The arylamine iV-acetyltransferases (NATs) catalyse the transfer of an acetyl group from the co-factor acetyl CoenzymeA (acetyl CoA) onto the temiinal nitrogen of a range of arylamine and arylhydrazine compounds, including the anti-tubercular agent isoniazid. often inactivating these compounds. In order to further investigate the NAT enzymes at the molecular level a 3D structure was required.

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La O-GlcNAcylation est une modification post-traductionnelle réversible qui consiste en l'addition de N-acétylglucosamine (GlcNAc) sur des résidus de sérine et de thréonine de protéines cytoplasmiques, nucléaires et mitochondriales. Elle est contrôlée par deux enzymes : la O-GlcNAc transférase (OGT), qui ajoute le résidu de GlcNAc, et la O-GlcNAcase (OGA), qui l'hydrolyse. La O-GlcNAcylation a été décrite chez Toxoplasma gondii, parasite apicomplexe responsable de la toxoplasmose. D'autre part, les plantes expriment deux OGTs potentielles, SPINDLY (SPY) et SECRET AGENT (SEC), interférant avec divers processus biologiques. In fine, peu de choses avaient été décrites concernant la O-GlcNAcylation et l’OGT chez ces organismes: le but de ma thèse a ainsi consisté à approfondir nos connaissances en ce domaine en nous focalisant sur les parasites, T. gondii et P. falciparum, la plante supérieure A. thaliana et l'algue verte unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii. En utilisant différentes approches biochimiques et protéomiques nous avons identifié tout un panel de protéines O-GlcNAcylées chez T. gondii et P. falciparum. En ce qui concerne les modèles végétaux, nous avons identifié une OGT potentielle chez C. reinhardtii mais avons été surpris de constater que les niveaux de O-GlcNAcylation chez cet organisme ainsi que chez la plante A. thaliana étaient très faibles. SPY a récemment été reclassée comme une O-Fucosyltransférase, perdant son statut d’OGT. Ces résultats remettent en question l’existence de la O-GlcNAcylation chez les organismes végétaux et questionnent sur l’apparition et la diversification des OGTs au cours de l’évolution des espèces. / O-GlcNAcylation is a dynamic post-translational modification which consists in the addition of N-acetylglucosamine (GlcNAc) onto serine and threonine residues of proteins confined within the cytoplasm, the nucleus and the mitochondrion. O-GlcNAcylation is managed by two enzymes: the O-GlcNAc transferase (OGT) that adds the sugar donor UDP-GlcNAc, and the O-GlcNAcase (OGA) that hydrolyzes it. Occurrence of O-GlcNAcylation was described in Toxoplasma gondii, an apicomplexan parasite causing toxoplasmosis. In the other hand, plants express two distinct OGT, SPINDLY (SPY) and SECRET AGENT (SEC), capable to interfere with a variety of fundamental processes. In fine, relatively few things have been described regarding O-GlcNAcylation and OGT in these organisms: therefore, the aim of my thesis was to go further into our knowledges in this field by focusing on the parasites T. gondii and P. falciparum, the higher plant model Arabidopsis thaliana and the unicellular algae Chlamydomonas reinhardtii. By using a panel of biochemical and proteomics approaches we identified a set of O-GlcNAcylated proteins in T. gondii and P. falciparum, outlining for the very first time the O-GlcNAcome of these parasites. Concerning the plant models, we identified a putative OGT in C. reinhardtii but we were surprised to note that O-GlcNAcylation levels in this organism as for the plant A. thaliana were very low. Recently, it was revealed that SPY is in fact an O-Fucosyltransferase, losing its OGT status. The results question again the occurrence of O-GlcNAcylation in plants and about the apparition and the diversification of OGTs along species evolution.

