Academic literature on the topic 'Biosenseurs'

Abstract We focus on the concept of a junction-less tunnel transistor to suggest and simulate a dielectric modulated double cavity nanotube TTunnel Field-Effect Transistor as a biosensor. The proposed biosensor works as a label-free detector about dielectric constant (K) and charge density (ρ). In this, for neutral biomolecules (streptavidin and 3-aminopropyl-triethoxysilane) and charged biomolecule (deoxyribonucleic acid) are used for detection by the proposed sensor.The inner and outer cavities of the nanotube biosensor provide a large area for the stabilization of biomolecules and take advantage of the benefits of material solubility. The sensing capability of the proposed device investigates various DC performance parameters for the different dielectric biomolecules and charge densities. Further, the effect of substitution of SiO2 gate insulating layer by HfO2 also studies the sensing capability of the proposed biosensor. Moreover, a relative study of the biosensor for the presence and absence of inner and outer nanogap cavities performs in terms of different DC components to analyze the sensitivity variation.

Flurorescent sensors become a powerful tool for non invasive monitoring of intracellular ion concentrations and intracellular protein localisation. In our work we study properties of genetically encoded C1 sensors 'C1-sensor", that is a CFP-YFP based construct, "Biosensor-GlyR" that is a GlyR channel with C1-Sensor incorporated into intracellular domain, proposed method for application of this proteins to measurements of intracellular C1 in different cell types, identify sensitivity to C1 and estimate chloride concentration in cell lines and primary hippocampal cultures. In the second part of our work we reveal intracellular dynamics of hippocalcin, a member of neuronal calcium sensors protein family, tagged with yellow fluorescent protein. We identify spatial temporal characteristics of Ca2+ dependent hippocalcin translocations in process of hippocampal neurons that support the idea of hippocalcin role in a decoding of short place specific calcium signals in neurons<br>Les senseurs fluorescents deviennent un instrument puissant pour la mesure non-invasive de la concentration des ions intracellulaires et pour la localisation des protéines intracellulaires. Notre travail consiste à étudier les propriétés d'un senseurs C1- codés génétiquements, le 'C1-Sensor', qui est une construction CFP-YFP, et celles du 'Biosensor-GlyR', qui est un canal GlyR fusionné avec le C1-Sensor. Nous avons caractérisé les propriétés spectrales de ces senseurs, mesuré leurs sensibilité au C1- et évalué la [C1-]i dans des cellules CHO et des cultures hippocampales primaires. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons trouvé et décrit les caractéristiques temporelles et spatiales de la translocation de l'hippocalcin marqué par EYFP. Ce résultat laisse à penser que cette protéine permet de faire le décodage rapide des signaux calciques à des endroits spécifiques dans les neurones

Notre équipe s'intéresse à la compréhension des mécanismes de dérégulation des voies de signalisation cellulaire dans la survenue et la maintenance des processus tumoraux, ainsi que leurs conséquences dans la réponse aux thérapies antitumorales. Nous nous intéressons particulièrement aux protéines Rho et à leurs régulateurs. Ils interviennent dans les voies de signalisation des récepteurs cellulaires conduisant à des modifications de l'adhérence, de la prolifération, de la motilité et de la balance survie/mort cellulaire. Les protéines RhoA, RhoB et RhoC sont des petites GTPases passant d'un état actif (liées au GTP) à un état inactif (liées au GDP) et dont l'homologie est proche de 85%. La surexpression des protéines RhoA et RhoC a été décrite dans un grand nombre de tumeurs; à l'inverse, on observe une diminution de l'expression de RhoB dans le mélanome et dans le cancer du poumon. La conception de fragments d'anticorps sélectifs de la conformation active des Rho, appelés biosenseurs, permettant d'évaluer l'activation de ces protéines in situ dans des coupes de tissus sains et cancéreux, pourrait aboutir à un usage pronostique de ces outils voire à la définition de nouveaux marqueurs thérapeutiques et permettrait de répondre à des questions plus fondamentales comme leurs localisations cellulaire, leur rôle dans la migration cellulaire, leur activation spatio-temporelle. A partir du scFvC1 sélectif de la conformation active des trois protéines RhoA, RhoB et RhoC et isolé précédemment dans l'équipe, nous avons créé une banque secondaire par mutagénèse aléatoire et opéré une sélection par phage display avec un objectif double : 1°) augmenter l'affinité du scFvC1 pour améliorer ses capacités d'interaction avec les protéines Rho actives natives en vue d'améliorer ses performances en immunohistologie ainsi que pour une utilisation intracellulaire. 