Ma thèse porte sur l'étude fonctionnelle et structurale des partenaires de la réaction d'aminoacylation spécifique de la tyrosine dans la mitochondrie humaine. Contrairement à ce qui a été observé pour les autres systèmes d'aminoacylation, les réactions de charges croisées entre bactéries et archaea/eucaryotes sont impossibles suite à la nature différente de la première paire de bases de l'ARNtTyr. La tyrosyl-ARNt synthétase (TyrRS) mitochondriale humaine est la première TyrRS connue à ce jour qui s'affranchisse de la barrière d'espèces et qui ne discrimine pas les ARNtTyr en fonction de la nature de leur première paire de bases. La TyrRS mitochondriale est un homodimère de forme allongée susceptible de fixer l'ARNtTyr à cheval sur ses deux monomères. Elle se distingue des autres TyrRS par la présence de deux insertions à sa surface, l'une potentiellement impliquée dans la reconnaissance de l'ARNtTyr et l'autre qui pourrait constituer une zone d'interaction avec un cofacteur.

Le virus d'Epstein-Barr (EBV) est un γ -herpesvirus humain. Il est responsable de maladies telles que la mononucléose-infectieuse et il est associé à de nombreux<br />carcinomes et syndromes immunoprolifératifs. A la différence d'autres herpesvirus tel que herpes-simplex, il n'existe actuellement aucun médicament efficace contre EBV. Le génome d'EBV contient 86 cadres de lecture soit autant de cibles potentielles pour une approche de génomique structurale, permettant le développement rationnel de nouvelles thérapies. La première série de cibles sur laquelle nous avons travaillé code pour 23 protéines. De façon inattendue, le principal problème rencontré lors de ce projet fut la faible expression ainsi que l'insolubilité d'une grande partie des cibles.<br />Parmi les 8 protéines solubles, 5 furent cristallisées à l'issue de quoi, 4 structures furent résolues. La clef de la réussite de ce projet fut un traitement individuel de chaque cible plutôt que l'utilisation de protocoles standards. La partie centrale de ce travail porte sur l'Uracile-ADN Glycosylase (UNG). C'est une enzyme de réparation de l'ADN. Il nous fut impossible d'obtenir des cristaux de la protéine seule, mais, grâce à la formation d'un complexe avec une protéine inhibitrice produite par le phage PBS-2, nous obtînmes des cristaux diffractant à 2.3 Å. La structure de ce complexe nous permis l'expliquer l'organisation de la « boucle leucine », un domaine du site actif, qui comporte une insertion de 7 résidus chez tous les γ-herpesvirus. Malgré cette différence, les constantes catalytiques de l'UNG d'EBV sont proches de celles des autres UNGs ce qui suggère un mécanisme similaire d'interaction avec l'ADN. Le travail sur d'autres cibles et les difficultés qui leur sont <br />inhérentes est également abordé (notamment l'Alkaline Exonucléase).

