Toxoplasma gondii, parasite digestif des Félidés, est l'agent de la toxoplasmose, maladie pouvant être grave voire mortelle en cas d'infection fœtale ou chez l'immunodéprimé. Les traitements actuellement disponibles permettent de prévenir ou traiter la plupart des cas, mais peuvent présenter un risque d'effets indésirables relativement sévères et ne permettent pas de détruire les kystes responsables de l'infection chronique et du risque de réactivation chez l'immunodéprimé. Les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS) sont des enzymes essentielles au mécanisme de traduction, où elles participent au chargement d'un acide aminé sur une molécule dédiée d'ARN de transfert, une étape initiale du processus de synthèse protéique. Un gène codant une protéine homologue de p43, un partenaire protéique de certaines aaRS chez les Eucaryotes supérieurs, a été identifié dans le génome de T. gondii. La localisation subcellulaire post-invasion de Tg-p43 montre qu'il ne s'agit pas d'une cytokine sécrétée, contrairement à son homologue humaine ; au contraire, son immunopurification a révélé son association à quatre aaRS, les Méthionyl-, Glutamyl-, Glutaminyl- et Tyrosyl-ARNt synthétases, qui constituent donc le premier complexe multi-aaRS (MARS) décrit chez les parasites Apicomplexes, de localisation exclusivement cytoplasmique. La présence inattendue de la Tyrosyl-ARNt synthétase soulève plusieurs questions sur le plan de l'organisation et de l'assemblage du complexe. Des images de microscopie électronique et des analyses biochimiques soulignent l'hétérogénéité et la structure relâchée du complexe et confirment les récentes données issues des complexes MARS purifiés chez d'autres organismes. L'inactivation du gène Tg-p43 n'induit pas de modifications phénotypiques majeures (capacité d'invasion, prolifération) ni de diminution de la virulence ou de la kystogénèse en modèle murin. Les résultats sur la caractérisation du MARS ont été complétés par une approche thérapeutique. Un criblage in vitro de candidats-médicaments présélectionnés in silico pour inhiber la Glutaminyl-ARNt synthétase toxoplasmique a permis de mettre en évidence un composé parasitostatique, inhibiteur de la croissance des tachyzoïtes, avec une toxicité sur les cellules hôtes in vitro relativement faible. Ce travail de thèse pose les bases moléculaires et structurales du complexe MARS chez T. gondii. Il permet également d'aborder dans une certaine mesure l'histoire évolutive de ce complexe. Sa fonction biologique reste cependant un mystère ; le rôle de Tg-p43 dans le contrôle post-transcriptionnel, voire d'autres fonctions biologiques, est probablement trop subtil pour être mesuré dans nos conditions expérimentales. Le versant thérapeutique de ce travail constitue une étude préliminaire pouvant servir de point de départ pour la recherche de médicaments anti-toxoplasmiques ciblant les aaRS, qui constituent assurément des cibles thérapeutiques intéressantes. / Toxoplasma gondii, a parasite of felids gut, is responsible for toxoplasmosis, a disease that can induce severe sequelae or death in the foetus or immune-depressed patients. Currently available treatments can prevent or cure most of the cases, but are at risk for side effects and cannot suppress cysts, which cause the chronic disease and are responsible for disease when the immune status is altered. Aminoacyl-tRNA synthetases (aaRS) are essential for translation, by charging tRNA with cognate aminoacids, a preliminary step of the protein synthesis process.A gene coding for a protein homologous to p43 (which interacts with a subset of aaRSs in higher eukaryotes) was identified in the genome of T. gondii. Following its epitope tagging, we show that Tg-p43 is not secreted nor exported beyond the vacuole as a cytokine, as it is for its human counterpart; however, biochemical analysis of the Tg-p43 interactome reveals four aaRSs as interacting partners, namely Methionyl-, Glutamyl-, Glutaminyl- and Tyrosyl-tRNA synthetases. This is the first description of the multi-aaRS (MARS) complex in the Apicomplexa phylum; it is strictly localized in the parasite cytoplasm. The unexpected presence of the Tyrosyl-tRNA synthetase in the complex raises several questions about how the complex is organised and assembled, and also evolved. Electronic microscopy along with size exclusion chromatography shows heterogeneity and loose structure of the complex, similarly to recent data characterizing higher eukaryotic complexes. Disruption of the complex by knocking-out of the gene Tg-p43 does not induce detectable phenotypic modification, nor alterations of the virulence and cystogenesis in a murine model.Alongside the study on the MARS complex, we used an in silico approach to screen for new compounds to inhibit T. gondii Glutaminyl-tRNA synthetase. We thus identified one parasitostatic compound that was able to significantly slow down parasite growth while having a relatively low in vitro toxicity against the human host cell. The function of the MARS in T. gondii still remains unknown; the role of Tg-p43 in the post-transcriptional control or any other biological function is probably too subtle to be measured under our experimental conditions. However, our data help to some extent to better measure the evolutionary history of the MARS family. The therapeutic side of this work, although preliminary, may serve as a base for anti-T. gondii drug discovery focusing on aaRS inhibitors, which are obviously good candidate targets.

