that the identified SNP is strongly linked to DRB1*03-DQB1*02 and DRBΠ 301-DQB1*0603. Cases almost never carried a trans DRB1*1301-DQB1*0603 haplotype. This unexpected protective HLA haplotype suggests a causal involvement of the HLA region in narcolepsy susceptibility. Familial cases of narcolepsy account for 10% of all narcolepsy cases. However, due to low number of affected family members, narcolepsy families are usually not eligible for genetic linkage studies. We identified and characterized a large Spanish family with 11 affected family members representing the largest ever reported narcolepsy family. We ran a genetic linkage analysis using DNA of 11 affected and 15 unaffected family members and hereby identified a chromosomal candidate region on chromosome 6 encompassing 163 kb with a maximum multipoint LOD score of 5.02. The coding sequences of 4 genes within this haplotype block as well as 2 neighboring genes were screened for pathogenetic mutations in 2 affected and 1 healthy family members. So far no pathogenic mutation could be identified. Further in-depth sequencing of our candidate region as well as whole genome exome sequencing are underway to identify the pathogenic mutation(s) in this family and will further improve our understanding of the genetic basis of narcolepsy. 2 Résumé Le sommeil est un processus vital, dont la fonction physiologique est encore inconnue, malgré de nombreuses études chez des sujets humains sains ainsi que dans des modèles animaux. L'étude de patients souffrant de troubles du sommeil peut permettre la découverte de voies biologiques jouant un rôle majeur dans la régulation du sommeil. L'un de ces troubles, la narcolepsie, est une maladie rare mais néanmoins bien définie, caractérisée par une somnolence diurne excessive accompagnée de cataplexies. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Le but du présent travail était d'identifier !e(s) gène(s) ou les polymorphismes constituant des facteurs de risque dans les formes sporadique et familiale de narcolepsie. La narcolepsie sporadique est la maladie possédant la plus forte association avec le complexe majeur d'histocompatibilité humain (HLA) jamais reportée. La fréquence au sein de la population générale de l'haplotype associé HLA-DRB1*1501- DQB1*0602 (15-25%) suggère que ce dernier est nécessaire, mais pas suffisant, pour (e développement de la maladie. Nous avons voulu approfondir la recherche de facteurs génétiques augmentant le risque de la narcolepsie. A cette fin, nous avons entrepris une étude d'association à l'échelle du génome (genome-wide association study, GWAS) parmi 562 sujets narcoleptiques européens (cas) et 702 individus contrôle de même origine ethnique et nous avons trouvé une association avec un variant protecteur près du gène HLA- DQA2. Ce résultat a été répliqué indépendamment dans 370 cas et 495 contrôles, tous hétérozygotes au locus DRB1*1501-DQB1*0602. Une analyse plus fine montre que le polymorphisme identifié est fortement lié aux allèles DRB1*03-DQB1*02 et DRB1*1301-DQB1*0603. Nous notons que seul un cas était porteur d'un haplotype en trans DRB1*1301-DQBr0603. La découverte de cet allele HLA protecteur suggère que la région HLA joue un rôle causal dans la susceptibilité à la narcolepsie. Dix pourcents des cas de narcolepsie sont familiaux. Cependant, le faible nombre de membres affectés rend ces familles inéligibles pour des études de liaison génétique. Nous avons identifié et caractérisé une grande famille espagnole, dont 11 membres sont atteints par la maladie, ce qui représente la plus grande famille narcoleptique rapportée jusqu'à ce jour. A partir de l'ADN de 11 membres atteints et 15 non- atteints, nous avons identifié par étude de liaison une région candidate de 163 kîlobases (kb) sur le chromosome 6, correspondant à un LOD score multipoints de 5.02. Nous avons cherché, sans succès, des mutations pathogéniques dans la séquence codante de deux gènes situés à l'intérieur de ce segment, ainsi que 4 gènes adjacents. Un séquençage plus approfondi de la région ainsi que le séquençage des exons de tout le génome est en cours et doit s'avérer plus fructueux et révéler la ou tes mutation(s) pathogénique(s) dans cette famille, ce qui contribuerait à une meilleure compréhension des causes génétiques de la narcolepsie. 3 Résumé pour un large public Le sommeil est une nécessité vitale, dont le rôle physiologique exact reste inconnu malgré de nombreuses études sur des sujets humains sains ainsi que sur des modèles animaux. C'est pourquoi les troubles du sommeil intéressent les chercheurs, car l'élucidation des mécanismes responsables peut permettre de mieux comprendre le fonctionnement du sommeil normal. La narcolepsie est une maladie du sommeil caractérisée par une somnolence diurne excessive. Les personnes atteintes peuvent s'endormir involontairement à tout moment de la journée, et souffrent également de pertes du tonus musculaire (cataplexie) lors de fortes émotions, par exemple un fou rire. La narcolepsie est une maladie rare, apparaissant dans 1 personne sur 2000. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Nous avons voulu identifier les facteurs génétiques influençant le déclenchement de la maladie, d'abord dans sa forme sporadique, puis dans une famille comptant de nombreux membres atteints. En comparant les variations génétiques de près de 1000 sujets narcoleptiques européens avec ceux de 1200 individus sains, nous avons trouvé chez 30% de ces derniers un variant protecteur, qui diminue de 50 fois le risque de développer la maladie, ce qui constitue le plus puissant facteur génétique protecteur décrit à ce jour. Nous avons ensuite étudié une grande famille espagnole comptant une trentaine de membres, dont 11 sont atteints de narcolepsie. De nouveau, nous avons comparé les variations génétiques des membres atteints avec ceux des membres sains. Nous avons ainsi pu identifier une région dans le génome où se trouverait le(s) gène(s) impliqué(s) dans la maladie dans cette famille, mais n'avons pas encore trouvé le(s) variant(s) exact(s). Une étude plus approfondie devrait permettre de P(les) identifier et ainsi contribuer à l'élucidation des mécanismes menant au développement de la narcolepsie.