Les microARNs sont une classe de petits ARNs non codants qui régulent l'expression des gènes via un mecanisme d'interference par ARN. Les microARNs humains sont produits par une série de réactions enzymatiques. En particulier, dans le cytoplasme le precurseur de miRNA (pre-miRNA) est reconnu et clivé par un complexe contenant l'enzyme RNAse III Dicer et plusieurs cofacteurs protéiques. La proteine TRBP (HIV TAR RNA binding protein) est l'un de ces cofacteurs et augmente la stabilité du complexe, influe sur la cinétique, la position du clivage et a role potentiel dans la reconnaissance du substrat et dans le transfet du produit vers le complexe RISC (RNA-induced silencing complex) effecteur de l'interference par ARN. TRBP est composé de 3 domaines de liaison aux ARN doubles brin (dsRBDs). La région d'interaction de TRBP avec les ARNs est composé des deux premiers dsRBDs liés par une région interdomaine non charactérizée. La présente étude rapporte la caractérisation biophysique in vitro de la région d'interaction avec les ARNs de TRBP dans l'état apo de TRBP ou dans l'état lié avec les deux precurseurs cytoplasmique successifs du microARN oncogène miR-155 comprenant la tige boucle pre-miR-155 et le duplex miR-155/miR-155* résultat du clivage de pre-miR-155 par Dicer. L'étude montre que la région d'intéraction de TRBP avec les ARNs est monomerique, est composée de deux dsRBDs independants en solution et que la région interdomaine de 60 résidus est flexible. Le premier dsRBD, non caractérisé précédement en solution est le siège d'un equilibre plié/déplié integral dans une grande gamme de conditions physico-chimiques. Les deux premiers dsRBDs de TRBP peuvent interagir avec un même precurseur de microARN et deux régions d'interaction de TRBP avec les ARNs peuvent interagir avec un même precuseur. La région d'interaction de TRBP avec les ARNs interagit avec pre-miR-155 et le duplex miR-155/miR-155* avec des affinités très similaires. Dans le complexe avec une région d'interaction de TRBP avec les ARN liée à pre-miR-155 ou au duplexe miR-155/miR-155*, aucune indice de contact entre les deux dsRBDs n'a été detecté et la protéine interagit avec les deux precurseurs par la même surface d'interaction. Les informations récoltées suggèrent que TRBP peut jouer un rôle avant et après le clivage des pre-miARN par Dicer, notamment dans le complexe de chargement de RISC.

La transcription des gènes humains par la polymérase II (Pol II) commence avec l'assemblage du complexe de pré-initiation (PIC) au niveau du promoteur. L'assemblage du PIC est initié par le facteur de transcription général TFIID, un complexe de protéines faisant 1 mégadalton et contenant TBP et 13 facteurs TBP-associés (TAF). Des études structurales sur TFIID par cryo-EM ont révélé l'architecture globale de TFIID, donnant un aperçu de l'assemblage des sous-unités et la reconnaissance du promoteur à faible et moyenne résolution. Cependant, les structures à haute résolution de plusieurs TAF ne sont pas disponibles à ce jour, ce qui limite notre compréhension actuelle des interactions TAF-TAF et du mécanisme d'assemblage de TFIID.J'ai utilisé une stratégie de co-expression dans des cellules d'insectes sur la base de notre système MultiBac afin d'obtenir des sous-complexes recombinants TFIID de qualité sans précédent et de quantité suffisante pour des études structurales. J'ai cristallisé un complexe contenant les TAFs TAF5, TAF6 et TAF9 et déterminé sa structure à une résolution de 2.7 Å. Notre structure donne des aperçus détaillés sur les interactions de ces sous-unités essentiels de TFIID: La structure révèle des interactions serrés inattendues entre le domaine N-terminal et le domaine à répétition WD40 contenant 7 lames de TAF5 avec le domaines "histone fold" (HFDs) de TAF6/9. Les interactions entre ces domaines conservés inter-espèces expliquent en détail comment TAF5 sert de plate-forme de liaison pour les HFDs dans TFIID. Cette étude étend notre compréhension de l'échafaudage moléculaire au noyau central de la version humaine de TFIID, ce qui est essentiel pour la formation de holo-TFIID.De plus, j'ai pu isoler un domaine structural conservé de la version humaine de TAF6, le domaine à répétition HEAT de TAF6 en utilisant une approche de protéolyse limitée sur des core-complexes TAF5/6/9 prédéfinis. J'ai pu déterminer la structure du domaine à répétition HEAT de TAF6 jusqu'à 2,0 Å de résolution. La structure offre un éclairage supplémentaire sur l'architecture de la version humaine de TFIID et révèle la présence d'une grande zone chargée positivement sur sa surface, probablement impliqué dans la liaison à l'ADN du noyau promoteur liaison.Basé sur les structures résolues et les informations obtenues dans des expériences de protéolyse limitée, j'ai pu identifier les complexes minimaux de la base du complexe TFIID humain (TAF 4/5/6/9/12). J'ai identifié les HFDs de l'hétérodimère TAF4/12 comme étant essentielle à la formation d'un complexe avec TAF5/6/9. Ces résultats guideront la conception future de construction pour la cristallisation du complexe humain TFIID de base, améliorant ainsi nos connaissances sur le mécanisme d'assemblage de TFIID ainsi que sur l'architecture de ses principaux composants à une résolution atomique. / Human gene transcription by Polymerase II (PolII) begins with the assembly of the pre-initiation complex (PIC) at the promoter. PIC assembly is initiated by the general transcription factor TFIID, a megadalton sized protein complex containing TBP and 13 TBP associated Factors (TAFs).