2°) sélectionner des variants spécifiques de chaque Rho malgré leur très forte homologie. Nous montrons que la stratégie mise en œuvre permet d'augmenter l'affinité des scFv et de modifier leur sélectivité puisqu'un variant se lie préférentiellement à RhoA et RhoC. De plus, contrairement au svFvC1, ces scFv sont immunoprécipitants pour les Rho actives produites dans des cellules eucaryotes. En parallèle, nous avons mis au point une méthodologie permettant le marquage d'un scFv anti-RhoB obtenu au laboratoire, par l'action d'un dérivé fluorescent de la biotine sur une intéine exprimée en fusion C-terminale du scFv. Ceci permettra d'améliorer les techniques immunohistologiques avec des biosenseurs fluorescents<br>Our team is interested in understanding the mechanisms of deregulation of cell signaling pathways in the development and maintenance of tumor processes and their consequences in response to anti-tumor therapies. We focuse on Rho proteins as well as on their regulators. They are involved in signaling pathways of cell receptors leading to changes in adhesion, proliferation, motility and balance survival / cellular death. RhoA, RhoB and RhoC are small GTPases switching from an active state (GTP-bound) to an inactive state (GDP-bound) and the homology of which is close to 85%. Overexpression of RhoA and RhoC protein has been described in many tumors; in contrast, there was a decreased expression of RhoB in melanoma and lung cancer. Engineering antibody fragment specific of Rho active conformations, namely biosensors, would allow in situ assessment of these proteins activation in healthy or tumour samples. These tools could be further developed towards diagnosis or prognosis usage, or could even define novel therapeutics markers and be used to answer more fundamental question as their cellular localization, their role in cell migration, or their spatio-temporal activation. Starting from the scFvC1 previously isolated in the group and which is selective for RhoA, RhoB and RhoC active conformations, we have created by random mutagenesis a second library and performed a phage display selection with two aims: 1°) increase the C1 scFv affinity to enhance its interaction potential with active native Rho proteins in order to improve its performance in immuno-histology or to use it as an intracellular antibody. 2°) select variants with a selectivity towards strictly only one of the three Rho excluding the others despite their strong homology. We show that our strategy allowed an affinity increase of scFv and also a selectivity modulation as one variant preferentially binds RhoA and C. Moreover, in contrast to scFvC1 these scFvs immuno-precipitate active endogenous Rho Proteins in eukaryotic cells. In parallel, we have established a method allowing the labelling of an anti-RhoB scFv from the lab, by fusing it to an intein that induce covalent binding of a biotin fluorescent analogue. This approach will improve immuno-histological techniques using fluorescent biosensors

Beaucoup de médicaments anticancéreux entrainent à plus ou moins long terme une cardiotoxicité, dont les mécanismes moléculaires restent encore très mal connus. Aujourd'hui, peu de moyens existent pour prédire, au stade du développement préclinique, le potentiel cardiotoxique de ces molécules. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail de thèse a consisté à utiliser le principe de transfert d'énergie bioluminescente par résonance (BRET) pour créer des biosenseurs de l'activité des phosphoinositide-3-kinases (PI3K) de classe IB. En effet, ces protéines kinases ubiquitaires sont des cibles pharmacologiques majeures de part leur implication dans les phénomènes cancéreux, et sont également importantes pour l'homéostasie cardiaque. Ainsi, elles pourraient constituer une cible cardiaque des agents anticancéreux participant au développement de la cardiotoxicité. Les PI3K-IB sont des hétérodimères formés d'une sous-unité catalytique (C) p110y associée à une sous-unité régulatrice (R) dont il existe deux isoformes, p87 et p101. Pour développer le senseur PI3Ky, un donneur (Rluc8) et un accepteur (GFP2) d'énergie BRET ont été fusionnés en position N- ou C-terminale de chacune des sous-unités C et R (senseur intermoléculaire). Après vérification de l'expression cellulaire de ces constructions dans les cellules HEK293T, les interactions entre les différentes paires de senseurs BRET (8 combinaisons au total) C et R ont été mesurées, en temps réel dans les cellules vivantes, à la recherche d'un couple capable de refléter l'activation de la PI3K. Nos résultats démontrent des interactions spécifiques basales entre les sous-unités C et R des couples p110y-p87 et p110y-p101. Par contre, aucune des conditions de stimulations testées (nature du récepteur, concentrations de ligand, temps de stimulation, stœchiométrie des senseurs) n'a permis de détecter des modulations du signal BRET. La présence de co-activateurs connus de la PI3Ky tels que les protéines Ras ou les protéines G hétérotrimériques n'a pas non plus aidé à la modulation du signal BRET. Nous avons ensuite tenté de créer un senseur indirect de l'activité de la PI3Ky en mesurant par BRET les interactions entre les sous-unités de PI3K et des protéines G (décrites dans la littérature) lors de l'activation de la PI3Ky. Étonnamment, les résultats révèlent une pré-association basale entre les sous-unités de la PI3Ky et celles des protéines G mais sans détection de modulation significative de signal BRET après stimulation. En conclusion, nous n'avons pu établir un biosenseur BRET de l'activité de la PI3Ky en mesurant les interactions entre les sous-unités régulatrices et catalytiques. Ainsi, l'absence de modulations détectables du signal BRET après stimulation entre les deux sous-unités pré-complexées pourrait rendre compte d'un mécanisme d'activation impliquant des changements conformationnels plutôt qu'une association-dissociation physique. Dans le futur, l'étiquetage intramoléculaire des sous-unités C ou R avec les deux sondes BRET pourrait peut-être mieux détecter ces conformations et l'activité