Leukemia-Associated Mutations in Nucleophosmin Alter Recognition by CRM1: Molecular Basis of Aberrant Transport

Nucleophosmin (NPM) is a nucleocytoplasmic shuttling protein, normally enriched in nucleoli, that performs several activities related to cell growth. NPM mutations are characteristic of a subtype of acute myeloid leukemia (AML), where mutant NPM seems to play an oncogenic role. AML-associated NPM mutants exhibit altered subcellular traffic, being aberrantly located in the cytoplasm of leukoblasts. Exacerbated export of AML variants of NPM is mediated by the nuclear export receptor CRM1, and due, in part, to a mutationally acquired novel nuclear export signal (NES). To gain insight on the molecular basis of NPM transport in physiological and pathological conditions, we have evaluated the export efficiency of NPM in cells, and present new data indicating that, in normal conditions, wild type NPM is weakly exported by CRM1. On the other hand, we have found that AML-associated NPM mutants efficiently form complexes with CRM1HA (a mutant CRM1 with higher affinity for NESs), and we have quantitatively analyzed CRM1HA interaction with the NES motifs of these mutants, using fluorescence anisotropy and isothermal titration calorimetry. We have observed that the affinity of CRM1HA for these NESs is similar, which may help to explain the transport properties of the mutants. We also describe NPM recognition by the import machinery. Our combined cellular and biophysical studies shed further light on the determinants of NPM traffic, and how it is dramatically altered by AML-related mutations.

Nanobodies raised against monomeric α-synuclein distinguish between fibrils at different maturation stages.

Nanobodies are single-domain fragments of camelid antibodies that are emerging as versatile tools in biotechnology. We describe here the interactions of a specific nanobody, NbSyn87, with the monomeric and fibrillar forms of α-synuclein (αSyn), a 140-residue protein whose aggregation is associated with Parkinson's disease. We have characterized these interactions using a range of biophysical techniques, including nuclear magnetic resonance and circular dichroism spectroscopy, isothermal titration calorimetry and quartz crystal microbalance measurements. In addition, we have compared the results with those that we have reported previously for a different nanobody, NbSyn2, also raised against monomeric αSyn. This comparison indicates that NbSyn87 and NbSyn2 bind with nanomolar affinity to distinctive epitopes within the C-terminal domain of soluble αSyn, comprising approximately amino acids 118-131 and 137-140, respectively. The calorimetric and quartz crystal microbalance data indicate that the epitopes of both nanobodies are still accessible when αSyn converts into its fibrillar structure. The apparent affinities and other thermodynamic parameters defining the binding between the nanobody and the fibrils, however, vary significantly with the length of time that the process of fibril formation has been allowed to progress and with the conditions under which formation occurs, indicating that the environment of the C-terminal domain of αSyn changes as fibril assembly takes place. These results demonstrate that nanobodies are able to target forms of potentially pathogenic aggregates that differ from each other in relatively minor details of their structure, such as those associated with fibril maturation.

Nanobodies raised against monomeric α-synuclein distinguish between fibrils at different maturation stages

Nanobodies are single-domain fragments of camelid antibodies that are emerging as versatile tools in biotechnology. We describe here the interactions of a specific nanobody, NbSyn87, with the monomeric and fibrillar forms of α-synuclein (αSyn), a 140-residue protein whose aggregation is associated with Parkinson's disease. We have characterized these interactions using a range of biophysical techniques, including nuclear magnetic resonance and circular dichroism spectroscopy, isothermal titration calorimetry and quartz crystal microbalance measurements. In addition, we have compared the results with those that we have reported previously for a different nanobody, NbSyn2, also raised against monomeric αSyn. This comparison indicates that NbSyn87 and NbSyn2 bind with nanomolar affinity to distinctive epitopes within the C-terminal domain of soluble αSyn, comprising approximately amino acids 118-131 and 137-140, respectively. The calorimetric and quartz crystal microbalance data indicate that the epitopes of both nanobodies are still accessible when αSyn converts into its fibrillar structure. The apparent affinities and other thermodynamic parameters defining the binding between the nanobody and the fibrils, however, vary significantly with the length of time that the process of fibril formation has been allowed to progress and with the conditions under which formation occurs, indicating that the environment of the C-terminal domain of αSyn changes as fibril assembly takes place. These results demonstrate that nanobodies are able to target forms of potentially pathogenic aggregates that differ from each other in relatively minor details of their structure, such as those associated with fibril maturation. © 2013 Elsevier Ltd.

