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<p>The ribosome is part of the indispensable machinery of every living cell. This large macromolecule, which decodes messenger RNA to produce proteins, is the subject of intense study as the mediator of an essential process. The prokaryotic ribosome is a major target for antimicrobial therapy, as its structure differs significantly from the eukaryotic ribosome. At present, the in vivo process of translation on the mature bacterial, or 70S, ribosome is well studied and increasingly understood, while the process of assembling the small (30S) and large (50S) subunits of this complex ribonucleoprotein enzyme has mostly been studied in vitro. Consequently, the significance of in vivo events such as ribosomal RNA (rRNA) maturation and factor-mediated maturation is incompletely understood. By studying the nature and structure of an in vivo assembled immature 30S subunit, this thesis aims to gain a better understanding of the key events in 30S subunit biogenesis. Deletion of the assembly cofactor Ribosome Maturation Factor M (RimM) results in slow growth, inefficient rRNA processing, and accumulation of nonfunctional, immature 30S subunits. This work presents the first cryo-EM model of the immature 30S purified from a RimM knockout strain of <em>E. coli</em>. The structure reveals distortion of the decoding centre and a disrupted 50S-binding interface, attesting to the importance of rRNA processing in 30S maturation. Additionally, the model suggests consequences for ribosomal protein incorporation and rRNA domain position relative to the mature 30S.</p> / Master of Science (MSc)

La réplication des chromosomes est altérée par les facteurs endogènes et/ou exogènes qui perturbent la progression des fourches de réplication. Les cellules doivent donc coordonner la synthèse d’ADN avec des mécanismes assurant la stabilité et le rétablissement des fourches bloquées. La recombinaison homologue (RH) est un mécanisme universel qui permet la réparation de l’ADN et participe au maintien de la réplication des chromosomes. Néanmoins, les mécanismes qui régulent la RH, notamment la RH ectopique versus la RH allélique, restent mal compris. Un autre mécanisme essentiel assurant la stabilité des génomes est l’assemblage de l’ADN néo-synthétisé autour de nucléosomes, conduisant à la constitution de fibres chromatiniennes nécessaires à l’organisation structurale du matériel génétique. Chez Saccharomyces cerevisiae, des défauts d’assemblage de la chromatine conduisent à une instabilité des fourches de réplication et augmentent le taux de RH. Sachant que les chaperonnes d’histones jouent un rôle crucial durant l’assemblage de la chromatine, j'ai décidé de me concentrer sur le rôle de la chaperonne d’histones H3-H4 appelé Chromatin Assembly Factor 1 (CAF-1) dans les mécanismes de RH, chez Schizosaccharomyces pombe. En effet, la RH est associée à une étape de synthèse de l’ADN, et peu de choses sont connues sur l’assemblage de la chromatine au cours de cette synthèse. Mes résultats ont exclu un rôle de CAF-1 dans la recombinaison allelique et le maintien de la stabilité des fourches de réplication. Par contre, CAF-1 joue un rôle important dans les mécanismes de recombinaisons ectopique et dans la formation de réarrangements chromosomiques induits par des blocages de fourches. Mes données suggèrent un modèle selon lequel CAF-1 permet la stabilisation d’intermédiaires de recombinaison précoces (D-loop), via le dépôt de nucleosomes au cours de l’extension par polymérisation de ces intermédiaires. Ainsi CAF-1 neutralise la dissociation des intermédiaires de recombinaison précoces par l’ADN helicase Rqh1. CAF-1 ferait partie d'un équilibre qui règle la stabilité/dissociation des intermédiaires de recombinaison précoces. J'ai montré que le rôle de CAF-1 dans cet équilibre a une importance toute particulière pendant la recombinaison non-allelique, révélant ainsi un nouveau niveau de régulation des mécanismes de RH par l'assemblage de la chromatine. / The replication of chromosomes can be challenged by endogenous and environmental factors, interfering