de la PI3Ky. D'un point de vue fondamental, l'existence de pré-complexes PI3Ky-protéines G pourraient également rendre compte d'une régulation spatio-temporelle plus fine et spécifique de la kinase, en accord avec les récents concepts de modules de signalisation préformés<br>Cardiotoxicity is a recognized long-term consequence of a lot of anticancer drugs, but its mechanisms are not well-known. To date, the cardiotoxic potential of anticancer drugs is difficult to predict during preclinical studies due to the lack of appropriate tools. In this context, the aim of this thesis project was to develop biosensors, based on the use of bioluminescent resonance energy transfer (BRET) principle, to measure class IB phosphoinositide-3-kinases (PI3K) activity. Indeed, these ubiquitous kinases are major pharmacological oncotargets due to their participation in cancer development, but they also have a preponderant role in cardiac homeostasis. Thus, they could represent cardiac targets for anticancer drugs participating in the development of cardiotoxicity.PI3K-IB are heterodimers of a catalytic subunit (C) p110y and a regulatory subunit (R) p87 or p101. To develop the PI3Ky sensor, BRET energy donor (Rluc8) and acceptor (GFP2) were fused at the N-terminal or C-terminal of each subunit (intermolecular sensor). After expression control of each probe in HEK293T cells, the interactions between C and R subunits for all BRET pairs (8 combinations) were studied, in living cells in real time, so to find one able to sense PI3Ky activation. Our results indicated specific basal interaction between C and R subunits from p110y-p87 and p110y-p101 pairs. However, none of the stimulation conditions tested (receptor nature, ligand concentration, stimulation kinetics and biosensor stoichiometry) allowed the detection of BRET signal modulation. Further addition of p110y co-activators such as Ras proteins or heterotrimeric G proteins, did not improve BRET modulation. We then tried to create an indirect BRET sensor of PI3Ky activity by measuring the interaction between PI3K and G proteins subunits, known to occur during PI3Ky activation. Surprisingly, results highlighted a basal pre-association of PI3Ky and G protein subunits without BRET modulations upon PI3Ky stimulation.In conclusion, we failed to create a BRET biosensor of the PI3Ky activity based on the measure of the interaction between the catalytic and regulatory subunits. However, the pre-association of PI3K subunits without BRET modulation could reflect a mechanism of PI3Ky activation based on conformationals changes of the complex between C and R subunits rather than physical association-dissociation. In the future, intramolecular labeling of the C or R subunit with the two BRET probes could better detect conformational changes and therefore PI3Ky activity. From a fundamental standpoint, the existence of PI3Ky-G proteins pre-complexes could reflect a specific spatio-temporal fine-tuning of the PI3K activity, in agreement with recent concept of preformed cell signaling platforms

En dehors de son rôle de stockage de l’énergie cellulaire, l’adénosine-triphosphate (ATP) est également une molécule de signalisation extracellulaire qui agit sur deux familles de récepteurs, les récepteurs métabotropiques P2Y et les récepteurs ionotropiques P2X. Dans le système nerveux central, les récepteurs P2X et la signalisation purinergique sont impliqués dans de nombreuses fonctions physiologiques comme la modulation de la transmission synaptique et la communication neurone-glie ainsi que dans diverses pathologies telles que les douleurs chroniques, l’épilepsie ou les maladies neurodégénératives. Enregistrer l’activité des récepteurs P2X in situ reste aujourd’hui encore difficile de par la paucité des outils pharmacologiques et de par les propriétés biophysiques particulières de ces récepteurs canaux. De surcroit, les mécanismes de libération de l’ATP sont encore mal caractérisés et la détection de cette molécule dans l’espace extracellulaire est limitée par la faible résolution spatio-temporelle des techniques disponibles. A ce jour, il n’existe aucune méthode satisfaisante permettant de suivre l’activité des récepteurs P2X ou détecter la libération d’ATP en temps réel. Pour pallier à ces manques, nous avons développé de nouveaux outils fluorescents basés sur la fusion du rapporteur calcique GCaMP6s aux récepteurs P2X.Notre étude montre d’abord que ces biosenseurs P2X-GCaMP6s sont capables de rapporter spécifiquement et dynamiquement, en fluorescence, l’activité des récepteurs P2X dans différentes lignées cellulaires (HEK, astrocytes, macrophages), ainsi que dans des neurones hippocampiques en culture. Dans un deuxième temps, l’outil P2X2-GCaMP6s a été modifié afin de créer un biosenseur de haute affinité pour l’ATP extracellulaire. Deux mutants, dont l’affinité apparente est de l’ordre de la centaine de nanomolaire, ont permis de détecter et de quantifier une libération d’ATP endogène. En combinant l’utilisation de ces biosenseurs avec des approches pharmacologiques et génétiques, nous avons montré que lors d’un choc hypotonique l’activation du canal VRAC LRRC8 contribue à la libération d’ATP par les cellules HEK et par des monocytes humains différenciés en macrophages. Enfin, nous avons montré que la libération d’ATP lors du gonflement des cellules déclenchait le phénomène de régulation du volume cellulaire, permettant aux cellules de retrouver leur volume initial.Ces biosenseurs fluorescents permettent donc de visualiser