Mechanisms of interaction of therapeutic nanoparticles with cells

Nanoparticles (NPs) have gained a lot of interest in recent years due to their huge potential for applications in industry and medicine. Their unique properties offer a large number of attractive possibilities in the biomedical field, providing innovative tools for diagnosis of diseases and for novel therapies. Nevertheless, a deep understanding of their interactions with living tissues and the knowledge about their possible effects in the human body are necessary for the safe use of nanoparticulate formulations. The aim of this PhD project was to study in detail the interactions of therapeutic NPs with living cells, including cellular uptake and release, cellular localization and transport across the cell layers. Moreover, the effects of NPs on the cellular metabolic processes were determined using adapted in vitro assays. We evaluated the biological effect of several NPs potentially used in the biomedical field, including titanium dioxide (Ti02) NPs, 2-sized fluorescent silica NPs, ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) NPs, either uncoated or coated with oleic acid or with polyvinylamine (aminoPVA) and poly(lactic-co-glycolic acid) - polyethylene-oxide (PLGA-PEO) NPs. We have found that the NPs were internalized by the cells, depending on their size, chemical composition, surface coating and also depending on the cell line considered. The uptake of aminoPVA-coated USPIO NPs by endothelial cells was enhanced in the presence of an external magnetic field. None of the tested USPIO NPs and silica NPs was transported across confluent kidney cell layers or brain endothelial cell layers, even in the presence of a magnetic field. However, in an original endothelium-glioblastoma barrier model which was developed, uncoated USPIO NPs were directly transferred from endothelial cells to glioblastoma cells. Following uptake, Ti02 NPs and uncoated USPIO NPs were released by the kidney cells, but not by the endothelial cells. Furthermore, these NPs induced an oxidative stress and autophagy in brain endothelial cells, possibly associated with their enhanced agglomeration in cell medium. A significant DNA damage was found in brain endothelial cells after their exposure to TiO2NPs. Altogether these results extend the existing knowledge about the effects of NPs on living cells with regard to their physicochemical characteristics and provide interesting tools for further investigation. The development of the in vitro toxicological assays with a special consideration for risk evaluation aims to reduce the use of animal experiments. -Les nanoparticules (NPs) présentent beaucoup d'intérêt dans le domaine biomédical et industriel. Leurs propriétés uniques offrent un grand nombre de possibilités de solutions innovantes pour le diagnostique et la thérapie. Cependant, pour un usage sûr des NPs il est nécessaire d'acquérir une connaissance approfondie des mécanismes d'interactions des NPs avec les tissus vivants et de leur effets sur le corps humain. Le but de ce projet de thèse était d'étudier en détail les mécanismes d'interactions de NPs thérapeutiques avec des cellules vivantes, en particulier les mécanismes d'internalisation cellulaire et leur subséquente sécrétion par les cellules, leur localisation cellulaire, leur transport à travers des couches cellulaires, et l'évaluation des effets de NPs sur le métabolisme cellulaire, en adaptant les méthodes existante d'évaluation cyto-toxico logique s in vitro. Pour ces expériences, les effets biologiques de nanoparticules d'intérêt thérapeutique, telles que des NPs d'oxyde de titane (TiO2), des NPs fluorescents de silicate de 2 tailles différentes, des NPs, d'oxyde de fer super-para-magnétiques ultra-petites (USPIO), soit non- enrobées soit enrobées d'acide oléique ou de polyvinylamine (aminoPVA), et des NPs d'acide poly(lactique-co-glycolique)-polyethylene-oxide (PLGA-PEO) ont été évalués. Les résultats ont démontré que les NPs sont internalisées par les cellules en fonction de leur taille, composition chimique, enrobage de surface, et également du type de cellules utilisées. L'internalisation cellulaire des USPIO NPs a été augmentée en présence d'un aimant externe. Aucune des NPs de fer et de silicate n'a été transportée à travers des couches de cellules épithéliales du rein ou endothéliales du cerveau, même en présence d'un aimant. Cependant, en développant un modèle original de barrière endothélium-glioblastome, un transfert direct de NPs d'oxyde de fer de cellule endothéliale à cellule de glioblastome a été démontré. A la suite de leur internalisation les NPs d'oxyde de fer et de titane sont relâchées par des cellules épithéliales du rein, mais pas des cellules endothéliales du cerveau. Dans les cellules endothéliales du cerveau ces NPs induisent en fonction de leur état d'agglomération un stress oxydatif et des mécanismes d'autophagie, ainsi que des dommages à l'ADN des cellules exposées aux NPs d'oxyde de titane. En conclusion, les résultats obtenus élargissent les connaissances sur les effets exercés par des NPs sur des cellules vivantes et ont permis de développer les outils expérimentaux pour étudier ces effets in vitro, réduisant ainsi le recours à des expériences sur animaux.