with the progression of replication forks. Therefore, cells have to coordinate DNA synthesis with mechanisms ensuring the stability and the recovery of halted forks. Homologous recombination (HR) is a universal mechanism that supports DNA repair and the robustness of DNA replication. Nonetheless, mechanisms regulating HR pathways, such as ectopic versus allelic recombination, remain poorly understood. Another essential pathway for genome stability is the wrapping of newly replicated DNA around nucleosomes, leading to the constitution of a chromatin fibre, which allows the structural organization of the genetic material. In Saccharomyces cerevisiae, deficiencies in chromatin assembly pathways lead to replication forks instability and consequent increase in the rate of HR. Histone chaperones play a crucial role during chromatin assembly, thus I decided to focus on the H3-H4 histone chaperone Chromatin Assembly Factor 1 (CAF-1), to study its role in HR processes in Schizosaccharomyces pombe. Indeed, HR includes a DNA synthesis step and little is known about the associated chromatin assembly. My data excluded a role for CAF-1 in allelic recombination and in the maintenance of forks stability. However, CAF-1 was found to play an important role during ectopic recombination, in promoting chromosomal rearrangements induced by halted replication forks. My data support a model according to which CAF-1 allows the stabilization of early recombination intermediates (D-loop), via nucleosome deposition during the elongation of these intermediates. Doing so, CAF-1 counteracts the dissociation of early recombination intermediates by the helicase Rqh1. Therefore, CAF-1 appears to be part of an equilibrium that regulates stability/dissociation of early steps of recombination events. Importantly, I found that the role of CAF-1 in this equilibrium is of particular importance during non-allelic recombination, revealing a novel regulation level of HR mechanisms and outcomes by chromatin assembly.

The replication of chromosomes can be challenged by endogenous and environmental factors, interfering with the progression of replication forks. Therefore, cells have to coordinate DNA synthesis with mechanisms ensuring the stability and the recovery of halted forks. Homologous recombination (HR) is a universal mechanism that supports DNA repair and the robustness of DNA replication. Nonetheless, mechanisms regulating HR pathways, such as ectopic versus allelic recombination, remain poorly understood. Another essential pathway for genome stability is the wrapping of newly replicated DNA around nucleosomes, leading to the constitution of a chromatin fibre, which allows the structural organization of the genetic material. In Saccharomyces cerevisiae, deficiencies in chromatin assembly pathways lead to replication forks instability and consequent increase in the rate of HR. Histone chaperones play a crucial role during chromatin assembly, thus I decided to focus on the H3-H4 histone chaperone Chromatin Assembly Factor 1 (CAF-1), to study its role in HR processes in Schizosaccharomyces pombe. Indeed, HR includes a DNA synthesis step and little is known about the associated chromatin assembly. My data excluded a role for CAF-1 in allelic recombination and in the maintenance of forks stability. However, CAF-1 was found to play an important role during ectopic recombination, in promoting chromosomal rearrangements induced by halted replication forks. My data support a model according to which CAF-1 allows the stabilization of early recombination intermediates (D-loop), via nucleosome deposition during the elongation of these intermediates. Doing so, CAF-1 counteracts the dissociation of early recombination intermediates by the helicase Rqh1. Therefore, CAF-1 appears to be part of an equilibrium that regulates stability/dissociation of early steps of recombination events. Importantly, I found that the role of CAF-1 in this equilibrium is of particular importance during non-allelic recombination, revealing a novel regulation level of HR mechanisms and outcomes by chromatin assembly.

