ATAD2 est un facteur très conservé mais peu caractérisé qui possède différents domaines fonctionnels : un domaine AAA ATPase et un bromodomaine (BRD). Normalement, ATAD2 est exprimé fortement dans les cellules germinales males ainsi que dans les cellules souches embryonnaires (cellules ES). De plus, la surexpression de cette protéine a été détectée dans de nombreux cancers. Il a été montré qu'ATAD2 agit comme co-activateur des récepteurs aux androgènes et aux œstrogènes. Cette protéine semble aussi agir comme co-facteur de l’oncogène Myc et joue un rôle dans la voie pRb/E2F. La surexpression d’ATAD2 prédit un mauvais prognostic dans les cancers du poumon et du sein. Toutes ces caractéristiques font d'ATAD2 un candidat de choix comme biomarqueur pronostic et une cible potentielle pour des agents thérapeutiques dans le cadre de cancers agressifs.Dans ce projet de thèse, nous montrons que hATAD2 interagit avec l'histone H4 acétylée via son bromodomaine, et que le domaine ATPase est responsable de la multimérisation d’ATAD2 et permet au BRD d’interagir avec les lysines acétylées dans les cellules. Des investigations complémentaires, comprenant notamment des études structurales, montrent que le BRD d'ATAD2 est responsable de son interaction spécifique avec la forme acétylée de la lysine 5 de l'histone H4. Nous avons aussi analysé le domaine AAA ATPase et découvert des éléments qui contrôlent son rôle dans la multimérisation des protéines. De plus, nous avons étudié ATAD2 dans la lignée de cellules cancéreuses pulmonaires, H1299, ainsi que dans les cellules ES et démontré que ce facteur est essentiel pour la prolifération des cellules en l'absence des facteurs de croissance. En combinant des approches ChIP-seq, ChIP-protéomics et RNA-seq dans les cellules ES, nous avons montré qu'ATAD2 est très enrichi dans les régions à haute activité transcriptionnelle et maintient la chromatine accessible pour les facteurs impliqués dans les activités de la chromatine. Ces données indiquent qu'ATAD2, dans son contexte physiologique, assure un rôle essentiel dans les activités générales de la chromatine, telles que la transcription, en maintenant l'accessibilité de la chromatine pour les facteurs de transcription.Enfin, afin de caractériser la structure d’ATAD2 et celle de son homologue dans Schizosaccharomyces pombe, ABOI, différents fragments contenants le domaine AAA ATPase ont été produits dans des bactéries ainsi que dans des cellules d'insectes en utilisant des vecteurs d’expression de baculovirus. Les conditions de production de fragments solubles ont été établies et certains de ces fragments ont été purifiés. Néanmoins, l’obtention de la structure cristalline de l'ATAD2 nécessite des travaux supplémentaires. / ATAD2 is an evolutionarily conserved but poorly characterized factor that bears different types of func¬tional domains: an AAA ATPase domain and a bromodomain (BRD). ATAD2 is normally highly ex¬pressed in male germ cells and in embryonic stem cells (ESC), however the overexpression of this protein has been detected in a large variety of independent cancers. ATAD2 is proposed to act as a co-activator of androgen and estrogen receptors and in addition, this protein also seems to act as a co-factor for Myc oncogene and plays a role in the pRb/E2F pathway. Moreover, the overexpression of ATAD2 predicts poor prognosis in lung and breast cancers. All of these characteristics make ATAD2 a valuable prognosis biomarker and a promising therapeutic target in aggressive cancers.Herein, we show that hATAD2 binds to acetylated H4 tail through its BRD, and that its ATPase domain enables ATAD2 multimerization, affecting the ability of the BRD to bind acetylated lysine in cells. Additional investigations, including structural studies, show that ATAD2’s BRD is responsible for its specific interaction with acetylated lysine 5 of histone H4. We have also functionally analyzed the AAA ATPase domain and discovered elements that control its role in protein multimerization. In addition, we studied ATAD2 in ESC and in the H1299 lung cancer cell line, and demonstrated that this factor has crucial roles in cell proliferation in the absence of growth factors. Moreover, by using a combination of ChIP-seq, ChIP-proteomics and RNA-seq experiments in ESC, we found that ATAD2 is highly enriched in regions with high transcriptional activity and that it keeps chromatin accessible for chromatin templated factors. These data indicate that ATAD2 in its physiological context ensures a critical role in general chromatin-templated activities, such as transcription, by maintaining the accessibility of chromatin for transcription factors. Finally, in order to structurally characterize either ATAD2 or its homologue in Schizosaccharomyces pombe, ABOI, different fragments containing the AAA ATPase domain were produced in bacteria as well as in insect cells using baculovirus expression vectors. Conditions to produce soluble fragments were established and some of these fragments were purified. Nonetheless, solving the crystal structure of ATAD2 still requires further investigation.