Molecular characterization of the Carma1-related protein card9

ABSTRACT : Fungal infections have become a major source of diseases in immuncompromised patients, but are quite benign in healthy individuals. As fungi are eukaryotes, and share many biological processes with humans, many antifungal drugs can cause toxicity in the patients. Therefore, the characterization of signaling pathways specific to the anti-fungal immune response is relevant for the better understanding of the disease and the development of new therapeutic approaches. Dectin-1 is the major mammalian pattern recognition receptor for the fungal component zymosan. Dectin-1 is an innate non-Toll-like receptor containing immunoreceptor tyrosine-based activation motifs (ITAMs). Card9, Bc110 and Maltl are proteins that have been shown to play a key role in the Dectin-l-induced signaliñg pathway by controlling Dectin-l-mediated cell activation, cytokine production and innate anti-fungal immunity in mice. Here we investigate the role of the Card9-Bc110-Maltl complex in humans using the monocytic cell line THP-1. We show that Card9 interacts with Bc110 through a CARD-CARD interaction and that interaction of Card9 with Bc110 is required for NF-xB activation. We further demonstrate that Card9 is phosphorylated in its C-terminal part on serine residues. The phosphorylation status of Card9 can influence its ability to active NF-xB, since mutation of the phosphorylation sites increases its ability to activate NF-xB. We find that Card9 is expressed in myeloid derived cells, such as the human monocytic cell lines THP1 and U937, and in human monocyte-enriched PBLs and monocyte-derived DCs. Our findings demonstrate that Card9 is implicated in anti-fungal responses, since silencing of Card9 as well as of Bc110 and Maltl diminishes the capacity of THP1 cells to produce TNF-a in response to zymosan. Interestingly, activation of the NF-xB and MAPK pathway remained normal and levels of TNF-a mRNA produced were also not affected in THP 1 cells silenced for the expression of Card9, Bc110 or Malt1. Using a Malt1 inhibitor, we provide evidence that the proteolytic activity of Malt1 is needed for zymosan-induced TNF-a production in THP 1 cells and bone marrow-derived macrophages of mice, but further experiments are required to confirm these findings and identify the substrate(s) of Malt1. In conclusion, our results reveal an important role for Card9 in the innate immune response of human macrophages to fungi. RÉSUMÉ : Les infections fongiques sont une source majeure de maladie chez les patients immunodéprimés, alors qu'elles sont plutôt bénignes chez les individus sains. Comme les champignons sont des eucaryotes et partagent beaucoup de processus biologiques avec les humains, les médicaments antifongiques peuvent être source de toxicité chez les patients. Il est donc important de mieux caractériser les voies de signalisation intracellulaire des réponses anti-fongiques pour pouvoir développer de nouvelles approches thérapeutiques. La protéine Dectin-1 est le récepteur principal du composé fongique zymosan. Les protéines Card9, Bc110 et Maltl ont été décrites comme jouant un rôle primordial dans les signaux d'activation induits par Dectin-l, en contrôlant l'activité cellulaire, la production de cytokines et la défense anti-fongique dans les souris. Dans cette étude, nous investiguons le rôle du complexe Card9-Bc110-Maltl dans la lignée monocytaire humaine THP1. Nous montrons que Card9 interagit avec Bc110 par une interaction CARD-CARD et que cette interaction est requise pour activer le facteur de transcription NF-xB. Nous observons que Card9 est phosphorylé dans sa partie C-terminale sur des résidus serine et que l'état de phosphorylation de Card9 influence sa capacité à activer NF-xB. En effet, sa capacité à activer NF-xB est augmentée, après mutation des sites de phosphorylation. La génération d'un anticorps spécifique dirigé contre Card9 nous a permis de démontrer que Card9 est exprimé dans des cellules myéloïdes comme les lignées cellulaires monocytiques THP-1 et U-937, ainsi que dans les cellules dendritiques humaines. Nos résultats démontrent que Card9 est impliqué dans la réponse immunitaire antifongique puisque la réduction de l'expression de Card9 ainsi que de Bc110 et de Malt1 diminue la capacité des THP-1 à produire du TNF-a en réponse au zymosan. Par contre, les voies de signalisation NF-xB et MAPK ainsi que les niveaux de mRNA de TNF-a produits en réponse au zymosan ne sont pas affectés dans ces cellules. En utilisant un inhibiteur de Malt1, nous montrons que l'activité protéolytique de Malt1 est nécessaire pour la production de TNF-a induite par le zymosan dans les cellules THP-1 ainsi que dans les macrophages de souris, mais d'autres expériences seront nécessaires pour confirmer cette observation et identifier le(s) substrat(s) de Malt1 responsables de cet effet. En conclusion, nos résultats révèlent un rôle important de la protéine Card9 dans la réponse immunitaire innée antifongique dans les macrophages humains.

Estimation of glomerular filtration rate in hospitalized patients : are we overestimating renal function?

Estimer la filtration glomérulaire chez les personnes âgées, tout en tenant compte de la difficulté supplémentaire d'évaluer leur masse musculaire, est difficile et particulièrement important pour la prescription de médicaments. Le taux plasmatique de la creatinine dépend à la fois de la fraction d'élimination rénale et extra-rénale et de la masse musculaire. Actuellement, pour estimer là filtration glomérulaire différentes formules sont utilisées, qui se fondent principalement sur la valeur de la créatinine. Néanmoins, en raison de la fraction éliminée par les voies tubulaires et intestinales la clairance de la créatinine surestime généralement le taux de filtration glomérulaire (GFR). Le but de cette étude est de vérifier la fiabilité de certains marqueurs et algorithmes de la fonction rénale actuellement utilisés et d'évaluer l'avantage additionnel de prendre en considération la masse musculaire mesurée par la bio-impédance dans une population âgée (> 70 ans) et avec une fonction rénale chronique compromise basée sur MDRD eGFR (CKD stades lll-IV). Dans cette étude, nous comparons 5 équations développées pour estimer la fonction rénale et basées respectivement sur la créatinine sérique (Cockcroft et MDRD), la cystatine C (Larsson), la créatinine combinée à la bêta-trace protéine (White), et la créatinine ajustée à la masse musculaire obtenue par analyse de la bio-impédance (MacDonald). La bio-impédance est une méthode couramment utilisée pour estimer la composition corporelle basée sur l'étude des propriétés électriques passives et de la géométrie des tissus biologiques. Cela permet d'estimer les volumes relatifs des différents tissus ou des fluides dans le corps, comme par exemple l'eau corporelle totale, la masse musculaire (=masse maigre) et la masse grasse corporelle. Nous avons évalué, dans une population âgée d'un service interne, et en utilisant la clairance de l'inuline (single shot) comme le « gold standard », les algorithmes de Cockcroft (GFR CKC), MDRD, Larsson (cystatine C, GFR CYS), White (beta trace protein, GFR BTP) et Macdonald (GFR = ALM, la masse musculaire par bio-impédance. Les résultats ont montré que le GFR (mean ± SD) mesurée avec l'inuline et calculée avec les algorithmes étaient respectivement de : 34.9±20 ml/min pour l'inuline, 46.7±18.5 ml/min pour CKC, 47.2±23 ml/min pour CYS, 54.4±18.2ml/min pour BTP, 49±15.9 ml/min pour MDRD et 32.9±27.2ml/min pour ALM. Les courbes ROC comparant la sensibilité et la spécificité, l'aire sous la courbe (AUC) et l'intervalle de confiance 95% étaient respectivement de : CKC 0 68 (055-0 81) MDRD 0.76 (0.64-0.87), Cystatin C 0.82 (0.72-0.92), BTP 0.75 (0.63-0.87), ALM 0.65 (0.52-0.78). ' En conclusion, les algorithmes comparés dans cette étude surestiment la GFR dans la population agee et hospitalisée, avec des polymorbidités et une classe CKD lll-IV. L'utilisation de l'impédance bioelectrique pour réduire l'erreur de l'estimation du GFR basé sur la créatinine n'a fourni aucune contribution significative, au contraire, elle a montré de moins bons résultats en comparaison aux autres equations. En fait dans cette étude 75% des patients ont changé leur classification CKD avec MacDonald (créatinine et masse musculaire), contre 49% avec CYS (cystatine C), 56% avec MDRD,52% avec Cockcroft et 65% avec BTP. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec Larsson (CYS C) et la formule de Cockcroft.