La glycyl-ARNt synthétase humaine (GRS) est une enzyme clé dans la traduction des protéines dans le cytosol et la mitochondrie. Chez l’Homme, des mutations de la GRS conduisent à la neuropathie périphérique Charcot-Marie-Tooth (CMT). Bien que l’activité de la GRS soit ubiquitaire, les mutations associées à la CMT n’affectent que les nerfs périphériques, suggérant un rôle supplémentaire de la GRS dans les neurones. Pour comprendre ce rôle, nous avons d’abord élucidé le mécanisme particulièrement complexe qui contrôle l’expression de la GRS mitochondriale et cytosolique à partir du même gène. Nous avons identifié deux ARNm : un codant pour les deux enzymes ; et un autre plus long qui contient une IRES fonctionnelle et un uORF. Cet ARNm complexe, ne génère que la GRS cytosolique et montre que son expression et localisation sont étroitement contrôlées. De plus, nous avons montré une distribution particulière de la GRS dans des neurones, qui est un premier indice sur un rôle non canonique. / Human Glycyl-tRNA synthetase (GRS) is a housekeeping enzyme with a key role in protein synthesis, both in the cytosol and the mitochondria. In human, mutations in GRS cause the Charcot-Marie-Tooth (CMT) peripheral neuropathy. Though GRS activity is required in all cells, the CMT-associated mutations affect only the peripheral nervous system, suggesting an additional non canonical role.To understand how GRS is involved in CMT pathology, we first elucidated the original post-transcriptional regulatory mechanism that controls the expression of both the mitochondrial and the cytosolic GRS from a single gene. We identified two mRNA isoforms: one coding for both enzymes; and a longer one containing a functional IRES and an uORF encoding only the cytosolic GRS, evidence that expression and localization of human GRS are tightly controlled. Furthermore, we found a particular Ca2+ dependant distribution of GRS in neurons, giving us a first clue about a potential non-canonical role in neurons.

Les ARNt sont des molécules adaptatrices reliant l'information génétique de l’ARN messagers à la séquence d'acides aminés primaire des protéines. Les ARNt ont une structure typique, appelée "feuille de trèfle". Certains ARNt mitochondriaux montrent une forte dérivation de cette structure. Un cas extrême peut être observé dans les mitochondries du nématode R. culicivorax. Cette étude vise la caractérisation fonctionnelle de ces ARNt «bizarres» et de définir leurs propriétés structurales et leur fonctionnalité avec des protéines partenaires telles que les CCAses et les aminoacyl-ARNt synthetases. Ce travail révèle que les ARNt sans bras forment une structure secondaire en forme d'épingle à cheveux et que leurs structures 3D présentent une grande flexibilité intrinsèque. Les tests initiaux n’ont pas démontré l'activité d'aminoacylation. Cependant, les ARNt sans bras représentent des molécules fonctionnelles pour le CCAse, indiquant des adaptations de l’enzyme aux ARNt sans bras. / TRNAs are adapter molecules linking the genetic information of messenger RNAs with the primary amino acid sequence of proteins. tRNAs have a typical cloverleaf-like secondary structure. Some mitochondrial tRNAs show a high derivation from this canonical tRNA structure. An extreme case of structural truncations can be observed in mitochondria of the nematode R. culicivorax. This study aims the functional characterization of such “bizarre” tRNAs in defining their structural properties and their functionality with interacting partner proteins such as CCA-adding enzymes and aminoacyl-tRNA synthetases. This work reveals that armless tRNAs form a hairpin-shaped secondary structure. 3D structures exhibit a high intrinsic flexibility. Initial tests could not demonstrate aminoacylation activity. However, armless tRNAs represent functional molecules for CCA-incorporation, indicating adaptations of CCA-adding enzymes to armless tRNAs.