La protéine p97/VCP est un membre de la famille des ATPase AAA+ et joue un rôle majeur dans de nombreux processus cellulaires tel que le contrôle de l’homéostasie protéique ou de fonctions associées à la chromatine (transcription, réplication, dommage à l’ADN, progression du cycle cellulaire). De plus, la protéine p97/VCP est impliquée dans un nombre croissant de maladies dont les cancers où il a été montré qu’elle contribue à l’homéostasie protéique et l’adaptation au stress oncogéniques. En effet, l’expression de la protéine p97/VCP est augmentée dans de nombreux cancers et dans certains cas corrèle avec une récurrence de la tumeur et un mauvais pronostique pour les patients. Cependant, le mécanisme moléculaire précis par lequel la protéine p97/VCP régule l’homéostasie protéique des cellules tumorales reste incertain. Pour remédier à cela, nous avons démontré un rôle de la protéine p97/VCP dans le contrôle de l’expression des gènes lors du stress du Réticulum Endoplasmique (RE). Nous avons trouvé que en conditions basales, la protéine RuvBL2 fait partie d’un complexe remodeleur de la chromatine qui contient les protéines HDAC1 et mSin3A et agit comme un répresseur des gènes de stress du RE. De plus, nous avons identifié le gène Gli1, un effecteur connu de la voie de signalisation Hedgehog comme cible de la protéine p97/VCP et du complexe RuvBL2-HDAC1-mSin3A. Ainsi en condition de stress du RE, la voie de signalisation Hedgehog qui a été impliqué dans le développement de cancers est activée. Globalement, nos travaux indiquent que p97/VCP agit comme un interrupteur moléculaire pour inactiver le complexe répresseur RuvBL2-HDAC1 en condition de stress du RE et ainsi activer les gènes de stress du RE et de la voie de signalisation Hedhehog de façon non-canonique. / P97/VCP is a member of the AAA+ ATPase family that plays major roles in various cellular processes including control of protein homeostasis and chromatin-associated functions (transcription, replication, DNA damage, cellular cycle progression). Moreover, p97/VCP is involved in a growing number of diseases including cancers in which it has been shown to contribute to protein homeostasis and adaptation to oncogenic stresses. Indeed, p97/VCP expression is increased in numerous cancers and in some cases correlates with tumor recurrence and poor prognosis for patients. However, the precise mechanism by which p97/VCP regulates tumor cell proteostasis remains unclear. To address this, we demonstrated a role of p97/VCP in gene expression control upon endoplasmic reticulum (ER) stress. We found that in basal conditions, RuvBL2 is part of chromatin remodeler complex that included HDAC1 and mSin3A and act as a repressor of ER stress genes. However under ER stress, ubiquitinylated RuvBL2 is degraded by p97/VCP thus causing activation of ER stress genes. Moreover, we have identified GLI1, a known effector of Hedgehog signaling, as a target of the p97/VCP and RuvBL2-HDAC1-mSin3A complex. As a result under ER stress conditions, the Hedgehog pathway which have been linked to cancer development is non-canonically activated. Overall, our work indicated that p97/VCP acts as a molecular switch to inactivate RuvBL2-HDAC1 repressor complex under ER stress thus activating ER stress genes and Hedgehog genes in a non-canonical manner.