Epigenetic alterations and constitutive Wnt signaling are early events in the progression from Barrett's esophagus to esophageal adenocarcinoma

SUMMARY Barrett's esophagus (BE) is an acquired condition in which the normal squamous epithelium in the distal esophagus is replaced by a metaplastic columnar epithelium, as a complication of chronic gastroesophageal reflux. The clinical significance of this disease is its associated predisposition to esophageal adenocarcinoma (EAC). EAC is a highly lethal disease. Better understanding of the pathogenesis of columnar metaplasia and its progression to cancer might allow the identification of biomarkers that can be used for early diagnosis, which will improve the patient survival. In this study, an improved protocol for methylation-sensitive single-strand conformation analysis, which is used to analyze promoter methylation, is proposed and a methylation-sensitive dot blot assay is described, which allows a rapid, easy, and sensitive detection of promoter methylation. Both methods were applied to study the methylation pattern of the APC promoter in histologically normal appearing gastric mucosa. The APC promoter showed monoallelic methylation, and because the methylated allele differed between the different gastric cell types, this corresponded to allelic exclusion. The APC methylation pattern was frequently altered in noimal gastric mucosa associated with neoplastic lesions, indicating that changes in the pattern of promoter methylation might precede the development of neoplasia, without accompanying histological manifestations. An epigenetic profile of 10 genes important in EAC was obtained in this study; 5 promoter genes (APC, TIMP3, TERT, CDKN2A and SFRP1) were found to be hypermethylated in the tumors. Furthermore, the promoter of APC, TIMP3 and TERT was frequently methylated in BE samples from EAC patients, but rarely in BE samples that did not progress to EAC. These three biomarkers might therefore be considered as potential predictive markers for increased EAC risk. Analysis of Wnt pathway alterations indicated that WNT2 ligand is overexpressed as early as the low-grade dysplastic stage and downregulation by promoter methylation of the SFRP1 gene occurrs already in the metaplastic lesions. Moreover, loss of APC expression is not the only factor involved in the activation of the Wnt pathway. These results indicate that a variety of biologic, mostly epigenetic events occurs very early in the carcinogenesis of BE. This new information might lead to improved early diagnosis of EAC and thus open the way to a possible application of these biomarkers in the prediction of increased EAC risk progression. RESUME L'oesophage de Barrett est une lésion métaplasique définie par le remplacement de la muqueuse malpighienne du bas oesophage par une muqueuse cylindrique glandulaire, suite à une agression chronique par du reflux gastro-esophagien. La plus importante signification clinique de cette maladie est sa prédisposition au développement d'un adénocarcinome. Le pronostic de l'adénocarcinome sur oesophage de Barrett est sombre. Seule une meilleure compréhension de la pathogenèse de l'épithélium métaplasique et de sa progression néoplasique permettrait l'identification de biomarqueurs pouvant être utilisés pour un diagnostic précoce ; la survie du patient serait ainsi augmentée. Dans cette étude, un protocole amélioré pour l'analyse de la méthylation par conformation simple brin est proposé. De plus, une technique d'analyse par dot blot permettant une détection rapide, facile et sensible de la méthylation d'un promoteur est décrite. Les deux méthodes ont été appliquées à l'étude de la méthylation du promoteur du gène APC dans des muqueuses gastriques histologiquement normales. Le promoteur APC a montré une méthylation monoallélique et, parce que les allèles méthylés différaient entre les différents types de cellules gastriques, celle-ci correspondait à une méthylation allélique exclusive. La méthylation d'APC a été trouvée fréquemment altérée dans la muqueuse gastrique normale associée à des lésions néoplasiques. Ceci indique que des changements dans la méthylation d'un promoteur peuvent précéder le développement d'une tumeur, et cela sans modification histologique. Un profil épigénétique des adénocarcinomes sur oesophage de Barrett a été obtenu dans cette étude. Cinq promoteurs (APC, TIMP3, TERT, CDKN2A et SFRP1) ont été trouvés hyperméthylés dans les tumeurs. Les promoteurs d'APC, TIMP3 et TERT étaient fréquemment méthylés dans l'épithélium métaplasique proche d'un adénocarcinome et rarement dans l'épithélium sans évolution néoplasique. Ces trois biomarkers pourraient par conséquent être considérés comme marqueur prédicatif d'un risque accru de développer une tumeur. L'analyse des altérations de la voie Wnt a montré que WNT2 est surexprimé déjà dans des dysplasies de bas-grade et que la dérégulation de SFRP1 par méthylation de son promoteur intervenait dans les lésions métaplasiques. Une perte d'expression d'APC n'est pas le seul facteur impliqué dans l'activation de cette voie. Ces résultats montrent qu'une grande diversité d'événements biologiques, principalement épigénétiques, surviennent très tôt lors de la carcinogenèse de l'oesophage de Barrett. Ces nouveaux éléments pourraient améliorer le diagnostic précoce et rendre possible l'application de ces biomarqueurs dans la prédiction d'un risque accru de développer un adénocarcinome sur un oesophage de Barrett.