La sialylation est une modification majeure des glycoprotéines et des glycolipides et est impliquée dans les processus cellulaires et moléculaires. La réaction de sialylation est catalysée par des sialyltransférases, un groupe de glycosyltransférases golgiennes utilisant un donneur de sucre activé sous forme de CMP-acide sialique. Ces enzymes, au nombre de 20 chez l’Homme, présentent des activités enzymatiques redondantes et ont une spécificité très fine vis-à-vis du substrat accepteur. Leur dérégulation conduit à des profils de sialylation altérés dans les situations pathologiques mais peu de choses sont connues quant à leur organisation fonctionnelle dans la cellule. Les techniques d’étude de la réaction de sialylation et des sialoglycoconjugués sont nombreuses mais présentent rarement la possibilité de suivre sélectivement les O- ou les N-glycannes. Dans ce contexte, j’ai produit différentes sialyltransférases recombinantes et solubles et j’ai mis au point de nouvelles stratégies d’étude de ces activités enzymatiques dans des essais in vitro et in cellulo basées sur l’utilisation d’un acide sialique non naturel : le CMP-SiaNAl. Ce dérivé d’acide sialique non naturel porteur d’un groupement N-alcyne sert de rapporteur chimique pour la détection et la visualisation des sialoglycoconjugués. Après avoir montré que ce substrat est utilisé avec la même affinité que le substrat naturel, j’ai développé de nouveaux outils permettant l’étude des sialyltransférases. En outre, j’ai pu apporter des éléments de compréhension quant à l’évolution moléculaire et fonctionnelle de cette ST6GAL1 chez les vertébrés, impliquant une évolution de son activité enzymatique chez les mammifères. / Sialylation is a major modification of glycoproteins and glycolipids and is involved in cellular and molecular processes. The sialylation reaction is catalyzed by sialyltransferases, a group of golgian glycosyltransferases using an activated sugar donor in the form of CMP-sialic acid. These enzymes, 20 in humans, have redundant enzymatic activities and have a very fine specificity towards the accepting substrate. Their deregulation leads to altered sialylation profiles in pathological situations but little is known about their functional organization in the cell. Techniques for studying the sialylation reaction and sialoglycoconjugates are numerous but rarely present the possibility of selectively monitoring O- or N-glycans. In this context, I have produced different recombinant and soluble sialyltransferases and developed new strategies for studying these enzymatic activities in in vitro and in cellulo assays based on the use of a non-natural sialic acid: CMP-SiaNAl. This unnatural sialic acid derivative carrying an N-alkyne group serves as a chemical reporter for the detection and visualization of sialoglycoconjugates. After having shown that this substrate is used with the same affinity as the natural substrate, I developed new tools allowing the study of sialyltransferases. In addition, I was able to provide elements of understanding as to the molecular and functional evolution of this ST6GAL1 in vertebrates, implying an evolution of its enzymatic activity in mammals.

Les protéoglycanes (PGs) jouent un rôle important dans de multiples processus cellulaires tels que la prolifération, la différenciation et la migration cellulaires. Les PGs sont constitués d’une protéine porteuse sur laquelle sont fixées de façon covalente des chaînes hétéropolyssacharidiques de glycosaminoglycanes (GAGs). L’initiation de la biosynthèse des GAGs sur les PGs implique une glycosyltransférase, la ß1,3-galactosyltransférase 6 (ß3GalT6) qui catalyse l’addition d’un résidu galactose sur un disaccharide accepteur (Gal-Xyl) fixé au niveau de motifs d’ancrage des GAGs sur la protéine porteuse du PG. Des mutations de la ß3GalT6 ont été récemment associées à une forme pléiotropique du syndrome d’Ehlers-Danlos (SED), un groupe hétérogène de maladies génétiques rares touchant les constituants matriciels des tissus conjonctifs. L’implication de la ß3GalT6 dans la pathogénie du SED n’est cependant pas encore connue à ce jour, point qui sera exploré au cours de ce travail de thèse. Nous avons montré que la mutation du gène B3GALT6 conduit à une diminution de la biosynthèse des GAGs matriciels et membranaires, associée à une réduction de la capacité migratoire des fibroblastes de derme humain issus de patients atteints de SED par rapport aux fibroblastes contrôle, non porteurs de l’altération génétique. Une étude “gain et perte de fonction” a montré que l’extinction du gène B3GALT6 dans des fibroblastes contrôle impacte la biosynthèse des GAGs. De façon complémentaire, la restauration de l’expression de la ß3GalT6 dans les fibroblastes des patients a eu pour conséquences une augmentation du taux de synthèse des GAGs matriciels et membranaires, associée à une augmentation significative de la capacité de migration des cellules équivalente à celle des cellules non déficientes. Les résultats obtenus nous permettent de mieux comprendre le rôle de la ß3GalT6 dans la pathogénie du SED. Ces travaux ciblant la ß3GalT6 peuvent ouvrir la perspective de proposer des stratégies thérapeutiques visant à s’opposer