Dans cette thèse, le processus d'assemblage ainsi que la maturation du cytochrome c oxydase de type cbb3 (cbb3-Cox) ont été étudiés dans la proteobactérie phototrophique pourpe non soufrée Rhodobacter capsulatus. R. capsulatus contient une chaîne de transfert d'électrons très ramifiée et represente un modèle d’organisme très utilisé dans l'étude des processus respiratoires et photosynthétiques.Les cbb3-Coxs spécifiques des bactéries représentent la deuxième catégorie la plus abondante des cytochromes c oxydases après le type Cox-aa3, mais n'ont jusqu'à présent pas été étudiées en détail. Récemment, la première structure cristalline cbb3-Cox de P. stutzeri a été obtenue, fournissant ainsi une avancée majeure invitant à des etudes plus détaillées sur le mécanisme catalytique et le processus d'assemblage. Les études sur les procédés d'assemblage et de maturation sont d'une très grande importance en raison du fait que de nombreux agents pathogènes humains tels que Helicobacter pylori, Neisseria meningitidis ou Campylobacter jejuni utilisent ce type de Cox, ce qui par conséquent pourrait amener a développer une interessante cible thérapeutique.Cbb3-Cox dans R. capsulatus est encodé par le gène opéron ccoNOQP codant quatre protéines membranaires constitutives de cbb3-Cox. CcoP et CcoO sont des cytochromes de type c, contenant des motifs périplasmiques fixés à l’hème. CcoN est la sous-unité centrale catalytique contenant deux molécules d’hèmes de type b et un ion cuivre. L’étude de la distribution de l’ion Cu à la sous-unité CcoN et l'assemblage des quatre sous-unités dans le complexe actif cbb3-Cox complexe sont les thèmes principaux de ce travail.Ici, le rôle du facteur d'assemblage putatif CcoH, sa structure et son interaction avec cbb3-Cox ont été étudiés en détail. CcoH est une petite protéine membranaire codé dans le groupe de gènes ccoGHIS situé à proximité des gènes codant cbb3-Cox. L'analyse in vivo de la formation de cbb3-Cox dans une souche ne contenant pas le facteur CcoH a montré une absence totale de cbb3-Cox. De même, la stabilité du facteur CcoH a été considérablement altérée dans une souche avec deletion du gene ccoNOQP. La dépendance mutuelle des deux protéines suggère leur interaction directe, ce qui a été confirmé par la photoréticulation directe de CcoH à la sous-unité CcoN, l’immunodétection de CcoH dans les cbb3-Cox complexes sur gels Blue Native, la co-purification par marquage CcoH-cbb3-Cox et le marquage radioactive in vitro des complexes cbb3-Cox avec CcoH.[...] / In this thesis, the assembly and maturation process of the cbb3-type cytochrome c oxidase (cbb3-Cox) was studied in the purple-non-sulphur phototrophic α-proteobacterium Rhodobacter capsulatus. R. capsulatus contains a highly branched electron-transfer chain and is a well studied model organism for investigating respiratory and photosynthetic processes.The bacteria-specific cbb3-Coxs represent the second most abundant class of cytochrome c oxidases after the aa3-type Cox, but have so far not been investigated in much detail. Recently, the first crystal structure of cbb3-Cox from P. stutzeri was obtained, providing a major breakthrough and inviting detailed studies on the catalytic mechanism and the assembly process. Studies on the assembly and maturation processes are of wide significance due to the fact that many human pathogens like Helicobacter pylori, Neisseria meningitides or Campylobacter jejuni use this type of Cox and it therefore might develop into an attractive drug-target. cbb3-Cox in R. capsulatus is encoded by the ccoNOQP gene operon which codes for four membrane proteins constituting cbb3-Cox. CcoP and CcoO are c-type cytochromes, containing periplasmic heme-binding motifs. CcoN is the central catalytic subunit which contains two b-type hemes and a copper ion. Investigating the delivery of Cu to the CcoN subunit and the assembly of all four subunits into the active cbb3-Cox complex were the main topics of this work. Here the role of the putative assembly factor CcoH, its structure and interaction with cbb3-Cox was investigated in detail. CcoH is a small membrane protein encoded in the ccoGHIS gene cluster located adjacent to the genes coding for cbb3-Cox. In vivo analysis of cbb3-Cox formation in a strain lacking ccoH showed the total absence of cbb3-Cox. Likewise, the stability of CcoH was drastically impaired in a ccoNOQP deletion strain. The mutual dependency of both proteins suggested their direct interaction, which was confirmed by site-directed photocrosslinking of CcoH to the CcoN subunit, by immunodetection of CcoH in cbb3-Cox complexes on Blue Native gels, by CcoH-cbb3-Cox co-purification and by in vitro labelling of cbb3-Cox complexes with radioactively labelled CcoH.[...]