Natural aphrodisiacs: studies of commercially-available herbal recipes, and phytochemical investigation of "Erythroxylum vacciniifolium" Mart. (Erythroxylaceae) from Brazil

De tout temps, hommes et femmes ont cherché par tous les moyens à développer, préserver ou recouvrer leurs propres capacités sexuelles mais également à stimuler le désir du partenaire. L?utilisation d?aphrodisiaques naturels a été l?un des recours les plus répandus. De nos jours, la commercialisation de nouvelles "love drugs" de synthèse, e.g. Viagra®, Cialis®, Levitra®, a remis au goût du jour les aphrodisiaques classiques et à relancer la recherche sur des molécules nouvelles. La pratique croissante de l?automédication, le matraquage publicitaire sur les aphrodisiaques naturels, la prolifération sur le marché de compléments alimentaires non contrôlés et l?absence de véritable législation accroissent les risques qui pèsent sur la santé publique. Dans le but d?évaluer les risques potentiels sur le consommateur de produits aphrodisiaques commercialisés, le développement et la validation d?une méthode rapide d?analyse qualitative et quantitative de la yohimbine dans ces préparations du marché sont exposés dans la première partie de ce travail. La yohimbine est un antagoniste ?2-adrénocepteur du système nerveux central et périphérique, elle est employée depuis plus d?un siècle dans le traitement des dysfonctionnements érectiles. Cette méthode analytique utilise la chromatographie liquide couplée à l?ultraviolet et à la spectrométrie de masse (LC-UV-MS) et au total, vingt préparations aphrodisiaques ont été étudiées. La dose journalière de yohimbine mesurée s?est révélée très variable selon les produits puisqu?elle varie de 1.32 à 23.16 mg. La seconde partie de ce travail concerne l?étude phytochimique et pharmacologique d?Erythroxylum vacciniifolium Mart. (Erythroxylaceae), une plante, appelée localement catuaba, utilisée dans la médecine traditionnelle brésilienne comme tonique et aphrodisiaque. Dans un premier temps, l?extrait alcaloïdique a été analysé par chromatographie liquide haute performance (HPLC) couplée soit à un détecteur UV à barrette d?iode (LC-UV-DAD), soit à un spectromètre de masse (LC-MS), ou soit à un spectromètre de résonance magnétique nucléaire (LC-RMN). L?interprétation de ces données spectrales enregistrées en ligne a permis d?obtenir des informations structurales et d?identifier partiellement près de 24 alcaloïdes appartenant à la classe des tropanes et potentiellement originaux. Par des méthodes classiques de chromatographie liquide sur l?extrait alcaloïdique de la plante, dix sept tropanes nouveaux ont ensuite été isolés dont les catuabines et leurs dérivés, et les vaccinines. Tous ces composés sont des tropane-diols ou triols estérifiés par au moins un groupe acide 1-méthyl-1H-pyrrole-2-carboxylique. Un de ces composés a été identifié comme un tropane N-oxyde. Toutes les structures ont été déterminées par spectrométrie de masse haute résolution et spectroscopie RMN multi-dimensionnelle. Parmi les nombreux tests biologiques réalisés sur ces tropanes, seuls les tests de cytotoxicité se sont révélés faiblement positifs pour certains de ces composés.<br/><br/>Throughout the ages, men and women have incessantly pursued every means to increase, preserve or recapture their sexual capacity, or to stimulate the sexual desire of selected individuals. One of the most recurrent methods has been the use of natural aphrodisiacs. Nowadays, the commercialization of new synthetic "love drugs", e.g. Viagra®, Cialis® and Levitra®, has fascinated the public interest and has led to a reassessment of classical aphrodisiacs and to the search for new ones. The practice of self-medication by an increasing number of patients, the incessant aggressive advertising of these herbal aphrodisiacs, the invasion of the medicinal market with uncontrolled dietary supplements and the absence of real directives amplifies the potential health hazards to the community. In order to evaluate the possible risks of commercialized aphrodisiac products on consumer health, the development and validation of a rapid qualitative and quantitative method for the analysis of yohimbine in these products, is reported in the first part of the present work. Yohimbine, a pharmacologically well-characterized ?2-adrenoceptor antagonist with activity in the central and peripheral nervous system, has been used for over a century in the treatment of erectile dysfunction. The analytical method is based on liquid chromatography coupled with ultraviolet and mass spectrometry (LC-UV-MS) and in total, 20 commercially-available aphrodisiac preparations were analyzed. The amount of yohimbine measured and expressed as the maximal dose per day suggested on product labels ranged from 1.32 to 23.16 mg. The second part of this work involved the phytochemical and pharmacological investigation of Erythroxylum vacciniifolium Mart. (Erythroxylaceae), a plant used in Brazilian traditional medicine as an aphrodisiac and tonic, and locally known as catuaba. With the aim of obtaining preliminary structure information on-line, the alkaloid extract was analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to diode array UV detection (LC-UVDAD), to mass spectrometry (LC-MS) and to nuclear magnetic resonance spectroscopy (LCNMR). Interpretation of on-line spectroscopic data led to structure elucidation and partial identification of 24 potentially original alkaloids bearing the same tropane skeleton. Seventeen new tropane alkaloids were then isolated from the alkaloid extract of the plant, including catuabines D to I, their derivatives and vaccinines A and B. All compounds were elucidated as tropane-diol or -triol alkaloids esterified by at least one 1-methyl-1H-pyrrole-2-carboxylic acid. One of the isolated compounds was identified as a tropane alkaloid N-oxide. Their structures were determined by high resolution mass spectrometry and multi-dimensional NMR spectroscopy. Among the numerous bioassays undertaken, only the cytotoxicity tests exhibited a weak positive activity of certain compounds.

Cryo-electron microscopy of vitreous sections of native biological cells and tissues : methodology and applications