à la perte d’anabolisme des GAGs et au défaut de migration observés dans le SED. / Proteoglycans (PGs) play important roles in many physiological processes, including cell proliferation, differentiation and migration. PGs are composed of linear heteropolysaccharide chains, called glycosaminoglycans (GAGs), which are covalently attached to a core protein through a tetrasaccharide linkage. The addition of the third residue (galactose) of the linkage is catalyzed by ß1,3-galactosyltransferase 6 (ß3GalT6), a key glycosyltransferase in GAG initiation. Recently, mutations of ß3GalT6 have been associated to Ehlers-Danlos Syndrome (EDS), a group of rare and severe genetic connective tissue disorders. However, the role of ß3GalT6 defects in EDS pathogeny remains unknown. In my thesis, we showed that ß3GalT6 defective dermal fibroblasts of affected patients exhibited a marked reduction in GAG anabolism associated to a significant delay in wound closure compared to control cells. The ß3GalT6 gain- and loss-of-function studies demonstrated that B3GALT6 gene deletion in control fibroblasts affects the synthesis of GAGs chains. Interestingly, GAG anabolism and cell migration were restored when ß3GalT6 is overexpressed in patient fibroblasts, which could be the starting point to the development of therapeutic strategies against the loss of GAG synthesis and defect of cell migration observed in EDS. This work provides a better understanding of the crucial role of ß3GalT6 in EDS pathogeny

Les protéines CDC25 (Cell Cycle Division 25) sont des régulateurs clés de la progression du cycle cellulaire et leur surexpression a été reportée dans de nombreux types de cancers. Leur inhibition apparait donc intéressante dans le cadre de traitements anticancéreux. L'objet de ces recherches a été de développer un test de criblage permettant de détecter les inhibiteurs réversibles et irréversibles des CDC25s, puis d'appliquer ce test à des extraits végétaux. La première partie implique la spectrométrie de masse par désorption/ionisation laser assistée par matrice couplée à un détecteur à temps de vol (MALDI-TOFMS) afin de détecter les molécules se liant aux CDC25s avec une liaison faible (inhibiteurs réversibles). La deuxième partie de ce test beaucoup plus innovante consiste à mettre en évidence les ligands se liant avec une liaison plus forte (inhibiteurs irréversibles) aux CDC25s. Pour cela, une étape de digestion trypsique des protéines est réalisée, puis l'étude de l'empreinte peptidique massique est procédée sur le digest afin de déceler les inhibiteurs irréversibles. En parallèle, nous nous sommes intéressés à l'application de ce test à des extraits végétaux dans le but d'identifier de nouveaux inhibiteurs des CDC25s. L'activité inhibitrice de CDC25s de ces extraits est également évaluée in vitro grâce à des tests biologiques visant à compléter les premiers résultats obtenus lors du criblage par spectrométrie de masse. De ces travaux il résulte qu'une molécule encore non connue pour son activité sur CDC25s a montré un potentiel effet inhibiteur de ces protéines et cytotoxique sur lignées cellulaires humaines / The CDC25s phosphatases are key regulators of the physiological cell cycle progression. Their overexpression has been reported in a significant number of cancers and their inhibition appears to be an interesting strategy for treatments. We propose here a rapid screening test allowing the detection of reversible and irreversible CDC25 inhibitors. The test is based on the incubation of the candidate molecules with the human CDC25 proteins followed by an ultrafiltration step. The retentate is then directly analyzed by MALDI-TOFMS to detect reversible inhibitors or submitted to PMF analysis to reveal irreversible inhibitors. In parallel we applied this test to vegetable extracts in order to identify novel CDC25 inhibitors. The CDC25s inhibitory activity of these extracts is also evaluated in vitro thanks to biological tests. It results from this work that one molecule never known for its activity on the CDC25s shows a potential inhibitory effect and is cytotoxic on human cellular lineage

Phanerochaete chrysosporium est un champignon forestier faisant partie des organismes saprophytes capables de recycler la matière organique morte. Grâce à l'excrétion de nombreuses enzymes de dégradation, en particulier des lignine peroxydases, il est capable de décomposer la matière végétale dont la lignine, un polymère complexe de composés phénoliques très résistant. L'élimination de la lignine permet la libération des autres composants du bois tels que la cellulose et l'hémicellulose qui peuvent être utilisés dans l'industrie papetière ou pour la production de bioéthanol de deuxième génération. La structure des intermédiaires et produits de dégradation de la lignine est souvent proche de celle denombreux polluants, d'où l'intérêt biotechnologique de P. chrysosporium dans les processus de bioremédiation. Cependant, les systèmes de dégradation engendrent des composés plus ou moins toxiques pour le champignon et contre lesquels il doit faire face. C'est pourquoi il possède un système de détoxication impliquant des enzymes telles que les cytochrome P450 monooxygénases ou