ATP synthase represents the key enzyme of cellular energy provision and ATP synthase disorders belong to the most deleterious mitochondrial diseases affecting pediatric population. The aim of this thesis was to identify nuclear genetic defects and describe the pathogenic mechanism of altered biosynthesis of ATP synthase that leads to isolated deficiency of this enzyme manifesting as an early onset mitochondrial encephalo-cardiomyopathy. Studies in the group of 25 patients enabled identification of two new disease-causing nuclear genes responsible for ATP synthase deficiency. The first affected gene was TMEM70 that encodes an unknown mitochondrial protein. This protein was identified as a novel assembly factor of ATP synthase, first one specific for higher eukaryotes. TMEM70 protein of 21 kDa is located in mitochondrial inner membrane and it is absent in patient tissues. TMEM70 mutation was found in 23 patients and turned to be the most frequent cause of ATP synthase deficiency. Cell culture studies also revealed that enzyme defect leads to compensatory-adaptive upregulation of respiratory chain complexes III and IV due to posttranscriptional events. The second affected gene was ATP5E that encodes small structural epsilon subunit of ATP synthase. Replacement of conserved Tyr12 with Cys caused...

La protéine Bcd1 est un facteur nucléaire essentiel à la viabilité cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae. Il est décrit comme requis pour assurer la stabilité des snoRNA à boîtes C/D. Ces petits ARN non codants s’assemblent à un jeu de 4 protéines invariables pour former les snoRNP à boîtes C/D qui sont des acteurs cruciaux de la biogenèse des ribosomes. En effet, quelques-unes de ces particules participent aux mécanismes assurant la maturation du précurseur des ARN ribosomiques et la grande majorité des autres particules sont des catalyseurs de la modification par 2’-O-méthylation des riboses. Bcd1p n’est pas présente au sein des particules matures, mais fait partie de ses facteurs d’assemblage, au même titre que les sous-complexes Rsa1p:Hit1p et R2TP (Rvb1p:Rvb2p:Tah1p:Pih1p). Notre analyse de différents fragments de Bcd1p a dans un premier temps montré que sa région N-terminale (résidus 1 à 96) suffit à lui conférer son caractère essentiel. Cette région comprend un domaine à double doigt à zinc de la famille zf-HIT, également présent chez un autre facteur d’assemblage des snoRNP à boîtes C/D, la protéine Hit1. Nous avons résolu la structure 3D en solution de ces doigts à zinc et montré que ce sont des modules d’interaction avec les protéines Rvb1/2. Dans un second temps nous avons identifié la région C-terminale (résidus 120 à 303) de la protéine Bcd1 comme étant suffisante pour interagir avec la chaperonne d’histone Rtt106p. La structure 3D en solution de ce domaine a été déterminée par RMN. Différentes approches de cinétique d’échange hydrogène/deutérium et d’expériences de cross-link suivies par des analyses par spectrométrie de masse, des expériences de titrage par RMN et de SAXS nous ont permis d’obtenir des informations sur les surfaces d’interaction de chacune de ces deux protéines. Un fragment, défini à partir des données de RMN de Bcd1p libre, nous a permis d'obtenir des cristaux du complexe Bcd1p:Rtt106p ouvrant la perspective de résoudre sa structure 3D par diffraction aux rayons X. De plus, des études fonctionnelles ont débuté visant à déterminer l’importance de la formation de ce complexe sur la biogenèse des snoRNP à boîtes C/D et l’impact de Bcd1p sur l’interaction entre Rtt106p et les nucléosomes / The protein Bcd1 is a nuclear factor essential for the cellular viability of the yeast Saccharomyces cerevisiae. It is described as required to ensure box C/D snoRNA stability. These small non-coding RNAs associate with an invariable set of 4 proteins to form the box C/D snoRNPs that are crucial players in ribosome biogenesis. Indeed, some of these particles participate in mechanisms for the maturation of the ribosomal RNA precursor (prerRNA) and the vast majority of the other particles are catalysts of 2’-O-methylation of riboses. Bcd1p is not present in mature particles, but is one of the assembly factors in addition to the Rsa1p:Hit1p and R2TP (Rvb1p:Rvb2p:Tah1p:Pih1p) sub-complexes. Our analysis of the different Bcd1p fragments has firstly shown that the essential function of Bcd1p relies on its N-terminal region (residues 1 to 96). It comprises