Résumé L'eau est souvent considérée comme une substance ordinaire puisque elle est très commune dans la nature. En fait elle est la plus remarquable de toutes les substances. Sans l'eau la vie sur la terre n'existerait pas. L'eau représente le composant majeur de la cellule vivante, formant typiquement 70 à 95% de la masse cellulaire et elle fournit un environnement à d'innombrables organismes puisque elle couvre 75% de la surface de terre. L'eau est une molécule simple faite de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sa petite taille semble en contradiction avec la subtilité de ses propriétés physiques et chimiques. Parmi celles-là, le fait que, au point triple, l'eau liquide est plus dense que la glace est particulièrement remarquable. Malgré son importance particulière dans les sciences de la vie, l'eau est systématiquement éliminée des spécimens biologiques examinés par la microscopie électronique. La raison en est que le haut vide du microscope électronique exige que le spécimen biologique soit solide. Pendant 50 ans la science de la microscopie électronique a adressé ce problème résultant en ce moment en des nombreuses techniques de préparation dont l'usage est courrant. Typiquement ces techniques consistent à fixer l'échantillon (chimiquement ou par congélation), remplacer son contenu d'eau par un plastique doux qui est transformé à un bloc rigide par polymérisation. Le bloc du spécimen est coupé en sections minces (d’environ 50 nm) avec un ultramicrotome à température ambiante. En général, ces techniques introduisent plusieurs artefacts, principalement dû à l'enlèvement d'eau. Afin d'éviter ces artefacts, le spécimen peut être congelé, coupé et observé à basse température. Cependant, l'eau liquide cristallise lors de la congélation, résultant en une importante détérioration. Idéalement, l'eau liquide est solidifiée dans un état vitreux. La vitrification consiste à refroidir l'eau si rapidement que les cristaux de glace n'ont pas de temps de se former. Une percée a eu lieu quand la vitrification d'eau pure a été découverte expérimentalement. Cette découverte a ouvert la voie à la cryo-microscopie des suspensions biologiques en film mince vitrifié. Nous avons travaillé pour étendre la technique aux spécimens épais. Pour ce faire les échantillons biologiques doivent être vitrifiés, cryo-coupées en sections vitreuse et observées dans une cryo-microscope électronique. Cette technique, appelée la cryo- microscopie électronique des sections vitrifiées (CEMOVIS), est maintenant considérée comme étant la meilleure façon de conserver l'ultrastructure de tissus et cellules biologiques dans un état très proche de l'état natif. Récemment, cette technique est devenue une méthode pratique fournissant des résultats excellents. Elle a cependant, des limitations importantes, la plus importante d'entre elles est certainement dû aux artefacts de la coupe. Ces artefacts sont la conséquence de la nature du matériel vitreux et le fait que les sections vitreuses ne peuvent pas flotter sur un liquide comme c'est le cas pour les sections en plastique coupées à température ambiante. Le but de ce travail a été d'améliorer notre compréhension du processus de la coupe et des artefacts de la coupe. Nous avons ainsi trouvé des conditions optimales pour minimiser ou empêcher ces artefacts. Un modèle amélioré du processus de coupe et une redéfinitions des artefacts de coupe sont proposés. Les résultats obtenus sous ces conditions sont présentés et comparés aux résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Abstract Water is often considered to be an ordinary substance since it is transparent, odourless, tasteless and it is very common in nature. As a matter of fact it can be argued that it is the most remarkable of all substances. Without water life on Earth would not exist. Water is the major component of cells, typically forming 70 to 95% of cellular mass and it provides an environment for innumerable organisms to live in, since it covers 75% of Earth surface. Water is a simple molecule made of two hydrogen atoms and one oxygen atom, H2O. The small size of the molecule stands in contrast with its unique physical and chemical properties. Among those the fact that, at the triple point, liquid water is denser than ice is especially remarkable. Despite its special importance in life science, water is systematically removed from biological specimens investigated by electron microscopy. This is because the high vacuum of the electron microscope requires that the biological specimen is observed in dry conditions. For 50 years the science of electron microscopy has addressed this problem resulting in numerous preparation techniques, presently in routine use. Typically these techniques consist in fixing the sample (chemically or by freezing), replacing its water by plastic which is transformed into rigid block by polymerisation. The block is then cut into thin sections (c. 50 nm) with an ultra-microtome at room temperature. Usually, these techniques introduce several artefacts, most of them due to water removal. In order to avoid these artefacts, the specimen can be frozen, cut and observed at low temperature. However, liquid water crystallizes into ice upon freezing, thus causing severe damage. Ideally, liquid water is solidified into a vitreous state. Vitrification consists in solidifying water so rapidly that ice crystals have no time to form. A breakthrough took place when vitrification of pure water was discovered. Since this discovery, the thin film vitrification method is used with success for the observation of biological suspensions of. small particles. Our work was to extend the method to bulk biological samples that have to be vitrified, cryosectioned into vitreous sections and observed in cryo-electron microscope. This technique is called cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). It is now believed to be the best way to preserve the ultrastructure of biological tissues and cells very close to the native state for electron microscopic observation. Since recently, CEMOVIS has become a practical method achieving excellent results. It has, however, some sever limitations, the most important of them certainly being due to cutting artefacts. They are the consequence of the nature of vitreous material and the fact that vitreous sections cannot be floated on a liquid as is the case for plastic sections cut at room temperature. The aim of the present work has been to improve our understanding of the cutting process and of cutting artefacts, thus finding optimal conditions to minimise or prevent these artefacts. An improved model of the cutting process and redefinitions of cutting artefacts are proposed. Results obtained with CEMOVIS under these conditions are presented and compared with results obtained with conventional methods.

The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Cryo-negative staining: advantages and applications for three-dimensional electron microscopy of biological macromolecules

Les échantillons biologiques ne s?arrangent pas toujours en objets ordonnés (cristaux 2D ou hélices) nécessaires pour la microscopie électronique ni en cristaux 3D parfaitement ordonnés pour la cristallographie rayons X alors que de nombreux spécimens sont tout simplement trop << gros D pour la spectroscopie NMR. C?est pour ces raisons que l?analyse de particules isolées par la cryo-microscopie électronique est devenue une technique de plus en plus importante pour déterminer la structure de macromolécules. Néanmoins, le faible rapport signal-sur-bruit ainsi que la forte sensibilité des échantillons biologiques natifs face au faisceau électronique restent deux parmi les facteurs limitant la résolution. La cryo-coloration négative est une technique récemment développée permettant l?observation des échantillons biologiques avec le microscope électronique. Ils sont observés à l?état vitrifié et à basse température, en présence d?un colorant (molybdate d?ammonium). Les avantages de la cryo-coloration négative sont étudiés dans ce travail. Les résultats obtenus révèlent que les problèmes majeurs peuvent êtres évités par l?utilisation de cette nouvelle technique. Les échantillons sont représentés fidèlement avec un SNR 10 fois plus important que dans le cas des échantillons dans l?eau. De plus, la comparaison de données obtenues après de multiples expositions montre que les dégâts liés au faisceau électronique sont réduits considérablement. D?autre part, les résultats exposés mettent en évidence que la technique est idéale pour l?analyse à haute résolution de macromolécules biologiques. La solution vitrifiée de molybdate d?ammonium entourant l?échantillon n?empêche pas l?accès à la structure interne de la protéine. Finalement, plusieurs exemples d?application démontrent les avantages de cette technique nouvellement développée.<br/><br/>Many biological specimens do not arrange themselves in ordered assemblies (tubular or flat 2D crystals) suitable for electron crystallography, nor in perfectly ordered 3D crystals for X-ray diffraction; many other are simply too large to be approached by NMR spectroscopy. Therefore, single-particles analysis has become a progressively more important technique for structural determination of large isolated macromolecules by cryo-electron microscopy. Nevertheless, the low signal-to-noise ratio and the high electron-beam sensitivity of biological samples remain two main resolution-limiting factors, when the specimens are observed in their native state. Cryo-negative staining is a recently developed technique that allows the study of biological samples with the electron microscope. The samples are observed at low temperature, in the vitrified state, but in presence of a stain (ammonium molybdate). In the present work, the advantages of this novel technique are investigated: it is shown that cryo-negative staining can generally overcome most of the problems encountered with cryo-electron microscopy of vitrified native suspension of biological particles. The specimens are faithfully represented with a 10-times higher SNR than in the case of unstained samples. Beam-damage is found to be considerably reduced by comparison of multiple-exposure series of both stained and unstained samples. The present report also demonstrates that cryo-negative staining is capable of high- resolution analysis of biological macromolecules. The vitrified stain solution surrounding the sample does not forbid the access to the interna1 features (ie. the secondary structure) of a protein. This finding is of direct interest for the structural biologist trying to combine electron microscopy and X-ray data. developed electron microscopy technique. Finally, several application examples demonstrate the advantages of this newly