No description available.

La méthylation de l’uridine sur son carbone 5 est apparue au cours de l’évolution sous plusieurs formes. Tout d’abord, les thymidylate synthases permettent la synthèse de novo du dTMP, un précurseur essentiel de l’ADN des trois règnes du vivant. Deux familles de thymidylate synthases sont connues à ce jour : ThyA et la flavo-enzyme ThyX, codées par des gènes hétérologues et ayant des structures et mécanismes réactionnels radicalement différents. En outre, cette méthylation de l’uridine est apparue (probablement plus tard) sous forme de modifications post-transcriptionnelles des ARNt et ARNr. Cette thèse vise à questionner les contraintes évolutives ayant menés indépendament à ces quatres types de méthylation de l’uridine.Une première partie décrit l’identification d’une voie métabolique permetant la complémentation du phénotype d’auxotrophie pour la thymidine par des analogues nucléotidiques chez Escherichia coli. Une approche de biologie synthétique en vue d’établir une voie alternative de biosynthèse du thymidylate a aussi été mise en œuvre. Une technique de sélection de gènes de complémentation du phénotype d’auxotrophie pour la thymidine, issus de mutagénèse aléatoire, a pu être développée. Dans une seconde partie, des études biochimiques et sppectroscopiques ont été réalisées sur la méthyle-transférase flavine-dépendante TrmFO, responsable de la méthylation post-transciptionnelle de l’uridine 54 des ARNt de certains microorganismes.L’implication de certains résidus dans la fixation du substrat a pu être déterminée d’une part, et certains intermédiaires réactionnels potentiels ont été caractérisés spectralement d’autre part. Ces dernières observations s’appuient, en outre, sur des études en cours de spectroscopie résolue en temps et des simulations de dynamique moléculaire afin de mieux comprendre les flavoprotéines en général et les méthyle transférases flavine-dépendantes en particulier. / Enzymes catalyzing the methylation of uridine at its carbon 5 position have appeared independently in different forms across evolution. Thymidylate synthases ThyA and the flavoprotein ThyX catalyze the de novo synthesis of dTMP, an essential DNA precursor in the three domains of life. They are encoded by heterologous genes and have drastically different structures and reaction mechanisms. On the other hand, this uridine methylation is also performed by tRNA and rRNA post-transcriptional modification enzymes.This thesis assesses the question of the evolutionary constraints that have led independently to four kinds of uridine methylation. The first part describes the identification of a metabolic pathway allowing the complementation of thymidine auxotrophy by non-natural nucleotide analogs in Escherichia coli. A synthetic biology approach, aiming to establish an alternative pathway for thymidylate biosynthesis, was also implemented and a selection strategy for thymidine auxotrophy-complementing genes, could be developed.In a second part, biochemical and spectral studies where realised on the flavin-dependent methyltransferase TrmFO, responsible for the post-transcriptional methylation of uridine at the invariant position 54 of tRNA in several microorganisms. The involvement of specific amino acid residues in substrate fixation and in stabilization of potential reaction intermediates was demonstrated. Their spectral characterization supports previously proposed reaction schemes for flavin-dependent thymidylate forming enzymes. These observations are currently being pursued by parallel approaches combining time-resolved spectroscopy and molecular dynamics simulations, aiming to further our understanding of how flavin mediates the transfer of carbon molecules from folate to uracil rings.

No description available.