a double zinc finger domain from the zf-HIT family, also present in another box C/D snoRNP assembly factor, the protein Hit1. We solved the 3D solution structure of these two zinc fingers and showed that these are modules for the interaction of Bcd1p with the Rvb1/2 proteins. Secondly, we identified the C-terminal region (residues 120 to 303) of Bcd1p as being sufficient to interact with the histone chaperone Rtt106p. The 3D solution structure of this domain of Bcd1p was determined by NMR. Different approaches of hydrogen/deuterium kinetic exchange and cross-link experiments followed by mass spectrometry analysis, NMR titration, and SAXS allowed us to obtain information about the interaction surfaces on each of the two proteins. A fragment defined from NMR data on the free Bcd1p allowed us to obtain crystals of the Bcd1p:Rtt106p complex, opening the perspective to solve its 3D structure by X-ray diffraction. Furthermore, functional studies started in order to determine the importance of this complex formation in box C/D snoRNP biogenesis and the impact of Bcd1p on the interaction of Rtt106p with nucleosomes

Chez les cellules humaines, environ 2 mètres d'ADN est compacté dans le noyau cellulaire par la formation d'une structure nucléoprotéique appelée chromatine. La chromatine est composée d'ADN enroulé à la surface d'un octamère de core histones pour former une structure appelée nucléosome. La structure de la chromatine doit être altérée afin d'accéder à l'information génétique pour sa réplication, sa réparation et sa transcription. La duplication de la chromatine lors de la phase S est cruciale pour la prolifération et la survie des cellules. Cette duplication de la chromatine requière une ségrégation des histones parentales, mais aussi une déposition d'histones néo-synthétisées sur l'ADN. Ces deux réactions résultent en formation de chromatine dès qu'une quantité suffisante d'ADNest générée par la machinerie de réplication. De plus, en raison de conditions intrinsèques et extrinsèques, la machinerie de réplication est souvent confrontée à de nombreux obstacles, sous la forme de lésions à l'ADN qui interfèrent avec la réplication de l'ADN. Sous ces conditions, l'assemblage de nucléosomes et la synthèse d'histones sont étroitement régulées afin d'éviter la production d'un excès d'histones et leurs nombreuses conséquences nuisibles à la cellule. "Chromatin Assembly Factor 1" (CAF-1) est responsable de la déposition initiale des molécules d'H3 et H4 derrière les fourches de réplication. Pour permettre sa fonction d'assemblage de chromatine, CAF-1 est localisée aux fourches de réplication en vertue de sa liaison à une protéine appelée Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA). Cependant, le mécanisme moléculaire par lequel CAF-1 exerce sa function demeure mal compris. Dans le deuxième chapitre de ma thèse, j'ai exploré comment CAF-1 se lie à PCNA d'une manière distincte des nombreux autres partenaires de PCNA. Grâce à nos collaborateurs, des études de crystallographie ont démontré que CAF-1 se lie à PCNA grâce à une interaction non-canonique entre le "PCNA Interaction Peptide" (PIP) de CAF-1 et une interaction de type cation-pi (π). Nous avons aussi montré qu'une substitution d'un seul acide aminé, unique au PIP de CAF-1, abolit son interaction avec PCNA et sa capacité d'assemblage de nuclésomes. Nous avons aussi montré que le PIP de CAF-1 est situé à l'extrémité C-terminale d'une très longue hélice alpha qui est conservée à travers l'évolution parmi de nombreux homologues de CAF-1. Nos études biophysiques ontmontré que cette longue hélice alpha forme des structures oligomériques de type "coiled-coil", ce qui suggère certains mécanismes pour dédier un anneau de PCNA à l'assemblage de chromatine et ce, en dépit des nombreux intéracteurs de PCNA présents aux fourches de réplication. Dans le troisième chapitre de ma thèse, nos collaborateurs et moi-même avons étudié les mécanismes moléculaires par lesquels les cellules parviennent à maintenir un équilibre délicat entre la synthèse d'ADN et la synthèse d'histones et ce, même en présence de lésions à l'ADN qui interfèrent avec la réplication. Chez Saccharomyces cerevisiae, nous avons montré que les kinases de réponse au dommage à l'ADN, Mec1/Tel1 et Rad53, inhibent la transcription des gènes d'histones en réponse aux liaisons à l'ADN qui interfèrent avec la réplication. Nous avons montré que la répression des gènes