Study of biomacromolecule conformational changes by Scanning Force Microscopy

L?objectif de ce travail de thèse est l?étude des changements conformationels des biomacromolecules à l?échelle d?une molécule unique. Pour cela on a utilisé la Microscopie à Force Atomique (AFM) appliqué à l?étude des protéines et des acides nucléiques déposés sur une surface. Dans ce type de microscopie, une pointe très fine attachée à l?extrémité d?un levier est balayée au dessus d?une surface. L?interaction de la pointe avec la surface de l?échantillon induit la déflection du levier et ce phénomène permet de reconstruire la topographie de l?échantillon. Très importante dans cette technique est la possibilité de travailler en liquide. Cela permet de étudier les biomolécules en conditions quasi-physiologiques sans qu?elles perdent leur activité. On a étudié GroEL, la chaperonin de E.coli, qui est un homo oligomère avec une structure à double anneau qui joue un rôle très important dans le repliement des protéines dénaturées et celles qui viennent d?être synthétisées. En particulier on a focalisé notre attention sur la stabilité mécanique et sur les changements conformationels qui ont lieu pendant l?activité de GroEL. Une analyse détaillée des changements dans la stabilité mécanique et des effets produits par la liaison et l?hydrolyse de l?ATP est présentée dans ce travail. On a montré que le point le plus faible dans la structure de GroEL est l?interface entre les deux anneaux et que l?étape critique dans l?affaiblissement de la structure est l?hydrolyse de l?ATP. En ce qui concerne le changement conformationel, le passage d?une surface hydrophobe à hydrophile, induit par l?hydrolyse de l?ATP, a été montré. Ensuite on a étudié le changement dans la conformation et dans la topologie de l?ADN résultant de l?interaction avec des molécules spécifiques et en réponse à l?exposition des cellules de E.coli à des conditions de stress. Le niveau de surenroulement est un paramètre très sensible, de façon variée, à tous ces facteurs. Les cellules qui ont crus à de températures plus élevées que leur température optimale ont la tendance à diminuer le nombre de surenroulements négatif pour augmenter la stabilité thermique de leur plasmides. L?interaction avec des agents intercalant induit une transition d?un surenroulement négatif à un surenroulement positif d?une façon dépendante de la température. Finalement, l?effet de l?interaction de l?ADN avec des surfaces différentes a été étudié et une application pratique sur les noeuds d?ADN est présentée.<br/><br/>The aim of the present thesis work is to study the conformational changes of biomacromolecules at the single molecule level. To that end, Atomic Force Microcopy (AFM) imaging was performed on proteins and nucleic acids adsorbed onto a surface. In this microcopy technique a very sharp tip attached at the end of a soft cantilever is scanned over a surface, the interaction of the tip with the sample?s surface will induce the deflection of the cantilever and thus it will make possible to reconstruct the topography. A very important feature of AFM is the possibility to operate in liquid, it means with the sample immersed in a buffer solution. This allows one to study biomolecules in quasi-physiological conditions without loosing their activity. We have studied GroEL, the chaperonin of E.coli, which is a double-ring homooligomer which pays a very important role in the refolding of unfolded and newly synthetized polypeptides. In particular we focus our attention on its mechanical stability and on the conformational change that it undergoes during its activity cycle. A detailed analysis of the change in mechanical stability and how it is affected by the binding and hydrolysis of nucleotides is presented. It has been shown that the weak point of the chaperonin complex is the interface between the two rings and that the critical step to weaken the structure is the hydrolysis of ATP. Concerning the conformational change we have directly measured, with a nanometer scale resolution, the switching from a hydrophobic surface to a hydrophilic one taking place inside its cavity induced by the ATP hydrolysis. We have further studied the change in the DNA conformation and topology as a consequence of the interaction with specific DNA-binding molecules and the exposition of the E.coli cells to stress conditions. The level of supercoiling has been shown to be a very sensitive parameter, even if at different extents, to all these factors. Cells grown at temperatures higher than their optimum one tend to decrease the number of the negative superhelical turns in their plasmids in order to increase their thermal stability. The interaction with intercalating molecules induced a transition from positive to negative supercoiling in a temperature dependent way. The effect of the interaction of the DNA with different surfaces has been investigated and a practical application to DNA complex knots is reported.<br/><br/>Observer les objets biologiques en le touchant Schématiquement le Microscope a Force Atomique (AFM) consiste en une pointe très fine fixée a l?extrémité d?un levier Lors de l?imagerie, la pointe de l?AFM gratte la surface de l?échantillon, la topographie de celui-ci induit des déflections du levier qui sont enregistrées au moyen d?un rayon laser réfléchi par le levier. Ces donnés sont ensuit utilisés par un ordinateur pour reconstituer en 3D la surface de l?échantillon. La résolution de l?instrument est fonction entre autre de la dureté, de la rugosité de l?échantillon et de la forme de la pointe. Selon l?échantillon et la pointe utilisée la résolution de l?AFM peut aller de 0.1 A (sur des cristaux) a quelque dizaine de nanomètres (sur des cellules). Cet instrument est particulierment intéressant en biologie en raison de sa capacité à imager des échantillons immergés dans un liquide, c?est à dire dans des conditions quasiphysiologiques. Dans le cadre de ce travail nous avons étudié les changements conformationels de molécules biologiques soumises à des stimulations externes. Nous avons essentielment concentré notre attention sur des complexes protéiques nommé Chaperons Moléculaires et sur des molécules d?ADN circulaire (plasmides). Les Chaperons sont impliqués entre autre dans la résistance des organismes vivants aux stress thermiques et osmotiques. Leur activité consiste essentielment à aider les autres protéines à être bien pliés dans leur conformation finale et, en conséquence, à eviter que ils soient dénaturées et que ils puissent s?agréger. L?ADN, quant à lui est la molécule qui conserve, dans sa séquence, l?information génétique de tous les organismes vivants. Ce travail a spécifiquement concerné l?étude des changements conformationels des chaperonins suit a leur activation par l?ATP. Ces travaux ont montrés a l?échelle de molécule unique la capacité de ces protéines de changer leur surface de hydrophobique a hydrophilique. Nous avons également utilisé l?AFM pour étudier le changement du nombre des surenroulements des molécules d?ADN circulaire lors d?une exposition à un changement de température et de force ionique. Ces travaux ont permis de montrer comment la cellule regle le nombre de surenroulements dans ces molécules pour répondre et contrôler l?expression génétique même dans de conditions extrêmes. Pour les deux molécules en général, c?était très important d?avoir la possibilité de observer leur transitions d?une conformation a l?autre directement a l?échelle d?une seul molécule et, surtout, avec une résolution largement au dessous des la longueur d?onde de la lumière visible que représente le limite pour l?imagerie optique.