Doctor of Philosophy / Department of Biochemistry / Michal Zolkiewski / ClpB is a bacterial heat-shock protein that disaggregates and reactivates strongly aggregated proteins in cooperation with the DnaK chaperone system. ClpB contains two ATP-binding AAA+ modules, a linker coiled-coil domain, and a highly mobile N-terminal domain. It forms ring-shaped hexamers in a nucleotide-dependent manner. The unique aggregation reversing chaperone activity of ClpB involves ATP-dependent translocation of substrates through the central channel in the ClpB ring. The initial events of aggregate recognition and the events preceding the translocation step are poorly understood. In addition to the full-length ClpB95, a truncated isoform ClpB80, that is missing the whole N-terminal domain, is also produced in vivo. Various aspects of the structure and function of ClpB were addressed in this work. The thermodynamic stability of ClpB in its monomeric and oligomeric forms, as well as the nucleotide-induced conformational changes in ClpB were investigated by fluorescence spectroscopy. Equilibrium urea-induced unfolding showed that two structural domains-the small domain of the C-terminal AAA+ module and the coiled-coil domain-were destabilized in the oligomeric form of ClpB, which indicates that only those domains change their conformation or interactions during formation of the ClpB rings. Several locations of Trp-fluorescence probes were also found to respond to nucleotide binding. The biological role of the two naturally-occurring ClpB isoforms was also investigated. We discovered that ClpB achieves optimum chaperone activity by synergistic cooperation of the two isoforms that form hetero-oligomers. We found that ClpB95/ClpB80 hetero-oligomers form preferentially at low protein concentration with higher affinity than homo-oligomers of ClpB95. Moreover, hetero-oligomers bind to aggregated substrates with a similar efficiency as homo-oligomers of ClpB95, do not show enhanced ATPase activity over that of the homo-oligomers, but display a strongly stimulated chaperone activity during the reactivation of aggregated proteins. We propose that extraction of single polypeptides from aggregates and their delivery to the ClpB channel for translocation is the rate-limiting step in aggregate reactivation and that step is supported by the mobility of the N-terminal domain of ClpB. We conclude that the enhancement of the chaperone activity of the hetero-oligomers is linked to an enhancement of mobility of the N-terminal domains.

Les protéasomes sont de larges protéases ATP-dépendante impliquées dans la dégradation des protéines régulatrices et des protéines anormales dans la cellule. Cette thèse porte sur l'étude de deux AAA-ATPases : Pans A et Pans B régulatrices du protéasome chez les archaea halophiles. Une partie de ce manuscrit est consacrée à la caractérisation du mode de régulation des deux Pans chez l'Archaea halophile extrême Halobacterium salinarium. Les expériences montrent l'existence de deux isoformes des protéines Pans dans les cellules. Les modifications portent sur la région N-ter des deux protéines et mettent probablement en jeu l'utilisation alternative de deux départs de traduction. La cartographie des régions 5' non codantes des transcrits révèle l'existence d'une hétérogénéité au niveau des ARNm des pans. Le travail s'intéresse ensuite aux états d'oligomérisation et d'association in cellulo des protéines PANs. Des études de fractionnement par ultracentrifugation sur gradient de sucrose indiquent un état de faible oligomérisation des PANs et l'absence de complexes stables avec le protéasome 20S. La dernière partie du travail porte sur la régulation de l'expression des gènes panA et panB au cours de la réponse aux stress salin et thermique. Ce travail montre que les deux protéines Pans, activatrices potentielles du protéasome, ne sont pas régulées de façon identique en réponse à un stress environnemental.