Structural studies on TFIID by cryo-EM have revealed the overall architecture of TFIID, providing insights into subunit assembly and promoter recognition at low to medium resolution. However, high-resolution structures of several TAFs are not available to date, limiting our current understanding of TAF-TAF interactions and the assembly mechanism of TFIID.I used a co-expression strategy in insect cells based on our MultiBac system to obtain recombinant TFIID sub-complexes of unprecedented quality and quantity for structural studies. I crystallized a complex containing the TAFs TAF5, TAF6 and TAF9 and determined its structure up to a resolution of 2.7 Å. Our structure gives detailed insights into the interactions of these essential TFIID subunits: The structure reveals unexpected tight interactions between the N-terminal domain and the 7-bladed WD40 repeat domain of TAF5 with the TAF6/9 histone fold domains (HFDs). The interactions between these inter-species conserved domains explain in detail how TAF5 serves as a binding platform for HFDs in TFIID. This study extends our understanding of the molecular scaffold at the central core of human TFIID, which is essential for holo-TFIID formation.Additionally, I could isolate a conserved structural domain of human TAF6, the TAF6 HEAT repeat domain by using a limited proteolysis approach on predefined TAF5/6/9 core-complexes. I could determine the structure of the TAF6 HEAT repeat domain up to 2.0 Å resolution. The structure provides additional insights into the architecture of human TFIID and reveals the presence of a large positively charged patch on its surface, probably involved in core-promoter DNA binding.Based on the obtained structures and information gained in limited proteolysis experiments, I was able to identify minimal complexes of human core-TFIID (TAFs 4/5/6/9/12). I identified the HFDs of the TAF4/12 heterodimer to be essential for the complex formation with TAF5/6/9. These findings will guide future construct design for crystallization of human core-TFIID, enhancing our knowledge about the TFIID assembly mechanism and the architecture of its core-components at atomic resolution.

De nos jours, la résistance aux antibiotiques développée par des pathogènes bactériens est de plus en plus répandue, et en conséquent il devient primordial de caractériser de nouvelles cibles bactériennes potentielles. Les alpha2-macroglobulines (α2Ms) sont des inhibiteurs de protéases à large spectre jouant un rôle clé dans l’immunité eucaryote. Ce sont des molécules multi domaines d’environ 1800 résidus qui arborent une séquence en acide nucléique très spécifique appellée « bait site » qui est reconnu et couper par un très grand nombre de protéases. Durant ce clivage, la nouvelle conformation de la protéine entraine l’exposition de la liaison thioester entre une cystéine et une glutamine, qui est alors hydrolysée, permettant ainsi au glutamate résultant de s’associer de façon covalente à la protéase cible, et d’être piégé dans la structure en forme de cage de α2M. Des homologues de a2M provenant de bactéries colonisées et pathogéniques ont récemment été caractérisés. Ces nouvelles recherches suggère que la bactérie dispose un système immunitaire capable de mimer les étapes clés initiales du système immunitaire eucaryote et que celui-ci pourrait constituer une cible encore inexploitée en biologie pathogène.On retrouve dans le génome bactérie deux types de gènes pour a2M: celui de type 1 qui contient la liaison thioester et celui de type 2 qui n’en dispose pas. De façon intéressante, le a2M bactérien de type 1 est situé de façon persistante dans le même opéron que le gène codant pour une enzyme de biosynthèse de la paroi cellulaire appelée Penicillin-binding Protein 1c (PBP1s). Cela suggère qu’une association étroite entre ces deux protéines pourrait être très avantageuse pour la cellule, spécialement durant l’infection et/ou la colonisation où la membrane cellulaire externe est ciblée par des agents de défense de l’hôte. Dans cette situation, A2M et PBP1C pourraient exercer les rôles de « gardiens du périplasme » avec PBP1C réparant les dommages causés au niveau du peptidoglycane et A2M traquant les protéases invasives.Le but de ce travail est donc de démontrer l’existence de ce complexe PBP1C/A2M et de caractériser cette interaction de façon structurelle et fonctionnelle. Dans ce sens, les deux protéines provenant d’E. Coli