de façon dynamique l’activité des récepteurs P2X et la libération d’ATP. Ces outils étant compatibles avec des approches in vivo, ils devraient permettre une meilleure caractérisation des mécanismes moléculaires de la communication purinergique<br>Adenosine 5'-triphosphate (ATP) is an extracellular signaling molecule acting on two major classes of membrane receptors, metabotropic P2Y receptors and ionotropic P2X receptors. In the central nervous system, P2X receptors are involved in diverse functions such as modulation of synaptic transmission or neuron-glia communication and are implicated in different pathologies including chronic pain, epilepsy or neurodegenerative diseases. Recording P2X receptor activity is difficult because of the paucity of pharmacological tools and because P2X receptors are prone to desensitization. In addition, measuring extracellular ATP concentration is challenging since the mechanisms and the source of ATP are still poorly characterized. In addition, classical ATP detecting approaches have clear spatial and temporal limitations. As a consequence, following P2X activity and visualizing or quantifying ATP release in real time remains challenging. To overcome these issues, we developed new fluorescent biosensors based on the fusion of the fluorescent calcium reporter GCaMP6s to P2X receptors.We first determined that fluorescence specifically reports on the activity of the P2X2 channel in different cell line (HEK, astrocytes, macrophages) and in primary culture of hippocampal neurons. We next engineered P2X2 receptor to create high affinity ATP biosensors. We identified two mutants with EC50s for ATP in the 100 nanomolar range that allow for the detection and the quantification of endogenous ATP release evoked by cell swelling. Using pharmacological approaches and knock-out cells, we demonstrated the implication in ATP release of the recently identify volume-regulated anion channel, LRRC8A in HEK cells and differentiated human macrophages. Finally, we provided evidence that the LRRC8-dependant ATP release is necessary for the cellular regulation of volume decrease after swelling.Our results show that these fluorescent ATP biosensors can be used to dynamically track P2X channel activity and can be used in vivo to decipher the molecular mechanisms involved in purinergic signaling

La protéine kinase activée par AMP (AMPK) est un senseur ubiquitaire du statut énergétique de la cellule eucaryote. Elle est exprimée sous la forme d'un complexe hétérotrimèrique comprenant les sous unités catalytique (α) et régulatrices (β et γ). Ce large complexe protéique (130kDa), fonctionne comme un hub central de la signalisation cellulaire, régulateur du métabolisme énergétique et au-delà. La (dé)régulation de l'AMPK est impliquée dans de nombreuses pathologies et l'AMPK apparait comme une cible de choix pour développer de nouveaux médicaments contre le diabète de type 2. Une fois activée, l'AMPK va restaurer l'homéostasie énergétique en diminuant le métabolisme demandeur d'énergie (anabolisme) et en stimulant le métabolisme produisant le l'énergie (catabolisme). In vivo, l'AMPK est activée par des mécanismes multiples et complexes permettant la fine régulation de son activité lors de différentes situations de stress métaboliques. Premièrement, l'activité de l'AMPK est modulée de manière systémique par phosphorylation et déphosphorylation de la sous unité α (par des kinases et phosphatases en amont respectivement). De plus, l'attachement d'AMP et d'ADP à la sous unité γ augmente la phosphorylation de l'AMPK. Deuxièmement, l'AMPK est activée de manière allostérique par l'AMP qui se lie à sous unité γ lors de chutes du ratio ATP/AMP. Tous ces mécanismes requièrent une communication entre les sous unités α et γ, mais un modèle consensus complet de l'activation de l'AMPK est toujours manquant. Se basant sur différentes études structurales, d'autres et nous-mêmes avons proposé un changement de conformation induit par AMP au sein de l'hétérotrimère AMPK. Afin de mieux élucider ce mécanisme, nous avons tiré profit de ces changements conformationels pour imaginer et créer un hétérotrimère d'AMPK permettant de suivre directement et en temps réel l'état de conformation de l'AMPK par FRET. Une limite importante lors du développement de complexes multiprotéiques est l'augmentation exponentielle de la quantité de travail liée à la modification et la combinaison de nombreux gènes hétérologues lors du remaniement de ces complexes protéiques et de leurs productions. Nous avons utilisé la technologie ACEMBL, qui exploite des techniques de recombinaisons homologues, pour faciliter la révision rapide et itérative de la production et de l'analyse fonctionnelle, après ingénierie, de complexes multi protéiques. Le senseur fluorescent génétiquement codé ainsi crée, et nommé AMPfret, a la propriété de rapporter les changements de conformation induits par les nucléotides ayant lieu au sein de l'AMPK. De plus, les changements de signal FRET corrèlent avec l'activation allostérique de l'AMPK. Le senseur répond à de faible concentrations en AMP (micromolaire) et a démontré la capacité exclusive qu'a l'ATP, et non l'ATP-Mg, à concurrencer l'AMP. De plus, son utilisation a permis une meilleure compréhension du rôle des sites CBS lors de l'activation allostérique. AMPfret peut aussi être considérer comme un outil de choix pour le criblage de molécules ciblant l'AMPK, et pour le monitoring de l'état énergétique intracellulaire<br>AMP-activated protein