La maladie d’Alzheimer touche plus de 40 millions de personnes dans le monde et résulte de l’agrégation du peptide beta-amyloïde de 40/42 résidus. En dépit de nombreuses études expérimentales et théoriques, le mécanisme de formation des fibres et des plaques n’est pas élucidé, et les structures des espèces les plus toxiques restent à déterminer. Dans cette thèse, je me suis intéressée à deux aspects. (1) La détermination du noyau de nucléation (N*) de deux fragments (Aβ)16-22 et (Aβ)37-42. Mon approche consiste à déterminer les paramètres OPEP du dimère (Aβ)16-22 en comparant des simulations Monte Carlo sur réseau et des dynamiques moléculaires atomiques par échange de répliques. Les paramètres fonctionnant aussi sur le trimère (Aβ)16-22 et les dimères et trimères (Aβ)37-42, j’ai étudié la surface d’énergie libre des décamères et mes simulations montrent que N* est de 10 chaines pour (Aβ)16-22 et est supérieure à 20 chaines pour (Aβ)37-42. (2) J’ai ensuite étudié les structures du dimère (Aβ)1-40 par simulations de dynamique moléculaire atomistique par échanges de répliques. Cette étude, qui fournit les conformations d’équilibre du dimère Aβ1-40 en solution aqueuse, ouvre des perspectives pour une compréhension de l’impact des mutations pathogènes et protectrices au niveau moléculaire. / The neurodegenerative Alzheimer's disease (AD) is affecting more than 40 million people worldwide and is linked to the aggregation of the amyloid-β proteins of 40/42 amino acids. Despite many experimental and theoretical studies, the mechanism by which amyloid fibrils form and the 3D structures of the early toxic species in aqueous solution remain to be determined. In this thesis, I studied the structures of the eraly formed oligomers of the amyloid-β peptide and the critical nucleus size of two amyloid-β peptide fragments using either coarse-grained or all-atom simulations. First, at the coarse-grained level, I developed a lattice model for amyloid protein, which allows us to study the nucleus sizes of two experimentally well-characterized peptide fragments (Aβ)16-22 and (Aβ)37-42 of the Alzheimer's peptide (Aβ)1-42. After presenting a comprehensive OPEP force-field parameterization using an on-lattice protein model with Monte Carlo simulations and atomistic simulations, I determined the nucleus sizes of the two fragments. My results show that the nucleation number is 10 chains for (Aβ)16-22 and larger than 20 chains for (Aβ)37-42. This knowledge is important to help design more effective drugs against AD. Second, I investigated the structures of the dimer (Aβ)1-40 using extensive atomistic REMD simulations. This study provides insights into the equilibrium structure of the (Aβ)1-40 dimer in aqueous solution, opening a new avenue for a comprehensive understanding of the impact of pathogenic and protective mutations in early-stage Alzheimer’s disease on a molecular level.

Le travail de thèse consistera à explorer et caractériser l'ensemble conformationnel de protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) en utilisant plusieurs techniques complémentaires, notamment des simulations avancées de dynamique moléculaire et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). Les IDPs sont des protéines possédant une ou plusieurs régions n'ayant pas de structures secondaires stables lorsqu'elles sont isolées, mais pouvant en adopter lors de leur association avec de multiples autres protéines. La question, à laquelle ce travail souhaite répondre dans le cas de trois IDPs, est de savoir si ces éléments de structures secondaires, formés à l'interfaces des complexes protéine-protéine, pré-existent de façon transitoire, ou non, à l'état non-lié des IDPs en solution. S'il est possible d'identifier et de caractériser ces éléments de reconnaissance moléculaire dans les IDPs isolées, alors les résultats de ce travail permettront de guider par la suite la détermination des structures de complexes protéiques impliquant des IDPs. / The PhD work will consist in exploring and characterizing the conformational ensemble of intrinsically disordered proteins (IDPs), by using several complementary methods, including enhanced molecular dynamics simulations and small angle X-ray scattering (SAXS). IDPs are proteins having one or several regions that lack stable secondary structures in the unbound state, but which can adopt various structured conformations to bind other proteins. In the case of three IDPs, the project aims to answer the question of whether these secondary structures formed at the protein-protein interfaces transiently pre-exist or not in the unbound state of solvated IDPs. If it is possible to identify and characterize these molecular recognition features (MoRFs) in the IDP unbound state, then the results of this work will subsequently help to determine the structures of protein complexes involving IDPs.