Energetic basis of molecular recognition in a DNA aptamer

The thermal stability and ligand binding properties of the L-argininamide-binding DNA aptamer (5'-GATCGAAACGTAGCGCCTTCGATC3') were studied by spectroscopic and calorimetric methods. Differential calorimetric studies showed that the uncomplexed aptamer melted in a two-state reaction with a melting temperature T-m = 50.2 +/- 0.2 degrees C and a folding enthalpy Delta H degrees(fold) = -49.0 +/- 2.1 kcal mol(-1). These values agree with values of T-m = 49.6 degrees C and Delta H degrees(fold) = -51.2 kcal mol(-1) predicted for a simple hairpin structure. Melting of the uncomplexed aptamer was dependent upon salt concentration, but independent of strand concentration. The T of aptamer melting was found to increase as L-argininamide concentrations increased. Analysis of circular dichroism titration data using a single-site binding model resulted in the determination of a binding free energy Delta G degrees(bind) = -5.1 kcal mol(-1). Isothermal titration calorimetry studies revealed an exothermic binding reaction with Delta H degrees(bind) = -8.7 kcal mol(-1). Combination of enthalpy and free energy produce ail unfavorable entropy of -T Delta S degrees = +3.6 kcal mol(-1). A molar heat capacity change of -116 cal mol(-1) K-1 was determined from calorimetric measurements at four temperatures over the range of 15-40 degrees C. Molecular dynamics simulations were used to explore the structures of the unligated and ligated aptamer structures.

Daunomycin binding to detergent micelles: A model system for evaluating the hydrophobic contribution to drug-DNA interactions

The interaction of daunomycin with sodium dodecyl sulfate and Triton X-100 micelles was investigated as a model for the hydrophobic contribution to the free energy of DNA intercalation reactions. Measurements of visible absorbance, fluorescence lifetime, steady-state fluorescence emission intensity, and fluorescence anisotropy indicate that the anthraquinone ring partitions into the hydrophobic micelle interior. Fluorescence quenching experiments using both steady-state and lifetime measurements demonstrate reduced accessibility of daunomycin in sodium dodecyl sulfate micelles to the anionic quencher iodide and to the neutral quencher acrylamide. Quenching of daunomycin fluorescence by iodide in Triton X-100 micelles was similar to that seen with free daunomycin. Studies of the energetics of the interaction of daunomycin with micelles by fluorescence and absorbance titration methods and by isothermal titration calorimetry in the presence of excess micelles revealed that association with sodium dodecyl sulfate and Triton X-100 micelles is driven by a large negative enthalpy. Association of the drug with both types of micelles also has a favorable entropic contribution, which is larger in magnitude for Triton X-100 micelles than for sodium dodecyl sulfate micelles.

Enthalpy/entropy compensation: Influence of DNA flanking sequence on the binding of 7-amino actinomycin D to its primary binding site in short DNA duplexes

The effect of the context of the flanking sequence on ligand binding to DNA oligonucleotides that contain consensus binding sites was investigated for the binding of the intercalator 7-amino actinomycin D. Seven self-complementary DNA oligomers each containing a centrally located primary binding site, 5'-A-G-C-T-3', flanked on either side by the sequences (AT)(n) or (AA)(n) (with n = 2, 3, 4) and AA(AT)(2), were studied. For different flanking sequences, (AA)(n)-series or (AT)(n)-series, differential fluorescence enhancements of the ligand due to binding were observed. Thermodynamic studies indicated that the flanking sequences not only affected DNA stability and secondary structure but also modulated ligand binding to the primary binding site. The magnitude of the ligand binding affinity to the primary site was inversely related to the sequence dependent stability. The enthalpy of ligand binding was directly measured by isothermal titration calorimetry, and this made it possible to parse the binding free energy into its energetic and entropic terms.