kinase (AMPK) is a ubiquitous sensor of cellular energy and nutrient status in eukaryotic cells. It is expressed as heterotrimeric complexes comprising catalytic (α) and regulatory (β and γ) subunits. This large protein complex (130kDa), conserved from yeast to plants and mammals, functions as a central signaling hub and master regulator of energy metabolism and beyond. (Dys)regulation of AMPK signaling has been implicated in various pathologies. In particular, AMPK emerged as a suitable target to develop novel drugs for type II diabetes. Once activated AMPK will attempt to restore the energy homeostasis by down-regulating energy demanding pathways (anabolism) and up-regulating the energy producing ones (catabolism). AMPK is activated in vivo by multiple, complex mechanisms allowing fine tuning of AMPK activity in different situations of metabolic stress. First, AMPK activity is systemically modulated via activating phosphorylation at the α-subunit (by upstream kinases) and inactivating dephosphorylation (by upstream phosphatases). In addition, AMP and ADP binding to the γ-subunit increase AMPK phosphorylation. Second, AMPK is allosterically activated by AMP binding to the γ-subunit when the ATP/AMP ratio is falling. All these mechanisms require close communication between the γ- and α subunits, but a complete consensus model for AMPK activation is still lacking. We and others have proposed an AMP-induced conformational switch within the full-length heterotrimeric AMPK complex based on different, complementary structural studies. To further elucidate this mechanism, we have profited from these structural rearrangements to imagine and engineer an AMPK complex that allows a direct, real-time readout of the AMPK conformational state by fluorescence resonance energy transfer (FRET). A definite bottleneck in engineering multiprotein complexes is the exponential increase in work-load if several heterologous genes need to be altered, engineered and combined for revised protein complex production experiments. We used the ACEMBL technology which harnesses site-specific and homologous recombination techniques in tandem to facilitate rapid, iterative revision of multi-protein complex expressions after engineering and functional analysis of multiprotein complex. The resulting genetically encoded fluorescent biosensor, named AMPfret, can report conformational changes within the AMPK heterotrimer induced by nucleotide binding and the monitored FRET correlates with AMPK allosteric activation. The sensor responds to low micromolar concentrations of AMP, shows the exclusive ability of ATP, but not Mg-ATP, to compete with AMP, and allows insight into the role of CBS domains for allosteric AMPK activation. It may also be a tool of choice for AMPK targeted drug screening, and reporting the intracellular energy state

Les stress ont un impact majeur sur l'agriculture. Les études réalisées jusqu'à présent portent majoritairement sur des stress simples, appliqués indépendamment dans des conditions de culture idéales. Cependant, les combinaisons de stress sont la norme dans les champs et la réponse aux combinaisons de stress ne peut être extrapolée à partir de l'addition des réponses aux stress simples. Une analyse bioinformatique de banques de données de transcriptomique a permis d’identifier un gène (HSFA2) répondant a de multiple stress, isolés ou combinés. La présente thèse a pour but de découvrir les mécanismes contrôlant l'expression d’HSFA2. Deux stratégies ont alors été mise en oeuvre. Dans un premier temps, les facteurs capables de fixer une région promotrice d’HSFA2 ont été étudiés par système de « simple hybride levure ». Dans un second temps, une lignée transgénique biosenseur de l’activité d’HSFA2 a été produite et mutagénéisée. De nombreux mutants ont été sélectionnés sur la base d’une expression constitutive du biosenseur. La capacité des mutants sélectionnés à résister à une combinaison de stress chaleur et de stress lumière a ensuite été analysée. L’identification des mutations causales par séquençage du génome entier a permis, dans certains cas, de déterminer quels étaient les loci responsables des résistances observées. En particulier, deux mutations conférant une large résistance seront discutées<br>Stresses represent the major cause of yield loss in modern agriculture. Previously, the majority of studies concern simplified, single stress situations, whereas in the field, stresses are complex and most often occurring in combinations. However, multiple stress response cannot be extrapolated from single stress responses added together. Bioinformatic analysis of transcriptomic data banks allowed us to identify a gene (HSFA2) involved in multiple stress responses. The work presented here aimed at discovering the mechanisms controlling HSFA2 expression. Two strategies were used.First, factors able to bind a region of HSFA2 promoter were studied through a “yeast one hybrid” system. Secondly, a transgenic biosensor of HSFA2 activity line was produced and mutagenized. A great number of mutants were selected on the basis of showing a constitutive activation of the biosensor. Resistance potentials to a combination of heat and high light stresses were then determined. Causal mutations identification through whole genome sequencing allowed, in some cases, to determine which were the loci responsible for the resistance traits. In particular, two mutations confering broad spectrum stress resistance will be discussed