d'histones induite par le dommage à l'ADN est médiée par une phosphorylation extensive de Hpc2, l'une des sous-unités du complexe "Histone Gene Repressor" (HIR). Hpc2 contient un domaine qui se lie à l'histone H3. À partir de la structure d'Hpc2, nous avons généré des mutants qui, d'après la structure, sont incapables de se lier à l'histone H3. Nos résultats montrent que l'accumulation d'histones en excès provoquée par le dommage à l'ADN entraîne la phosphorylation d'Hpc2 and la liaison de l'excès d'histone H3 à Hpc2. Ces résultats suggèrent que la répression transcriptionnelle des gènes d'histones induite par le dommage à l'ADN est médiée, du moins en partie, par une simple rétroaction négative impliquant la liaison des histones en excès à la sous-unité Hpc2 du complexe HIR. / In human cells, roughly 2 meters of DNA is compacted into the cell nucleus by the formation of a nucleoprotein complex called chromatin. Chromatin is composed of DNA wrapped around an octamer of core histones to form so-called nucleosomes. Chromatin structure needs to be altered to access genetic information for processes like replication, repair and transcription. Duplication of chromatin during S phase is vital for cell proliferation and viability. Chromatin duplication requires segregation of parental histones, but also deposition of newly synthesized histones onto DNA. This process results in packaging all of the synthesized DNA with histones to form nucleosomes as soon as enough nascent DNA has emerged from the replication machinery. Moreover, as a result of intrinsic and extrinsic conditions, the replication machinery often encounters DNA lesions that impede the continuous synthesis of DNA. Under these conditions, nucleosome assembly and histone synthesis are tightly regulated to prevent the production of an excess of histone proteins and their deleterious consequences. Chromatin Assembly Factor-1 (CAF-1) performs the initial step in chromatin assembly by depositing newly synthesized histone H3-H4 molecules behind replication forks. In order to perform its chromatin assembly function, CAF-1 localizes to DNA replication forks by binding directly to a protein known as the Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA). However, the exact molecular mechanism by which this is achieved remains poorly understood. Through the second chapter of my thesis, I have explored how CAF-1 binds PCNA in a manner that is distinct from the numerous other binding partners of PCNA. With the help of our collaborators, crystallographic studies demonstrated that CAF-1 binds to PCNA by virtue of a non-canonical PCNA interaction peptide (PIP) and a cation-pi (π) interaction. We have also shown that a single amino acid substitution, unique to the PIP of CAF-1, disrupts its binding to PCNA and chromatin assembly activity. We found that the CAF-1 p150 PIP resides at the extreme C-terminus of a long alpha helix that is evolutionarily conserved among numerous homologues of CAF-1. Our biophysical studies showed that this long alpha-helix is capable of forming higher-order coiled coils, which suggests mechanisms to dedicate one PCNA ring for chromatin assembly despite the presence of multiple PCNA interactors at replication forks. In the third chapter of this thesis, our collaborators and I have addressed the crucial molecular mechanisms by which cells maintain a delicate balance between DNA and histone synthesis despite the presence of DNA lesions that interfere with replication. In Saccharomyces cerevisiae, we showed that the DNA damage response kinases Mec1/Tel1 and Rad53 inhibit histone gene transcription when DNA lesions block DNA replication. We also showed that this repression is mediated by phosphorylation of the Hpc2 subunit of the Histone Gene Repressor complex (HIR). Hpc2 contains a domain that directly binds to histone H3. Interestingly, structure-based mutants of Hpc2 predicted to be incapable of binding H3 are defective in DNA damage-induced transcriptional repression of histone genes in response to DNA damage during replication. Our results indicate that the accumulation of excess histones caused by DNA damage during S phase triggers extensive phosphorylation of Hpc2 and binding of excess H3 to Hpc2. This suggests that DNA damage-induced repression of histone genes is mediated, at least in part, by a simple negative feedback triggered by binding of excess histones to the Hpc2 subunit of the HIR complex.