Identification and inhibitory properties of a novel Ca(2+)/calmodulin antagonist.

We developed a high-throughput yeast-based assay to screen for chemical inhibitors of Ca(2+)/calmodulin-dependent kinase pathways. After screening two small libraries, we identified the novel antagonist 125-C9, a substituted ethyleneamine. In vitro kinase assays confirmed that 125-C9 inhibited several calmodulin-dependent kinases (CaMKs) competitively with Ca(2+)/calmodulin (Ca(2+)/CaM). This suggested that 125-C9 acted as an antagonist for Ca(2+)/CaM rather than for CaMKs. We confirmed this hypothesis by showing that 125-C9 binds directly to Ca(2+)/CaM using isothermal titration calorimetry. We further characterized binding of 125-C9 to Ca(2+)/CaM and compared its properties with those of two well-studied CaM antagonists: trifluoperazine (TFP) and W-13. Isothermal titration calorimetry revealed that binding of 125-C9 to CaM is absolutely Ca(2+)-dependent, likely occurs with a stoichiometry of five 125-C9 molecules to one CaM molecule, and involves an exchange of two protons at pH 7.0. Binding of 125-C9 is driven overall by entropy and appears to be competitive with TFP and W-13, which is consistent with occupation of similar binding sites. To test the effects of 125-C9 in living cells, we evaluated mitogen-stimulated re-entry of quiescent cells into proliferation and found similar, although slightly better, levels of inhibition by 125-C9 than by TFP and W-13. Our results not only define a novel Ca(2+)/CaM inhibitor but also reveal that chemically unique CaM antagonists can bind CaM by distinct mechanisms but similarly inhibit cellular actions of CaM.

Atherosclerosis: Viewing the problem from a different perspective including possible treatment options

This paper proposes that atherosclerosis is initiated by a signaling event that deposits calcium hydroxyapatite (Ca-HAP). This event is preceded by a loss of mechanical structure in the arterial wall. After Ca-HAP has been deposited, it is unlikely that it will be reabsorbed because the solubility product constant (K sp) is very small, and the large stores of Ca +2 and PO 4-3 in the bones oppose any attempts to dissolve Ca-HAP by decreasing the common ions. The hydroxide ion (OH -) of Ca-HAP can be displaced in nature by fluoride (F -) and carbonate (CO 3-2) ions, and it is proposed that anions associated with cholesterol ester hydrolysis and, in very small quantities, the enolate of 7-ketocholesterol could also displace the OH -of Ca-HAP, forming an ionic bond. The free energy of hydration of Ca-HAP at 310 K is most likely negative, and the ionic radii of the anions associated with the hydrolysis of cholesterol ester are compatible with the substitution. Furthermore, examination of the pathology of atherosclerotic lesions by Raman and NMR spectroscopy and confocal microscopy supports deposition of Ca-HAP associated with cholesterol. Investigating the affinity of intermediates of cholesterol hydrolysis for Ca-HAP compared to lipoproteins such as HDL, LDL, and VLDL using isothermic titration calorimetry could add proof of this concept and may lead to the development of a new class of medications targeted at the deposition of cholesterol within Ca-HAP. Treatment of acute ischemic events as a consequence of atherosclerosis with denitrogenation and oxygenation is discussed. © the author(s), publisher and licensee Libertas Academica Ltd.