Malgré l’intérêt et la diversité des propriétés pharmacologiques des 2,5-dicétopipérazines (DKP), les voies de biosynthèse de ces molécules d’origine microbienne sont très peu connues. L’objectif de mes travaux de thèse a été i) de documenter de nouvelles voies de biosynthèse de DKP qui se caractérisent par la présence d’une synthase de cyclodipeptides (CDPS) travaillant souvent de concert avec une ou plusieurs enzymes de modification des cyclodipeptides et ii) d’explorer la diversité chimique codée par ces voies. Dans un premier temps, je me suis intéressée aux CDPS. Après la sélection par bioinformatique de candidats dans les bases de données génomiques, j’ai pu identifier 51 nouvelles CDPS actives et montrer que ces enzymes peuvent incorporer 17 des 20 acides aminés naturels. Par ailleurs, ce travail a permis de mieux caractériser la famille des CDPS, de définir l’existence de plusieurs sous-familles aux signatures fonctionnelles spécifiques et d’établir les premiers éléments d’un code de spécificité pour la synthèse de cyclodipeptides. Dans un second temps, je me suis attachée à caractériser les enzymes de modification associées aux nouvelles CDPS et, en particulier, les dioxygénases dépendant du Fe(II) et du 2-oxoglutarate (OG) qui sont très représentées dans ces voies. J’ai ainsi pu détecter une activité in vivo pour 11 OG et poursuivre la caractérisation in vitro pour l’une de ces OG, ce qui a permis de caractériser les DKP qu’elle synthétise et d’ainsi montrer la complexité des modifications chimiques introduites. L’ensemble de ces travaux a donc permis d’identifier et de caractériser de nouvelles voies de biosynthèse qui donnent accès à une diversité accrue de DKP. / Despite the interest and diversity of the pharmacological properties of 2,5-diketopiperazines (DKPs), the biosynthetic pathways of these microbial molecules are poorly documented. The aim of my doctoral work was i) to identify new DKP biosynthetic pathways that are characterized by the presence of a cyclodipeptide synthase (CDPS) often associated with one or more cyclodipeptide-tailoring enzymes and ii) to explore the chemical diversity encoded by these pathways. First of all, my study focused on CDPSs. After the bioinformatics-based selection of candidates, 51 novel CDPS were characterized, revealing the incorporation of 17 of the 20 proteinogenic amino acids. Moreover, this work has allowed a better characterization of the CDPS family, by showing the existence of several subfamilies with specific functional signatures and laying the foundations of a specificity conferring code for the synthesis of cyclodipeptides. Second, I characterized the tailoring enzymes associated with the newly identified CDPSs and, in particular, the Fe(II) and oxoglutarate dependent dioxygenases (OGs) that are highly represented in these pathways. I detected the in vivo activity for 11 OGs and characterized the in vitro activity for one of them, showing the complexity of the chemical modifications introduced into the cyclodipeptide. This work has led to identify and characterize novel biosynthetic pathways that provide access to a greater diversity of DKPs.

Le décalage de phase de lecture en -1 est un mécanisme de traduction non conventionnel des ARNm en protéines. Il contrôle la production de deux peptides différents à partir d'un messager unique. Bien que les exemples actuels de décalage de phase de lecture en -1 soient en grande partie limités aux génomes viraux et aux transposons, quelques événements bactériens et eucaryotes sont également documentés. Mon travail de thèse a eu pour objet la recherche de gènes contrôlés par décalage de phase de lecture chez la levure Saccharomyces cerevisiæ, par des approches de biologie expérimentale et de bioinformatique. Une partie de cette étude a été réalisée en collaboration. Au cours de ces travaux, l'étude du mécanisme du décalage de phase de lecture eucaryote a aussi été abordée. Mes résultats ont permis de mettre en évidence l'effet de la modification des ARNt présents au site E du ribosome au moment du décalage sur l'efficacité de changement de cadre de lecture en -1.