Au cours de la maturation des gamètes mâles a lieu un événement unique : les structures classiques qui ordonnent l'ADN sont complètement bouleversées et remplacées par une nouvelle, de composition et d'agencement différents, qui permet au noyau du spermatozoïde final une compaction qui n'est retrouvée nulle part ailleurs. Les signaux épigénétiques ainsi que les événements qui se déroulent alors au niveau moléculaire ne sont pas encore bien élucidés. C'est dans l'optique d'une meilleure compréhension de ce phénomène que la protéine Atad2 a été identifiée et caractérisée. Ce facteur, qui possède un bromodomaine ainsi qu'un domaine AAA, est retrouvé sous deux formes chez la souris. La plus courte, strictement testiculaire, est capable de se lier à la chromatine acétylée. De plus, comme les autres membres de la famille des AAAATPases, Atad2 est capable de se multimériser. Cette multimérisation régule son affinité à la chromatine. Des études plus poussées ont montré un rôle dans l'activité transcriptionnelle ainsi que dans la stabilité des structures basales d'ordonnancement de l'information génétique, les nucléosomes. De plus, chez l'humain, Atad2 a été retrouvé exprimé de façon aberrante dans certaines tumeurs. L'élucidation du rôle de cette protéine dans les cellules germinales et somatiques apportera ainsi des informations sur le changement complet de la nature chromatinienne au cours de la spermatogenèse, et peut-être permettra peut-être une meilleure appréhension de l'activité génomique ayant lieux dans les cellules tumorales.

Les virus sont les entités biologiques les plus abondantes dans les océans (∼1031 particules). Ils colonisent tous les écosystèmes de la planète y compris les environnements extrêmement acides, chauds et salins, environnements où les archées sont les organismes dominants. Les virus infectant les Crenarchées hyperthermophiles présentent des morphologies exceptionnelles et aussi une très faible proportion de gènes possédant des homologues avec de fonction connue. Parmi ces virus, le virus ATV (Acidianus two-Tailed virus), infecte les archées hyperthermophiles du genre Acidianus. ATV a la propriété unique de présenter un important développement structural complètement indépendante de son hôte, à l'extérieur de celui-Ci. Les virions d'ATV développent de longues queues à chaque extrêmité de sa capside, mais seulement à des températures proches de celles de l'habitat de son hôte, 85°C. Le sujet de ma thèse a porté sur l'étude structurale de protéines du virion d'ATV. J'ai résolu la structure cristalline de la protéine ATV-273, qui possède un nouveau fold α/β. J'ai aussi déterminé la forme de l'enveloppe de cette protéine par SAXS. J'ai montré qu'il est possible de placer deux dimères d'ATV-273, observés dans la structure cristalline, dans cette enveloppe. Ce résultat est aussi en accord avec l'état d'oligomérisation en solution déterminé par chromatographie d'exclusion stérique couplée à la diffusion de la lumière. La fonction de cette protéine reste cependant inconnue. / Viruses are the most abundant biological entity in the oceans (∼1031 particles) and remarkably, viruses populate every ecosystem on the planet including the extreme acidic, thermal, and saline environments where archaeal organisms dominate. The viruses infecting hyperthermophilic Crenarchaea revealed exceptional morphologies and also a very low proportion of genes with recognizable functions and homologues. Among these viruses we find ATV (Acidianus two-Tailed virus). ATV is a virus infecting hyperthermophilic archaea of the genus Acidianus, which has the unique property of undergoing a major morphological development outside and independently of the host cell. Virions develop long tails at each pointed end of the initial lemon-Shaped particle, at temperatures close to those of the host natural habitat, 85 °C. The subject of my thesis has focused on the virion proteins of ATV. I have solved the crystal structure of ATV-273 that revealed a new α/β fold. I have also obtained a SAXS envelope where it is possible to fit two crystal dimers, in agreement with the oligomerization state in solution as determined by size-Exclusion chromatography coupled to multi angle light scattering. The function of this protein, however, could be not determined. Moreover, a negative staining electron microscopy model was obtained for the AAA+ ATPase ATV-618, which belongs to the MoxR familiy and presents sequence high similarity with the AAA-ATase RavA from Escherichia coli K12. I have shown that this thermostable AAA-ATPase enzyme assumes a hexameric ring organisation in the presence of ATP.