Elucidation of the interactions between the transcription factor E2A and the transcriptional co-activator CBP/p300

E2A is a transcription factor that plays a particularly critical role in lymphopoiesis. The chromosomal translocation 1;19, disrupts the E2A gene and results in the expression of the fusion oncoprotein E2A-PBX1, which is implicated in acute lymphoblastic leukemia. Both E2A and E2A-PBX1 contain two activation domains, AD1 and AD2, which comprise conserved ΦxxΦΦ motifs where Φ denotes a hydrophobic amino acid. These domains function to recruit transcriptional co-activators and repressors, including the histone acetyl transferase CREB binding protein (CBP) and its paralog p300. The PCET motif within E2A AD1 interacts with the KIX domain of CBP/p300, the disruption of which abrogates the transcriptional activation by E2A and the transformative properties of E2A-PBX1. The generation of a peptide-based inhibitor targeting the PCET:KIX interaction would serve useful in further assessing the role of E2A and E2A-PBX1 in lymphopoiesis and leukemogenesis. An interaction between E2A AD2 and the KIX domain has also been recently identified, and the TAZ domains of CBP/p300 have been shown to interact with several transcription factors that contain ΦxxΦΦ motifs. Thus the design of an inhibitor of the E2A:CBP/p300 interaction requires the full complement of interactions between E2A and the various domains of CBP/p300 to be elucidated. Here, we have used nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to determine that AD2 interacts with KIX at the same site as PCET, which indicates that the E2A:KIX interaction can be disrupted by targeting a single binding site. Using an iterative synthetic peptide microarray approach, a peptide with the sequence DKELQDLLDFSLQY was derived from PCET to interact with KIX with higher affinity than the wild type sequence. This peptide now serves as a lead molecule for further development as an inhibitor of the E2A:CBP/p300 interaction. Fluorescence anisotropy, peptide microarray technology, and isothermal titration calorimetry were employed to characterize interactions between both TAZ domains of CBP/p300 and the PCET motif and AD2 of E2A. Alanine substitution of residues within PCET demonstrated that the ΦxxΦΦ motif is a key mediator of these interactions, analogous to the PCET:KIX interaction. These findings now inform future work to establish possible physiological roles for the E2A:TAZ1 and E2A:TAZ2 interactions.

Antimicrobial efficacy of tobramycin polymeric nanoparticles for Pseudomonas aeruginosa infections in cystic fibrosis: formulation, characterisation and functionalisation with dornase alfa (DNase).

Inhaled antibiotics, such as tobramycin, for the treatment of Pseudomonas aeruginosa pulmonary infections are associated with the increase in life expectancy seen in cystic fibrosis (CF) patients over recent years. However, the effectiveness of this aminoglycoside is still limited by its inability to penetrate the thick DNA-rich mucus in the lungs of these patients, leading to low antibiotic exposure to resident bacteria. In this study, we created novel polymeric nanoparticle (NP) delivery vehicles for tobramycin. Using isothermal titration calorimetry, we showed that tobramycin binds with alginate polymer and, by exploiting this interaction, optimised the production of tobramycin alginate/chitosan NPs. It was established that NP antimicrobial activity against P. aeruginosa PA01 was equivalent to unencapsulated tobramycin (minimum inhibitory concentration 0.625 mg/L). Galleria mellonella was employed as an in vivo model for P. aeruginosa infection. Survival rates of 90% were observed following injection of NPs, inferring low NP toxicity. After infection with P. aeruginosa, we showed that a lethal inoculum was effectively cleared by tobramycin NPs in a dose dependent manner. Crucially, a treatment with NPs prior to infection provided a longer window of antibiotic protection, doubling survival rates from 40% with free tobramycin to 80% with NP treatment. Tobramycin NPs were then functionalised with dornase alfa (recombinant human deoxyribonuclease I, DNase), demonstrating DNA degradation and improved NP penetration of CF sputum. Following incubation with CF sputum, tobramycin NPs both with and without DNase functionalisation, exhibited anti-pseudomonal effects. Overall, this work demonstrates the production of effective antimicrobial NPs, which may have clinical utility as mucus-penetrating tobramycin delivery vehicles, combining two widely used CF therapeutics into a single NP formulation. This nano-antibiotic represents a strategy to overcome the mucus barrier, increase local drug concentrations, avoid systemic adverse effects and improve outcomes for pulmonary infections in CF.