CDK5 est une protéine kinase exprimée de façon ubiquitaire et activée principalement dans le système nerveux central, ou elle joue un rôle important dans la transmission synaptique, la guidance axonale et la migration cellulaire, la plasticité synaptique et le développement neuronal. CDK5 est associée à la protéine p35 au niveau de la membrane cellulaire, et activée par clivage calpaine-dépendant de cette dernière en p25, ce qui conduit à la relocalisation de CDK5/p25 dans le cytoplasme cellulaire. CDK5/p25 phosphoryle de nombreux substrats dont la protéine Tau, contribuant ainsi à l’apparition de plaques neurofibrillaires responsable des pathologies neurodégénératives comme Alzheimer et Parkinson, lorsqu’elle est hyperactivée. Plus récemment, l’expression et l’hyperactivation de CDK5 a été décrite comme impliquée dans le développement de cancers et en particulier de tumeurs cérébrales. Toutefois aucune approche ne permet actuellement de détecter et de mesurer l’activité de CDK5/p25 directement dans des cellules vivantes, au sein des tissus et des tumeurs concernées, dû à un manque d’outils fiables et sensibles pour quantifier les changements dynamiques de son activité kinase. Par ailleurs, peu d’inhibiteurs sont actuellement disponibles pour inhiber CDK5/p25, de manière spécifique, la plupart ciblant la poche de fixation de l’ATP.Le premier objectif de ma thèse a consisté à développer un biosenseur d’activité fluorescent de nature peptidique appelé CDKACT5 qui rapporte l’activité kinase de CDK5/p25 recombinante et dans des extraits cellulaires de manière dynamique et réversible suivant stimulation ou inhibition de cette kinase. Une fois caractérisé et validé in vitro, le biosenseur a été appliqué à la détection d’altérations de CDK5/p25 dans différentes lignées cellulaires de glioblastome dans des essais fluorescents d’activité kinase. Enfin CDKACT5 a été introduit dans des cellules neuronales vivantes afin de suivre les changements dynamiques d’activité de CDK5/p25 par microscopie de fluorescence et vidéo microscopie.Le deuxième objectif de ma thèse a consisté à développer un biosenseur fluorescent conformationnel dans le but d’identifier des inhibiteurs non compétitifs de l’ATP ciblant la boucle d’activation de CDK5. Le biosenseur CDKCONF5 a été exploité pour réaliser un criblage haut débit de trois chimiothèques de petites molécules. Les touches identifiées ont été validées et caractérisées in vitro, pour déterminer leur potentiel inhibiteur dans des tests d’activité kinase et de prolifération cellulaire, ainsi que leur mécanisme d’action. Ces molécules constituent des candidats prometteurs pour une chimiothérapie sélective du glioblastome<br>CDK5 is a protein kinase ubiquitously expressed but mainly activated in the central nervous system, where it plays an important role in neuronal functions such as synaptic transmission, axonal guidance and migration, synaptic plasticity and neuronal development. CDK5 is associated with p35 protein at the cell membrane, then activated by calpain-mediated cleavage of p35 into p25, which promotes relocalization of CDK5/p25 into the cytoplasm. CDK5/p25 phosphorylates a wide variety of substrates including Tau, thereby contributing to appearance of neurofibrillary plaques responsable for neurodegenerative pathologies such as comme Alzheimer’s et Parkinson’s, when hyperactivated. More recent studies suggest that CDK5 expression and hyperactivation are involved in glioblastoma during cell invasion and CDK5 expression has been reported to be correlated with the pathological grade of gliomas. However there are currently no tools available to monitor CDK5/p25 activity in its native cellular environment, in tissues or in tumours, due to an overall lack of reliable tools to quantify dynamic changes in its kinase activity in a sensitive and continuous fashion. Furthermore, few inhibitors are currently available to target CDK5/p25 in a specific fashion and most of them are ATP competitive inhibitors.The first goal of my thesis was to develop a fluorescent peptide biosensor named CDKACT5, that specifically reports on recombinant CDK5/p25 and on endogenous CDK5 activity in cell extracts in a dynamic and reversible fashion following stimulation or inhibition of this kinase. Once validated in vitro, this biosensor was applied to detect alterations in CDK5/p25 activity in different glioblastoma cell lines in fluorescent kinase activity assays. Finally CDKACT5 was introduced into cultured neuronal cells to monitor dynamic changes in CDK5/p25 activity by fluorescence imaging and time-lapse microscopy.The second goal of my thesis project consisted in developing a conformational fluorescent biosensor to identify non-ATP competitive inhibitors targeting the activation loop of CDK5. CDKCONF5 was implemented to perform a high throughput screen of three small molecule libraries. The hits identified were validated and characterized to determine their inhibitory potential in kinase activity and proliferation assays, as well as their mechanism of action. These compounds constitute promising for selective chemotherapy in glioblastoma