ont été étudiées, ainsi qu’exprimées et purifiées séparément. La protéine Α2M (également appelé ECAM dans E.Coli) est très soluble, exprimée de façon monomérique à une taille de 182kDa, monodispersée et stable dans l’échelle de temps. PBP1c est une protéine se fixant à la membrane, d’une taille de 87kDa et présente de façon prédominante en tant que dimère. La reconstitution du complexe in vitro par incubation et mélange des deux protéines pendant 2 heures a permis d’obtenir un complexe PBP1C/ECAM, dont la présence a été prouvée par un nouveau pic caractéristique sur chromatographie par exclusion de taille. Ces résultats ont également été appuyés par SDS-PAGE, centrifugation analytique et par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). ECAM et PBP1c s’associent à des ratios stœchiométriques de 2/2 et 4:4. Enfin, un test d’activité a permis de confirmer tout d’abord le rôle de PBP1s dans la polymérisation les chaines glycanes mais aussi que cette activité est amplifiée en présence d’ECAM.Les essais cristallographiques ont permis d’obtenir des cristaux de PBP1c dans différentes conditions. De plus l'étude d’ECAM par microscopie électronique a prouvé que la technique était applicable pour des études structurelles du complexe. De ce fait, après optimisation, ces deux approches pourraient être la solution envisagée pour la caractérisation structurelle du complexe ECAM/PBP1c. / The widespread resistance to antibiotics developed by bacterial pathogens calls for the characterization of original, yet unexplored potential targets in bacteria. Alpha2-macroglobulins (α2Ms) are broad-spectrum protease inhibitors that play key roles in eukaryotic immunity. They are multi-domain molecules that carry approximately 1,800 residues and harbor a central amino acid sequence, the ‘bait site’, which is recognized and cleaved by a large number of proteases. Upon cleavage, the resulting conformational change exposes a buried thioester bond between a cysteine and a glutamine, which is readily hydrolyzed, allowing the resulting glutamate to associate covalently to the target protease, trapping it within the α2M cage-like structure. Recently, α2M homologs from pathogenic and colonizing bacteria have also started to be characterized. These findings suggest that bacteria possess a rudimentary immune system that mimics initial key steps of the eukaryotic immune pathway and that could represent a yet unexplored target in pathogen biology.The genes for two types of α2M are present in bacterial genomes: type 1, which contains the thioester bond, and type 2 that does not harbor it. Type 1 bacterial A2Ms persistently co-occur within the same operon with a gene that encodes a cell wall biosynthesis enzyme, Penicillin-Binding Protein 1c (PBP1c). This suggests that the association between the two proteins could be highly advantageous for the cell during infection/colonization, when the outer cell wall is targeted by host defenses. In this situation, A2M and PBP1c could exert the role of ‘guardians of the periplasm’, with PBP1c repairing damaged peptidoglycan, and A2M trapping invading proteases.The aim of this work was to demonstrate the existence of such complex and characterize this interaction structurally and functionally. For this purpose, α2M and PBP1c from E. coli were studied. The proteins were expressed and purified separately. α2M (also called ECAM in E. coli) is highly soluble, monomeric protein with a mass of 182 kDa, monodisperse and stable during the course of time. PBP1c is a membrane-bound, 87 kDa protein, predominantly present as a dimer. The complex reconstitution in vitro by mixing and incubating the proteins for 2 hours resulted in formation of a complex, demonstrated by appearance of a new peak in size exclusion chromatography. This result was further confirmed by SDS-PAGE, analytical centrifugation and small-angle x-ray scattering (SAXS) experiments. ECAM and PBP1c associated in 2:2 and 4:4 stoichiometries. The activity test confirmed that PBP1c performs polymerization of glycan chains and that its activity is enhanced in the presence of ECAM.Crystallization trials yielded crystals of PBP1c in several conditions. The study of ECAM by electron microscopy proved that this technique could be used for structural studies of the complex. Both approaches are under optimization, and combined, they could be employed for structural characterization of the ECAM-PBP1c complex.