Extracellular DNA impedes the transport of vancomycin in Staphylococcus epidermidis biofilms pre-exposed to sub-inhibitory concentrations of vancomycin

Staphylococcus epidermidis biofilm formation is responsible for the persistence of orthopedic implant infections. Previous studies have shown that exposure of S. epidermidis biofilms to sub-MICs of antibiotics induced an increased level of biofilm persistence. BODIPY FL-vancomycin (a fluorescent vancomycin conjugate) and confocal microscopy were used to show that the penetration of vancomycin through sub-MIC-vancomycin-treated S. epidermidis biofilms was impeded compared to that of control, untreated biofilms. Further experiments showed an increase in the extracellular DNA (eDNA) concentration in biofilms preexposed to sub-MIC vancomycin, suggesting a potential role for eDNA in the hindrance of vancomycin activity. Exogenously added, S. epidermidis DNA increased the planktonic vancomycin MIC and protected biofilm cells from lethal vancomycin concentrations. Finally, isothermal titration calorimetry (ITC) revealed that the binding constant of DNA and vancomycin was 100-fold higher than the previously reported binding constant of vancomycin and its intended cellular D-Ala-D-Ala peptide target. This study provides an explanation of the eDNA-based mechanism of antibiotic tolerance in sub-MIC-vancomycin-treated S. epidermidis biofilms, which might be an important factor for the persistence of biofilm infections.

Polysaccharide-based Polyion Complex Micelles as New Delivery Systems for Hydrophilic Cationic Drugs

Les micelles polyioniques ont émergé comme des systèmes prometteurs de relargage de médicaments hydrophiles ioniques. Le but de cette étude était le développement des micelles polyioniques à base de dextrane pour la relargage de médicaments hydrophiles cationiques utilisant une nouvelle famille de copolymères bloc carboxymethyldextran-poly(éthylène glycol) (CMD-PEG). Quatre copolymères CMD-PEG ont été préparés dont deux copolymères identiques en termes de longueurs des blocs de CMD et de PEG mais différent en termes de densité de charges du bloc CMD; et deux autres copolymères dans lesquels les blocs chargés sont les mêmes mais dont les blocs de PEG sont différents. Les propriétés d’encapsulation des micelles CMD-PEG ont été évaluées avec différentes molécules cationiques: le diminazène (DIM), un médicament cationique modèle, le chlorhydrate de minocycline (MH), un analogue semi-synthétique de la tétracycline avec des propriétés neuro-protectives prometteuses et différents antibiotiques aminoglycosidiques. La cytotoxicité des copolymères CMD-PEG a été évaluée sur différentes lignées cellulaires en utilisant le test MTT et le test du Bleu Alamar. La formation de micelles des copolymères de CMD-PEG a été caractérisée par différentes techniques telles que la spectroscopie RMN 1H, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la titration calorimétrique isotherme (ITC). Le taux de relargage des médicaments et l’activité pharmacologique des micelles contenant des médicaments ont aussi été évalués. Les copolymères CMD-PEG n'ont induit aucune cytotoxicité dans les hépatocytes humains et dans les cellules microgliales murines (N9) après 24 h incubation pour des concentrations allant jusqu’à 15 mg/mL. Les interactions électrostatiques entre les copolymères de CMD-PEG et les différentes drogues cationiques ont amorcé la formation de micelles polyioniques avec un coeur composé du complexe CMD-médicaments cationiques et une couronne composée de PEG. Les propriétés des micelles DIM/CMDPEG ont été fortement dépendantes du degré de carboxyméthylation du bloc CMD. Les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation du bloc CMD ≥ 60 %, ont incorporé jusqu'à 64 % en poids de DIM et ont résisté à la désintégration induite par les sels et ceci jusqu'à 400 mM NaCl. Par contre, les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation ~ 30% avaient une plus faible teneur en médicament (~ 40 % en poids de DIM) et se désagrégeaient à des concentrations en sel inférieures (∼ 100 mM NaCl). Le copolymère de CMD-PEG qui a montré les propriétés micellaires les plus satisfaisantes a été sélectionné comme système de livraison potentiel de chlorhydrate de minocycline (MH) et d’antibiotiques aminoglycosidiques. Les micelles CMD-PEG encapsulantes de MH ou d’aminoglycosides ont une petite taille (< 200 nm de diamètre), une forte capacité de chargement (≥ 50% en poids de médicaments) et une plus longue période de relargage de médicament. Ces micelles furent stables en solution aqueuse pendant un mois; après lyophilisation et en présence d'albumine sérique bovine. De plus, les micelles ont protégé MH contre sa dégradation en solutions aqueuses. Les micelles encapsulant les drogues ont maintenu les activités pharmacologiques de ces dernières. En outre, les micelles MH réduisent l’inflammation induite par les lipopolysaccharides dans les cellules microgliales murines (N9). Les micelles aminoglycosides ont été quant à elles capable de tuer une culture bactérienne test. Toutefois les micelles aminoglycosides/CMDPEG furent instables dans les conditions physiologiques. Les propriétés des micelles ont été considérablement améliorées par des modifications hydrophobiques de CMD-PEG. Ainsi, les micelles aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG ont montré une taille plus petite et une meilleure stabilité aux conditions physiologiques. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent que CMD-PEG copolymères sont des systèmes prometteurs de relargage de médicaments cationiques.