Chez les eucaryotes supérieurs, la progression ordonnée du cycle cellulaire est régie par une dizaine de kinases Cdk-cyclines. Les altérations génétiques ou épigénétiques impliquant des oncogènes ou des gènes codant pour des suppresseurs de tumeurs sont souvent associées à l'expression ou l'activation aberrante des Cdks, favorisant ainsi la prolifération cellulaire incontrôlée et notamment le développement de cancers. Malgré la pertinence oncogénique et thérapeutique de ces protéines, leur détection est restée jusqu'à présent limitée à des méthodes indirectes et invasives. Dans ce contexte, mes travaux de thèse ont permis de développer un biosenseur peptidique fluorescent permettant de reconnaître spécifiquement les Cdk-cyclines. Associé à une stratégie de vectorisation non invasive basée sur l'utilisation de peptides vecteurs pénétrants, le biosenseur a été délivré efficacement dans les cellules. La mise au point d'une quantification ratiométrique du signal a par ailleurs permis d'évaluer l'abondance relative des Cdk-cyclines endogènes. Deux variants plus spécifiques de certains complexes ont pu être développés. Enfin, d'autres versions du biosenseur ont quant à elles permis d'évaluer sa biodistribution in vivo et de mettre au point un essai cellulaire en vue d'un criblage de petites molécules ayant un effet sur l'abondance relative des Cdk-cyclines<br>Cdk-cyclins represent key regulators of cell cycle progression among superior eukaryotes. Genetic and epigenetic alterations involving oncogenes or tumor suppressor genes are often associated with aberrant expression or activation of Cdks, leading to the sustained proliferation of cells and by the way to the development of cancers. Despite the oncogenic and therapeutic relevance of these proteins, their detection has so far remained limited to indirect and invasive methods. My Ph.D. thesis work aimed in this context at developing peptidic fluorescent biosensors that specifically recognize Cdk-cyclins. Combined to cell-penetrating peptides, the biosensor was efficiently delivered into cells. Following the development of the signal ratiometric quantification, the relative abundance of endogenous Cdk-cyclins was directly evaluated in living cells. Two other variants, that are more specific towards specific Cdk-cyclin complexes, were also designed. Finally, the development of novel versions of the biosensor allowed us to evaluate its biodistribution in vivo and to set up a cell-based assay to screen small molecules having an effect on Cdk-cyclin relative abundance

La disponibilité et la persistance à l'échelle locale des métaux lourds pourraient être critiques notamment pour l'usage futur des zones agricoles ou urbaines, au droit desquelles de nombreux sites industriels se sont installés dans le passé. La gestion de ces situations environnementales complexes nécessitent le développement de nouvelles méthodes d'analyse peu invasives (capteurs environnementaux), comme celles utilisant des biosenseurs bactériens, afin d'identifier et d'évaluer directement l'effet biologique et la disponibilité chimique des métaux. Ainsi dans ce travail de thèse, nous avons cherché à identifier, à l'aide d'outils mathématiques de l'algèbre multi-linéaire, les réponses de senseurs bactériens fluorescents dans des conditions environnementales variées, qu'il s'agisse d'un stress engendré par la présence à forte dose d'un métal ou d'une carence nutritive engendrée par son absence. Cette identification est fondée sur l'analyse quantitative à l'échelle d'une population bactérienne de signaux multidimensionnels. Elle repose en particulier sur (i) l'acquisition de données spectrales (fluorescence) multivariées sur des suspensions de biosenseurs multicolores interagissant avec des métaux et sur (ii) le développement d'algorithme de décomposition tensoriels. Les méthodes proposées, développées et utilisées dans ce travail s'efforcent d'identifier " sans \textsl{a priori} " (\textsl{a minima}), la réponse fonctionnelle de biosenseurs sous différentes conditions environnementales, par des méthodes de décomposition de tenseurs sous \hyphenation{con-train-tes} des signaux spectraux observables. Elles tirent parti de la variabilité des réponses systémiques et permettent de déterminer les " sources " élémentaires identifiant le système et leur comportement en fonction des paramètres extérieurs. Elles sont inspirées des méthodes CP et PARALIND . L'avantage de ce type d'approche, par rapport aux approches classiques, est l'identification unique des réponses des biosenseurs sous de faibles contraintes. Le travail a consisté à développer des algorithmes efficaces de séparations de sources pour les signaux fluorescents émis par des senseurs bactériens, garantissant la séparabilité des sources fluorescentes et l'unicité de la décomposition. Le point original de la thèse est la prise en compte des contraintes liées à la physique des phénomènes analysés telles que (i) la parcimonie des coefficients de mélange ou la positivité des signaux "source", afin de réduire au maximum l'usage d'a priori ou (ii) la détermination non empirique de l'ordre de la décomposition (nombre de sources). Cette posture a permis aussi d'améliorer l'identification en optimisant les mesures physiques par l'utilisation de spectres synchrones ou en apportant une diversité suffisante aux plans d'expériences. L'usage des spectres synchrones s'est avéré déterminant à la fois pour améliorer la séparation des sources de fluorescence, mais aussi pour augmenter le rapport signal sur bruit des biosenseurs les plus faibles. Cette méthode d'analyse spectrale originale permet d'élargir fortement la gamme chromatique des biosenseurs fluorescents multicolores utilisables simultanément. Enfin, une nouvelle méthode d'estimation de la concentration de polluants métalliques présents dans un échantillon à partir de la réponse spectrale d'un mélange de biosenseurs non-spécifiques a été développée.