Planifier le chemin d’un robot dans un environnement complexe est un problème crucial en robotique. Les méthodes de planification probabilistes peuvent résoudre des problèmes complexes aussi bien en robotique, qu’en animation graphique, ou en biologie structurale. En général, ces méthodes produisent un chemin évitant les collisions, sans considérer sa qualité. Récemment, de nouvelles approches ont été créées pour générer des chemins de bonne qualité : en robotique, cela peut être le chemin le plus court ou qui maximise la sécurité ; en biologie, il s’agit du mouvement minimisant la variation énergétique moléculaire. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs extensions de ces méthodes, pour améliorer leurs performances et leur permettre de résoudre des problèmes toujours plus difficiles. Les applications que nous présentons viennent de la robotique (inspection industrielle et manipulation aérienne) et de la biologie structurale (mouvement moléculaire et conformations stables). / Planning a path for a robot in a complex environment is a crucial issue in robotics. So-called probabilistic algorithms for path planning are very successful at solving difficult problems and are applied in various domains, such as aerospace, computer animation, and structural biology. However, these methods have traditionally focused on finding paths avoiding collisions, without considering the quality of these paths. In recent years, new approaches have been developed to generate high-quality paths: in robotics, this can mean finding paths maximizing safety or control; in biology, this means finding motions minimizing the energy variation of a molecule. In this thesis, we propose several extensions of these methods to improve their performance and allow them to solve ever more difficult problems. The applications we present stem from robotics (industrial inspection and aerial manipulation) and structural biology (simulation of molecular motions and exploration of energy landscapes).

Les microARNs sont une classe de petits ARNs non codants qui régulent l'expression des gènes via un mecanisme d'interference par ARN. Les microARNs humains sont produits par une série de réactions enzymatiques. En particulier, dans le cytoplasme le precurseur de miRNA (pre-miRNA) est reconnu et clivé par un complexe contenant l'enzyme RNAse III Dicer et plusieurs cofacteurs protéiques. La proteine TRBP (HIV TAR RNA binding protein) est l'un de ces cofacteurs et augmente la stabilité du complexe, influe sur la cinétique, la position du clivage et a role potentiel dans la reconnaissance du substrat et dans le transfet du produit vers le complexe RISC (RNA-induced silencing complex) effecteur de l'interference par ARN. TRBP est composé de 3 domaines de liaison aux ARN doubles brin (dsRBDs). La région d'interaction de TRBP avec les ARNs est composé des deux premiers dsRBDs liés par une région interdomaine non charactérizée. La présente étude rapporte la caractérisation biophysique in vitro de la région d'interaction avec les ARNs de TRBP dans l'état apo de TRBP ou dans l'état lié avec les deux precurseurs cytoplasmique successifs du microARN oncogène miR-155 comprenant la tige boucle pre-miR-155 et le duplex miR-155/miR-155* résultat du clivage de pre-miR-155 par