Développement de biosenseurs fluorescents pour la détection d'activité de CDK/Cyclin in vitro et dans les cellules vivantes

Development of fluorescent biosensors for probing CDK/Cyclin activity in vitro and in cellulo

• Auteur / Autrice : Ngoc Van
• Direction : May Catherine Morris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 09/07/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; ....-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche de Biochimie Macromoléculaire (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Christian Le Peuch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : May Catherine Morris, Christian Le Peuch, Anne-Marie Lellouch, Pierre Colas, Franck Riquet, Cyril Favard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Lellouch, Pierre Colas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Indicateurs biologiques

Fluorescence

Kinases dépendantes des cyclines

Mots clés libres

Biosenseur

Fluorescence

Polypeptide

Cancer

Cycle cellulaire

Ciblage

Biosensor

Fluorescence

Polypeptide

Cancer

Cell cycle

Targeting

Résumé

Les Kinases cycline-dépendantes (CDK / cyclines) jouent un rôle majeur dans la régulation de la progression du cycle cellulaire et la prolifération des cellules cancéreuses, et constituent ainsi des cibles d'intérêt pour le développement de stratégies de diagnostic et thérapeutiques anticancéreuse. L'objectif de cette étude a consisté à développer une famille de biosenseurs fluorescents pour mesurer l'activité des CDK/ cycline in vitro, in cellulo et in vivo.Nous avons conçu et développé un biosenseur polypeptidique sensible à l'environnement comprenant une séquence substrat des CDKs, qui est marquée avec une sonde fluorescente sensible à l'environnement à proximité du site de phosphorylation, et un domaine de liaison phospho-amino acide, qui se lie à la séquence du substrat lorsqu'il est phosphorylé, ce qui modifie l'environnement de la sonde fluorescente et conduit par conséquent à l'augmentation de la fluorescence. Plusieurs variants de ce premier biosenseur CDKACT ont été développés. Les biosenseurs ont d'abord été caractérisés in vitro en utilisant plusieurs complexes CDK / cycline recombinants et avec des CDK / cyclines endogènes à partir d'extraits cellulaires, induisant des changements dynamiques de l'intensité de fluorescence, qui ont été mesurés en temps réel. Nous avons caractérisé la spécificité de ces biosenseurs pour les kinases CDK/ cycline par rapport à d'autres kinases (Plk1, Plk3, CIV, PKA, MAPK). En outre ces biosenseurs permettent de mesurer des différences dans l'activité des CDK/Cyclines entre différentes lignées cellulaires saines et cancéreuses. Enfin, nous avons mis en place les conditions pour internaliser ces biosenseurs dans des cellules vivantes grâce à des formulations de peptides pénétrants, afin de mesurer l'activité des CDK / cycline en temps réel. L'imagerie time-lapse et la quantification ratiométrique de fluorescence de la sonde sensible à l'environnement par rapport à une sonde fluorescente standard a permis de suivre l'activité des CDK/ cycline au cours du cycle cellulaire de cellules en division, des cellules ne se divisant pas et des cellules traitées avec des inhibiteurs des CDK / cycline. Les biosenseurs ont également été utilisé pour établir des conditions nécessaires à réaliser un criblage haut débit et des essais d'imagerie in vivo dans des modèles de souris comportant des xénogreffes.

Cyclin-dependent kinases (CDK/Cyclins) play central roles in regulation of cell cycle progression and proliferation of cancer cells, thereby constituting attractive targets for development of cancer diagnostics and therapeutics. The objective of this study consisted in developing a family of fluorescent biosensors to probe CDK/Cyclin activity in vitro, in cellulo and in vivo. To this aim, we designed and engineered an environmentally sensitive polypeptide sensor consisting of a CDK substrate sequence labelled with an environmentally-sensitive dye proximal to the phosphorylation site, and a phospho-amino acid binding domain, which binds the substrate sequence when it is phosphorylated, thereby altering the environment of the fluorescent probe and consequently leading to fluorescence enhancement. Several variants of this first CDKACT biosensor were further engineered. The biosensors were first characterized in vitro using several recombinant CDK/Cyclin complexes and endogenous CDK/Cyclins from cell extracts, inducing dynamic changes in fluorescence intensity, which were measured in real-time. We further characterized the specificity of these biosensors for CDK/Cyclin kinases as opposed to other kinases (Plk1, Plk3, CIV, PKA, MAPK). We further applied CDK biosensors to measure CDK/Cyclin kinase activity between different healthy and cancer cell lines. Finally, we established conditions to deliver the biosensors into living cells thanks to cell-penetrating peptide formulations, to monitor CDK/Cyclin activity in real time. Time-lapse imaging and ratiometric quantification of fluorescence of the environmentally sensitive probe over that of a fluorescent standard allowed to monitor CDK/Cyclin activity throughout the cell cycle of dividing cells, non-dividing cells and cells treated with CDK/Cyclin inhibitors. The biosensors were further applied to establish conditions for a high throughput screen and an in vivo imaging assay using xenografted mouse models.