Études structurales d’interactions protéine/protéine impliquées dans l’érythropoïèse

Le développement hématopoïétique est régulé par l’action combinée de facteurs de transcription lignée spécifiques et de la machinerie transcriptionnelle de base, permettant ainsi l’expression de gènes en temps et lieu appropriés. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude structurale et fonctionnelle d’interactions décisives pour la régulation de l’expression de gènes et impliquant des domaines de transactivation (TAD). En effet, les interactions faisant intervenir les TAD d’activateurs permettent de réguler l’activation de la transcription de façon spécifique. La première étude présentée dans cette thèse relate l'identification et la caractérisation d'une nouvelle interaction entre deux facteurs de transcription : le facteur hématopoïétique GATA-1 et la protéine suppresseur de tumeur p53. En combinant des études in vitro par titrage calorimétrique en condition isotherme (ITC) et par spectroscopie RMN et des études in vivo, nous avons identifié et caractérisé cette nouvelle interaction. Il s'avère que le TAD de p53 et le domaine de liaison à l’ADN de GATA-1 sont les domaines minimaux requis pour la formation de ce complexe. L'inhibition de la voie p53 par GATA-1 s’est avérée être la conséquence majeure de cette interaction, permettant ainsi le maintien en vie des précurseurs érythrocytaires via l’inhibition de l’apoptose. Un deuxième type d’interaction a fait l’objet d’études : l’interaction entre divers TAD et la machinerie transcriptionnelle de base, plus spécifiquement avec le Facteur général de Transcription IIH (TFIIH). La structure des complexes constitués par la sous-unité Tfb1/p62 du facteur TFIIH en interaction avec le TAD viral de VP16 d’une part, et avec le TAD humain du facteur érythrocytaire « Erythroid Krüppel-like factor» (EKLF) d’autre part, ont été résolues par spectroscopie RMN. La structure du complexe Tfb1/VP16 a révélée que le mode de liaison de VP16 à Tfb1 est similaire au mode de liaison du TAD de p53 avec le même partenaire. En effet, les TAD de VP16 et de p53 forment tous deux une hélice α de 9 résidus en interaction avec Tfb1. En dépit de partager avec p53 et VP16 le même site de liaison sur Tfb1/p62, la structure RMN du complexe EKLF/Tfb1 démontre que le mode d’interaction de ce TAD se distingue du mode de liaison canonique des activeurs transcriptionnels. Etonnamment, EKLF adopte un mécanisme de liaison semblable au mécanisme de liaison du facteur général de transcription TFIIEα avec p62, leurs conformations demeurent étendues en interaction avec Tfb1/p62. En se basant sur nos données structurales, nous avons identifié un résidu dans le TAD d'EKLF décisif pour la formation du complexe EKLF/p62 : le Trp73. La mutation de cet acide aminé perturbe son interaction avec Tfb1PH/p62PH et réduit significativement l'activité transcriptionnelle d'EKLF dans les érythrocytes.