Dicer. L'étude montre que la région d'intéraction de TRBP avec les ARNs est monomerique, est composée de deux dsRBDs independants en solution et que la région interdomaine de 60 résidus est flexible. Le premier dsRBD, non caractérisé précédement en solution est le siège d'un equilibre plié/déplié integral dans une grande gamme de conditions physico-chimiques. Les deux premiers dsRBDs de TRBP peuvent interagir avec un même precurseur de microARN et deux régions d'interaction de TRBP avec les ARNs peuvent interagir avec un même precuseur. La région d'interaction de TRBP avec les ARNs interagit avec pre-miR-155 et le duplex miR-155/miR-155* avec des affinités très similaires. Dans le complexe avec une région d'interaction de TRBP avec les ARN liée à pre-miR-155 ou au duplexe miR-155/miR-155*, aucune indice de contact entre les deux dsRBDs n'a été detecté et la protéine interagit avec les deux precurseurs par la même surface d'interaction. Les informations récoltées suggèrent que TRBP peut jouer un rôle avant et après le clivage des pre-miARN par Dicer, notamment dans le complexe de chargement de RISC. / MicroRNAs (miRNA) are a class of small non-coding RNAs that regulate gene expression through RNA interference (RNAi). Human miRNAs are generated via a series of enzymatic processing steps. In particular, in the cytoplasm, the precursor miRNA (pre-miRNA) is recognized and cleaved by a complex containing the RNase III enzyme Dicer and several non-catalytic accessory proteins. HIV TAR element-binding protein (TRBP) is a constituent of the Dicer complex, which augments complex stability, has effect on the cleavage kinetics and on the cleavage site and potentially functions in substrate recognition and product transfer to the RNA-induced silencing complex (RISC). TRBP is composed of three double stranded RNA binding domains (dsRBDs). The RNA binding region of TRBP is composed of the first two dsRBDs and an uncharacterized interdomain region. The present study reports the in vitro biophysical characterization of the RNA binding region of TRBP in the apo state and in the RNA bound state with the two successive cytoplasmic precursors of the oncogenic human microRNA miR-155, the hairpin pre-miR-155 and the related Dicer product miR-155/miR-155* duplex. The study shows that the RNA binding region of TRBP is monomeric and comprises two independent double-stranded RNA-binding domains connected by a 60 residues flexible linker. The first dsRBD, uncharacterized previously in solution, undergoes a full folding/unfolding equilibrium in a wide range of physico-chemical conditions. The two first dsRBDs of TRBP can interact with one microRNA precursor and two RNA binding regions can interact with one precursor molecule. The RNA-binding region of TRBP interacts with both pre-miR-155 and miR-155/miR-155* duplex with similar affinities. In the complex with one RNA binding region of TRBP bound to either pre-miR-155 or miR-155/miR-155* duplex, no evidence of contact between the two dsRBDs were observed and the protein interacts with both precursors via the same protein binding surface. The data presented here suggest that the RNA binding region of TRBP can play a role before and after processing of pre-miRNAs by Dicer, including in the RISC loading complex.