Le virus de l'immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1), est un rétrovirus dont le génome est composé de deux molécules d'ARN simple brin. La transcriptase inverse codée par le VIH-1 utilise l'ARNt3Lys de la cellule hôte pour amorcer la réplication de son génome ARN en ADN proviral. L'ARNt3Lys est encapsidé dans les virions lors de l'assemblage; la lysyl-ARNt synthétase (LysRS) cellulaire est impliquée dans ce mécanisme et sert de co-transporteur à l'ARNt3Lys.Chez l'homme, il existe deux formes de LysRS, une forme cytoplasmique (cLysRS) et une forme mitochondriale (pmLysRS) qui donnera la forme mature (mLysRS) après translocation dans la mitochondrie. Les deux LysRS sont issues d'un même gène par épissage alternatif. Il a été démontré que seule la forme mitochondriale est présente dans les particules virales.Nous avons établi un modèle des interactions protéine-protéine impliquées dans la formation du complexe d'encapsidation de l'ARNt3Lys. En recherchant les interactions des précurseurs Gag et GagPol avec les LysRS et leurs domaines, nous avons démontré que seul le domaine Pol du précurseur GagPol a la capacité de s'associer à la LysRS. Ce sont les sous-domaines transframe TF et intégrase IN du domaine Pol qui permettent l'association entre LysRS et GagPol. Cette association se fait via le domaine catalytique de l'enzyme. La sélectivité de l'encapsidation de la forme mitochondriale de LysRS aux dépens de sa forme cytoplasmique pourrait résider dans la stricte compartimentation cellulaire de ces deux formes enzymatiques. Nous avons voulu établir à quel stade l'encapsidation de la LysRS mitochondriale a lieu, soit avant sa translocation mitochondriale sous forme de précurseur pmLysRS, soit après sous forme mLysRS maturée. Nous avons déterminé le site de maturation du précurseur pmLysRS puis caractérisé les deux formes mitochondriales de la LysRS, en déterminant leurs paramètres cinétiques et leur affinité pour l'ARNt3Lys. Alors que la forme pmLysRS ne forme pas de complexe stable avec l'ARNt, la forme maturée mLysRS est la plus apte à interagir avec l'ARNt3Lys. Ce serait donc la mLysRS qui serait impliquée dans le transport de l'ARNt3Lys dans les particules virales lors du bourgeonnement.Comme l'interaction GagPol:LysRS n'est pas spécifique in vitro de la forme mLysRS qui est la seule espèce de LysRS encapsidée, nous avons recherché si d'autres protéines virales pouvaient intervenir dans la formation du complexe d'encapsidation et conférer la spécificité pour la seule mLysRS. Nous avons montré que les protéines auxiliaires Rev et Vpr ont la capacité à s'associer à la LysRS sans distinction d'origine, mais ne peuvent interagir dans le contexte du complexe d'encapsidation GagPol:mLysRS:ARNt3Lys. Les différentes formes de LysRS pourraient ainsi réguler l'activité de Vpr et Rev à d'autres étapes du cycle viral.

Les aminoacyl-ARNt synthetases (aaRS) sont impliquées dans le mécanismes de la traduction. Dans les cellules humaines, il existe deux jeux de gènes nucléaires codant pour les aaRS : un pour les aaRS cytosolique (cyt), le second pour les aaRS mitochondriales (mt). Les aaRS mt sont traduites dans le cytosole, adressées et importées dans la mitochondrie.Mutations dans 9 gènes d’aaRS mt ont été démontrées comme responsables de pathologies mitochondriales. Certaines des mutations n’affectent pas la propriété originelle d’aminoacylation. Il a été proposé que certaines de ces mutations puissent affecter des propriétés alternatives.Alors l’organisation des aaRS cyt est bien étudiée et que des implications dans des fonctions alternatives établies pour certaines d’entre elles, les connaissances quant aux aaRS mt restent parcimonieuses. L’objectif principal de ce manuscrit de thèse est: (i) révéler d’organisation sous-mt de l’AspRS mt; (ii) étendre l’analyse de l’organisation sous-mt à l’ensemble des aaRS mt; et (iii) contribuer à la compréhension de mécanismes moléculaires sous-jacents à certaines pathologies. Ces travaux ouvrent la porte vers d’autres investigations de l’organisation des aaRS à l’intérieur de la mitochondrie. Ces contributions seront utiles à la meilleure compréhension de mécanismes moléculaires sous-jacents à pathologies mitochondriales. / Aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs) are housekeeping enzymes involved in translation. In human cells, 2 different sets of nuclear genes code for aaRSs. One codes for cytosolic (cyt) aaRSs, and the second one codes for aaRSs of mitochondrial (mt) location. Mt-aaRSs are translated in the cytosol, targeted and imported into mitochondria.Mutations in 9 mt-aaRSs have been described. Some of the mutations do not display significant influence on the housekeeping aminoacylation activity. It has been proposed that those mutations affect alternative functions.Alternate functions have been described for cyt-aaRSs. While the organization of cyt-aaRSs is explored and their involvement into alternate functions established, the properties of the human mt-aaRSs remain unknown. On one site, this thesis integrate mt-AspRS into new functional networks (sub-mitochondrial localization and partnership). On the other site, it expand the view of the sub-mitochondrial organization to the full set of mt-aaRSs and should ultimately shed light into the molecular mechanisms underlying some of the pathologies. These results open the door for additional investigations to gain a complete view about the sub-mitochondrial organization of aaRSs. Those contributions will be of help for the understanding of molecular mechanisms underlying some mitochondrial disorders.