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.

Étude du mécanisme de protection des spermatozoïdes de mammifères par le lait

Le lait écrémé est utilisé depuis plus d’un demi-siècle comme diluant protecteur des spermatozoïdes de mammifères. Depuis quelques années, il existe une demande grandissante pour des diluants exempts de produits d’origine animale. Toutefois, le mécanisme par lequel le lait protège les spermatozoïdes n’est pas connu, ce qui rend difficile de lui trouver un substitut. Les protéines majeures du plasma séminal de taureau, les protéines « Binder of SPerm » (BSP), sont néfastes lors de la conservation de la semence. Les spermatozoïdes sont en contact avec une grande concentration de protéines BSP qui stimulent une extraction continuelle de cholestérol/phospholipides de leur membrane plasmique. Les lipoprotéines de faible densité (LDL) du jaune d’oeuf, un autre composé utilisé dans les diluants, empêcheraient les protéines BSP de se lier à la membrane des spermatozoïdes de taureaux et de stimuler un efflux des lipides membranaires, ce qui les protégerait durant la conservation. Notre hypothèse était que les protéines du lait protègent les spermatozoïdes durant la conservation en séquestrant les protéines BSP. Premièrement, nous avons démontré par filtration sur gel qu’il y a une interaction entre les protéines BSP bovines et les protéines du lait. Le lait écrémé a été fractionné en trois fractions : F1 (alpha-lactalbumine, bêta-lactoglobuline et caséine kappa), F2 (toutes les protéines du lait) et F3 (sels, sucres et petits peptides). Les protéines BSP1 et BSP5 ont une affinité plus grande pour F1 que BSP3, tandis que toutes les protéines BSP ont une affinité pour F2. Le titrage calorimétrique isotherme a permis de confirmer l’interaction entre les protéines BSP et les protéines du lait. L’association entre la protéine BSP1 bovine et les micelles de caséines est caractérisée par une constante d’affinité (Ka) de 3.5 × 10^5 M-1 et un paramètre stoichiométrique (n) de 4,5 BSP1 pour une caséine. L’association entre la protéine BSP1 bovine et l’alpha-lactalbumine (une protéine du sérum principale), est caractérisée par un Ka de 2.4 × 10^5 M-1 et une valeur “n” de 0,8. Ces résultats indiquent que le lait protège les spermatozoïdes bovins en séquestrant les protéines BSP grâce à une interaction protéine : protéine, tandis que le jaune d’oeuf les protège grâce à une interaction protéine : lipoprotéine. Deuxièmement, nous avons démontré par filtration sur gel que les protéines homologues aux BSP bovines retrouvées dans le plasma séminal de porc, d’étalon et de bélier ont une affinité avec les protéines du lait, ce qui suggère que le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait pourrait être le même chez ces espèces. Troisièmement, nous avons caractérisé l’interaction entre BSP1 bovine et les LDL du jaune d’oeuf qui a un Ka de 3.4 ± 0.4 × 10^6 M-1 et une valeur de « n » de 104 BSP1 pour une particule de LDL, indiquant qu’il existe des différences entre le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait et le jaune d’oeuf. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse aideront à créer de nouveaux diluants ne contenant pas de produits d’origine animale afin de cryoconserver les spermatozoïdes des mammifères.