Investigation phytochimique des plantes aquatiques Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. et P. crispus L. (Potamogetonaceae)

Dans le cadre de la recherche de nouveaux composés naturels, les métabolites secondaires de plantes aquatiques indigènes, les potamots Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. et P. crispus L. (Potamogetonaceae), ont été étudiés. Par leur position écologique et évolutive particulière entre environnement terrestre et aquatique, les plantes aquatiques ou macrophytes pourraient en effet avoir sélectionné des composés avec des caractéristiques originales. Les extraits dichlorométhaniques (apolaires) des potamots ont été analysés par HPLCUV, HPLC-MS, HPLC-RMN et GC-MS, et testés contre diverses cibles biologiques. Sur la base de ces résultats, les extraits apolaires de P. pectinatus et P. lucens ont été étudiés de manière plus approfondie. Ils ont été fractionnés sur des colonnes ouvertes et par VLC, LPLC, MPLC, CPC et HPLC semi-préparative. Une partie de leurs constituants ont été isolés et leurs structures déterminées par des méthodes spectroscopiques, en particulier par RMN et par MS. Quinze composés ont été ainsi isolés de P. pectinatus et P. lucens, dont sept sont des nouveaux produits naturels. Parmi ces quinze produits, neuf sont des diterpènes ent-labdanes contenant un noyau furane ou un groupe lactonique, dont six sont décrits ici pour la première fois. Certains de ces diterpènes ont montré une activité algicide, ce qui indique une de leurs fonctions possible dans les potamots, et un de ces labdanes, le méthyl-15,16-époxy-12-oxo-8(17),13(16),14-ent-labatrièn-19-oate, a également des propriétés anti-inflammatoires. Les composés présents dans les extraits méthanoliques (polaires) n?ont pas été isolés, mais quatorze d?entre eux ont pu être identifiés par HPLC-UV, HPLC-MS et HPLCRMN. Une majorité de ces constituants sont des flavonoïdes connus, des dérivés glycosylés de l?apigénine, la lutéoline et le chrysoériol, également présents en tant qu?aglycones. Plusieurs ent-labdanes glycosylés ont pu être également identifiés dans ces extraits, parmi lesquels un nouveau composé dont la structure a pu être partiellement déterminée. En conclusion, ce travail a permis de mieux connaître la phytochimie de plusieurs plantes aquatiques de Suisse, et d?isoler de nouveaux produits naturels avec des propriétés biologiques et pharmacologiques intéressantes.<br/><br/>The secondary metabolites of Swiss freshwater plants, the pondweeds Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. and P. crispus L. (Potamogetonaceae), were investigated. Because of their peculiar habitat, in-between aquatic and terrestrial life, aquatic plants should produce secondary metabolites with original chemical or biological features. Their apolar extracts were analysed by HPLC-UV, HPLC-MS, HPLC-NMR and GCMS, and were tested with different bioassays. Based on these results, the apolar extracts of P. pectinatus and P. lucens were investigated more extensively. They were fractionated on open columns, and by VLC, LPLC, MPLC, CPC and semi-preparative HPLC. Their constituents were isolated and their structures elucidated by spectroscopic methods as MS and NMR. Fifteen compounds could be isolated from P. pectinatus and P. lucens, and seven were new natural products. Nine of them were ent-labdane diterpenes with a furan moiety or a lactone group, and six of these labdanes were reported here for the first time as natural products. Some of these diterpenes showed an algaecide effect. This activity indicated their potential ecological function in pondweeds. One compound, methyl-15,16-epoxy-12-oxo-8(17),13(16),14-ent-labatrien-19-oate, revealed also some anti-inflammatory properties. The constituents of polar extracts were not isolated, but fourteen of them could be identified by HPLC-UV, HPLC-MS and HPLC-NMR. The major part of these compounds was known flavonoids as apigenin, lutolin, chrysoeriol and their glycosylated derivatives. Several glycosylated ent-labdanes were also identified, and the structure of a new labdane dihexoside was partially elucidated. In conclusion this study allowed a better knowledge of the phytochemistry of Swiss aquatic plants, and the isolation of new natural products with interesting biological and pharmacological properties.