La modification posttranscriptionnelle des acides ribonucléiques (ARNs) est une étape de maturation conservée dans tous les domaines du vivant. Mes travaux de thèse ont porté sur la caractérisation fonctionnelle et structurale de flavoenzymes impliquées dans la modification des ARN de transfert (ARNt) : les dihydrouridines synthases (Dus) dictant la formation de dihydrouridine via la flavine mononucléotide (FMN) et TrmFO responsable de la méthylation en C5 de l'uridine 54 via la flavine adénosine dinucléotide (FAD) ainsi que le methylènetétrahydrofolate. Afin d'élucider le mécanisme de TrmFO, nous avons élaboré une apoenzyme grâce à une simple mutation qui est efficacement reconstituée in vitro. Nous avons chimiquement synthétisé l'intermédiaire catalytique qui consiste en un FAD-iminium comportant un methylène sur le N5 de l'isoalloxazine. Cette espèce synthétique a été caractérisée par spectrométrie de masse et absorption UV-visible. La reconstitution de TrmFO avec cette molécule restore l'activité in vitro sur un ARNt transcrit prouvant le rôle du FAD comme agent méthylant via une méthylation réductrice. Dus2 réduit spécifiquement U20 et est constituée d'un Dus domaine néanmoins, chez les mammifères un double-stranded RNA-binding domaine (dsRBD) est présent. Afin de comprendre la fonction de cette organisation modulaire, nous avons montré que seule l'enzyme sauvage est active contrairement aux domaines isolés. Nous avons résolu les structures cristallographiques des deux domaines suggérant une redistribution des charges positives en surface. Ce dsRBD dicte la reconnaissance de l'ARNt en se fixant à la tige acceptrice/Tpsi. Ceci est régulé par une extension N-terminal, mis en évidence par des mutations, des titrations RMN ainsi qu’une structure cristallographique en complexe avec un ARN de 22 nucléotides. Ce travail illustre l’acquisition d’un dsRBD au cours de l’évolution dont la fonction est étendu à la reconnaissance des ARNts. / Posttranscriptional modification of ribonucleic acids (RNAs) is a crucial maturation step conserved in all domains of life. During my thesis, I have brought structural and functional insights on flavoenzymes involved in transfer RNA (tRNA) modifications: dihydrouridine synthase (Dus) responsible for dihydrouridine formation using flavin mononucleotide (FMN) and TrmFO responsible for C5 methylation of uridine position 54 relying on flavin adenosine dinucleotide (FAD) and methylenetetrahydrofolate. To elucidate the chemical mechanism of TrmFO we designed an apoprotein via a single mutation that could be reconstituted in vitro with FAD. Furthermore, we chemically synthesized the postulated intermediate active species consisting of a flavin iminium harboring a methylene moiety on the isoalloxazine N5 that was further characterized by mass spectrometry and UV-visible spectroscopy. Reconstitution of TrmFO with this molecule restored in vitro activity on a tRNA transcript proving that TrmFO uses FAD as a methylating agent via a reductive methylation.Dus2 reduces U20 and is comprised of a canonical Dus domain however, mammals have an additional double-stranded RNA-binding domain (dsRBD). To bring functional insight for this modular organization, we showed that only full length human Dus2 was active while its isolated domains were not. tRNA recognition is driven by the dsRBD via binding the acceptor and TΨ stem of tRNA with higher affinity then dsRNA as evidenced by NMR. We further solved the X-ray structures for both domains showing redistribution of surface positive charges justifying the involvement of this dsRBD for tRNA recognition in mammalian Dus2. This was attributed to a peculiar N-terminal extension proven by mutational analysis and an X-ray structure of dsRBD in complex with 22-nucleotide dsRNA. Altogether our work illustrates how during evolution, Dus2 enzymes acquired an engineered dsRBD for efficient tRNA binding via a ruler mechanism.