encore les glutathion transférases (GST). Les Ure2p forment une classe de GST étendue chez Phanerochaete et d'autres basidiomycètes saprophytes. Leur étude par des approches phylogénétiques, biochimiques, structurales et transcriptomiques a permis de mieux comprendre les mécanismes d'évolution que peut subir une classe d'enzymes potentiellement soumises à une forte pression de sélection / Phanerochaete chrysosporium is a forest fungus being part of saprophytic organisms able to recycle dead organic matter. Thanks to the excretion of numerous wood decaying enzymes, and especially lignin peroxidases, this fungus is able to break down plant material including lignin, a complex polymer of phenolic compounds. Lignin removal allows the release of other wood components such as cellulose and hemicellulose, which can be further used in paper industry or to produce second generation bioethanol. The structure of intermediates and products from lignin decomposition is close to that of numerous pollutants making P. chrysosporium biotechnologically interesting for bioremediation purposes. Moreover, the fungus has to deal with more or less toxic compounds created by degradation mechanisms. It thus presents a detoxification pathway involving enzymes including cytochrome P450 monooxygenases and glutathione transferases (GST). Ure2p enzymes belong to an extended GST class in Phanerochaete genus as well as in other saprophytic basidiomycetes. Their study based on phylogenetic, biochemical, structural and transcriptomic approaches provides a better understanding of evolution mechanisms of a class of enzymes potentially subject to strong selection selection pressure

Les champignons décomposeurs du bois jouent un rôle important dans le cycle du carbone en participant notamment au recyclage de la matière organique. Outre leur aptitude à minéraliser la biomasse lignocellulosique, ces organismes ont la capacité de dégrader des molécules potentiellement toxiques libérées lors de ce processus. Leur système de détoxication comprend différentes familles multigéniques dont les glutathion transférases. Ces enzymes ubiquitaires, sont regroupées en différentes classes dans le règne fongique, certaines d’entre elles étant étendues chez ces champignons. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse consistait à appréhender les fonctions des glutathion transférases de la classe Omega (GSTOs) étendue chez Trametes versicolor, un champignon de pourriture blanche. Une approche biochimique et structurale a été menée sur neuf protéines produites de façon recombinante. Dans un premier temps, une caractérisation enzymatique de ces isoformes a été réalisée à l’aide de substrats synthétiques montrant une similarité des propriétés catalytiques. Puis, à partir d’une banque de molécules pures et de mélanges complexes issus de différentes essences forestières, une méthode de screening à haut débit a permis d’identifier des ligands potentiels de ces enzymes. La résolution de la structure tridimensionnelle de trois isoformes a démontré l’état homodimérique de ces protéines et l’implication de deux sites de fixation dans la reconnaissance de ces ligands : le site H (présent dans chaque monomère) et le site L (à l’interface du dimère). Par exemple, l’isoforme TvGSTO3S est capable de fixer dans son site H plusieurs hydroxybenzophénones, mais également un flavonoïde, la dihydrowogonine. Dans ce dernier cas, cette interaction avec un ligand naturel issu d’extraits de bois de merisier a été démontré par une approche de cristallographie d’affinité. D’autre part, des expériences de co-cristallisation ont permis de détecter deux molécules d’un autre flavonoïde, la naringénine, dans le site L de l’isoforme TvGSTO6S. Enfin, une interaction spécifique impliquant les sites H et L de l’isoforme TvGSTO2S a été démontrée avec l’oxyresvératrol. L’analyse structurale a révélé que les deux configurations du stilbène étaient liées à la protéine : la configuration trans dans le site H et la configuration cis dans le site L. Ainsi, malgré une redondance fonctionnelle partielle, ces recherches ont démontré l’existence d’un spectre d’interactions spécifiques pour chaque isoforme testée. Le caractère étendu de la classe Omega indiquerait que ces enzymes seraient impliquées dans l’adaptation du champignon à son environnement. En effet, les ligands identifiés au cours de ces travaux suggèrent que les propriétés « ligandines » des TvGSTOs joueraient un rôle dans la détoxication des produits issus de dégradation du bois / Wood decaying fungi play an important role in the carbon cycle by participating in the recycling of organic matter. In addition to their ability to mineralize lignocellulosic biomass, these organisms have the ability to degrade potentially toxic molecules released during this process. Their detoxification system involves several multigenic families including glutathione transferases. These ubiquitous enzymes are grouped into several classes in the fungal kingdom, some of them are widespread in these fungi. In this context, the main objective of this thesis was to understand the functions of glutathione transferases of the Omega class (GSTOs) extended in Trametes versicolor, a white rot fungus. A