Les CDK/cyclines jouent un rôle majeur dans la progression du cycle cellulaire et dans le maintien de la prolifération des cellules cancéreuses, constituant ainsi des biomarqueurs clés et des cibles pharmacologiques attractives. Plus particulièrement, l’activité de CDK4/cycline D, kinase responsable de la progression de la phase G1 et de la transition G1/S, est dérégulée dans de nombreux cancers dont le mélanome. Cette hyperactivation est associée à des mutations, à l’amplification ou à la surexpression de CDK4, cycline D, p16INK4a ou encore pRb.Comme aucune approche sensible et directe n’existe pour évaluer l’activité de CDK4/cycline D dans des conditions physiologiques et pathologiques, le premier objectif de ma thèse a consisté à développer un biosenseur fluorescent permettant d’étudier cette kinase in vitro et in cellulo. Une fois caractérisé et validé in vitro, le biosenseur a été appliqué à la détection d’altérations de CDK4/cycline D dans des biopsies de peau humaine et de xénogreffes de mélanome dans des essais fluorescents d’activité kinase, ainsi que dans des cellules cancéreuses vivantes par microscopie de fluorescence et vidéo microscopie.Par ailleurs, peu d’inhibiteurs sont actuellement disponibles pour inhiber CDK4/cycline D et la plupart d’entre eux ciblent la poche de fixation de l’ATP. C’est pourquoi le second objectif de ma thèse a consisté à identifier des inhibiteurs non compétitifs de l’ATP, soit par élaboration rationnelle de peptides, soit par criblage de petites molécules. A cette fin, deux biosenseurs fluorescents ont été développés qui permettent d’identifier respectivement des composés ciblant l’interface entre CDK4 et cycline D ou des inhibiteurs allostériques capables de perturber la dynamique conformationnelle de CDK4. Des essais de criblage par fluorescence réalisés avec ces biosenseurs ont conduit à l’identification de touches qui ont été validées et caractérisées in vitro et dans des essais de prolifération cellulaire, et qui constituent des candidats prometteurs pour une chimiothérapie sélective du mélanome<br>CDK/cyclins play a central role in coordinating cell cycle progression, and in sustaining proliferation of cancer cells, thereby constituting established cancer biomarkers and attractive pharmacological targets. In particular, CDK4/cyclin D, which is responsible for coordinating cell cycle progression through G1 into S phase, is a relevant target in several cancers including melanoma, associated with mutation of CDK4, cyclin D, p16INK4a and pRb.As there are no sensitive and direct approaches to probe CDK4/cyclin D activity in physiological and pathological conditions, the first goal of my thesis has consisted in engineering a fluorescent biosensor to probe this kinase in vitro and in cellulo. Once characterized and validated in vitro, the biosensor was applied to detect CDK4/cyclin D alterations in biopsies from human skin and melanoma xenografts in fluorescence-based activity assays, and in living cancer cells by fluorescence microscopy and timelapse imaging.Moreover, only few inhibitors are currently available to target CDK4/cyclin D and most of them bind the ATP pocket. As such, the second major goal of my thesis project has consisted in identifying non-ATP competitive inhibitors, either through rational design of peptides or by screening small molecule libraries. To this aim, two fluorescent biosensors were engineered which discriminate compounds that target the interface between CDK4 and cyclin D, or that perturb the conformational dynamics of CDK4, respectively, from ATP-pocket binding compounds. Fluorescence-based screening assays performed with these biosensors lead to identification of hits, which were validated and characterized in vitro and in cell proliferation assays, and which constitute promising candidates for selective chemotherapy in melanoma