biochemical and structural approach was led using nine recombinant proteins. Firstly, enzymatic characterization of these isoforms was performed using synthetic substrates, the obtained results demonstrating a similarity of catalytic properties. Then, using a library of pure molecules and another one of complex mixtures from different forest species, a high throughput screening method was applied to identify potential ligands for these enzymes. The resolution of the three-dimensional structure of three isoforms demonstrated the homodimeric state of these proteins and the involvement of two binding sites in the recognition of these ligands: the H site (present in each monomer) and the L site (at the dimer interface). For example, the isoform TvGSTO3S is able to bind several hydroxybenzophenones in its H site, but also a flavonoid, dihydrowogonin. In this case, this interaction with a natural ligand derived from wild-cherry tree extract was demonstrated by an affinity crystallography approach. On the other hand, co-crystallization experiments detected two molecules of another flavonoid, naringenin, in the L site of the isoform TvGSTO6S. Finally, a specific interaction involving the H and L sites of the isoform TvGSTO2S was demonstrated with oxyresveratrol. Structural analysis revealed that the presence of both configurations of the stilbene in the protein: the trans configuration in the H site and the cis configuration in the L site. Thus, despite partial functional redundancy, this research demonstrated the existence of a specific pattern of interactions for each tested isoform. The expansion of the Omega class could indicate that these enzymes are involved in the adaptation of the fungus in its environment. Indeed, the ligands identified during this work suggest that the "ligandin" properties of TvGSTOs play a role in detoxifying wood degradation products

La détoxication est un processus biochimique présent chez tous les organismes biologiques et qui leur permet d’assurer leur survie face aux xénobiotiques provenant de leur environnement. Les glutathion transférases (GST) représentent une large famille d’enzymes participant à la phase II de détoxication en conjuguant le glutathion au composé à éliminer. Par ailleurs, certaines GST ont un rôle non catalytique et assurent la séquestration ou le transport de molécules d’un compartiment cellulaire à un autre. Alors que l’activité catalytique des GST est étudiée depuis plusieurs décades, l’identification précise des molécules physiologiques ciblées par les GST reste un défi. Chez les organismes fongiques dégradeurs de bois, certaines classes de GST se sont multipliées au niveau génomique. Cette redondance serait le reflet de la diversité des molécules chimiques libérées lors de la dégradation du bois. Dans cette thèse, des approches biochimiques et structurales ont été employées pour caractériser onze isoformes de GST du basidiomycète Trametes versicolor. De plus, une approche utilisant des librairies de molécules a permis d’identifier une famille de ligands reconnus par ces GST : les polyphénols. Les modes d’interaction de ces ligands ont été décrits précisément à partir de la résolution de nombreuses structures cristallographiques. L’identification d’un flavonoïde à partir d’un extrait de bois de merisier (Prunus avium), arbre sur lequel croît T. versicolor, a été permise par une approche de cristallographie d’affinité. Ces données suggèrent que les GST d’organismes fongiques saprotrophes pourraient prendre en charge les polyphénols libérés lors de la décomposition du bois / The ubiquitous biochemical process that enables each organism to cope with xenobiotics from its environment and thus ensures its survival is called detoxification. Glutathione transferases (GSTs) form a large family of enzymes divided into several classes. These enzymes participate in the detoxification phase II by conjugating the tripeptide glutathione to the molecule to be eliminated. Moreover, some GSTs are involved in non-catalytic processes such as sequestration or transport of molecules from one cellular compartment to another. Studies dedicated to the catalytic activity of GSTs have been ongoing for decades, yet precise identification of molecules targeted by GSTs remains challenging. In wood-decaying organisms, some of the GST classes have expanded with an increase of the number of isoforms encoded at the genomic level. This redundancy would reflect the diversity of the small molecules released upon wood enzymatic degradation. Through this thesis work, biochemical and structural approaches were used in order to characterize eleven GST isoforms from the saprotrophic fungus Trametes versicolor. In addition, the use of libraries of molecules helped in identifying polyphenols as a family of ligands that bind these GSTs. The molecular interaction modes were described precisely based on the resolution of numerous crystal structures. The identification of a flavonoid from an extract of the wild-cherry tree (Prunus avium) on which T. versicolor grows, was enabled by using an affinity crystallography approach. These data suggest that fungal GSTs could interact with plant polyphenols released during wood degradation