Le ribosome bactérien (70S) catalyse la formation de la liaison peptidique et représente une cible majeure pour les antibiotiques. Le peptide synthétisé passe à travers le tunnel de sortie de la sous-unité 50S du ribosome avant d’être libéré dans le cytoplasme. Des peptides spécifiques peuvent inhiber la traduction en agissant en cis (peptides naissants) ou en trans (peptides antimicrobiens riches en proline, PrAMPs) sur ce tunnel. Il a été montré que les PrAMPs inhibent la synthèse des protéines en se liant au ribosome 70S. Au cours de ma thèse, j’ai résolu les structures cristallines de quatre PrAMPs en complexe avec le ribosome 70S. J’ai ainsi pu révéler que tous ces peptides recouvrent le centre peptidyl transferase (PTC) et se lient avec le tunnel dans une orientation inverse par rapport au peptide naissant. J’ai aussi pu conclure que les PrAMPs inhibent la traduction en bloquant la transition de la phase d’initiation vers l'élongation. L'arrêt de la traduction induit par le peptide naissant se produit lorsqu'un peptide naissant interagit avec le tunnel, entraînant l'inactivation du PTC. L'arrêt peut être uniquement dû à la séquence du peptide ou peut nécessiter un co-inducteur, tel un antibiotique. Les mécanismes d'action des peptides d'arrêt courts (motifs polyproline ou M+X(+)) restent inconnus. Afin d'étudier ces peptides de manière biochimique et structurale, j’ai formé des complexes ribosomaux bloqués avec un peptidyl-ARNt d'arrêt préparé à l'aide d'un ribozyme appelé flexizyme. J’ai ainsi pu obtenir une structure par cryo-EM d’un 70S bloqué par un motif M+X(+) en présence d'érythromycine et de formuler un modèle expliquant l'inactivation allostérique du PTC. / The bacterial (70S) ribosome catalyzes peptide bond formation and represents a major target for antibiotics. The synthesized peptide passes through the exit tunnel of the large ribosomal subunit before it is released into the cytoplasm. Specific peptides can inhibit translation by acting in cis (nascent peptide) or in trans (proline-rich antimicrobial peptides; PrAMPs) due to interactions with the tunnel. PrAMPs were reported to inhibit protein biosynthesis and bind to the 70S ribosome. During my thesis, I solved the crystal structures of four different PrAMPs in complex with the bacterial ribosome, revealing that all peptides cover the peptidyl transferase center (PTC) and bind in a reverse orientation within the exit tunnel relative to a nascent chain. From this, I concluded that PrAMP binding inhibits the transition from initiation towards elongation. Nascent chain-mediated translational arrest occurs when a nascent peptide interacts with the exit tunnel, leading to the rearrangement and inactivation of the PTC. Arrest can be solely due to the peptide’s sequence or may require a small molecule co-inducer, such as a drug. The underlying mechanisms of action for short arrest peptides (polyproline or M+X(+) motifs) remain unknown. In order to study these short arrest peptides biochemically and structurally, I adopted a strategy to form arrested ribosomal complexes through the direct addition of the arrest peptidyl moiety to tRNAiMet with the help of a small ribozyme known as flexizyme. I was able to solve the cryo-EM structure of a ribosome arrested by an M+X(+) motif in the presence of erythromycin and to propose a model for the allosteric inactivation of the PTC.

La première partie de mon travail a consisté (i) en une étude génomique des souches de TOSV avec séquençage de 10 nouvelles souches afin i) d’enrichir les données disponibles dans Genbank (au début de ce travail, 6 séquences complètes); (ii) d’utiliser les 16 séquences complètes pour définir et évaluer le premier système de typage par technique de RT-q PCR en temps réel afin de discriminer les souches de LA et de LB. Dans la deuxième partie de ce projet, on s’est intéressée à des études structurales et fonctionnelles de la nucléoproteine (N) de TOSV afin d’élucider le mécanisme d’encapsidation d’ARN virale. La N est une protéine de 28 KD, sont rôle majeur est l’encapsidation de l’ARN génomique et sert en tant que co-facteur de la transciption/replication de TOSV. Les études crystallographique de la protéine N , du complexe protéique (N-ARN) ont été déterminé par Olal D et al 2014 au moment que nous avons obtenu la diffraction de crystal de la N sans ARN à 3,7 Å (code PDB: 5FVA). Ces études montrent la protéine N ainsi le complexe (N-ARN) en forme d’un anneau hexamèrique fermé alors encapside l'ARN dans une organisation filamenteux. Nous avons donc décidé de combiner ces résultats avec des études structurales complémentaires en solution , telles que la microscopie électronique (EM) et des études de « Diffusion des rayons X aux petits angles »(SAXS) pour de proposer un modèle décrivant correctement le mécanisme d'encapsidation en solution . Le protéine N se comporte principalement en pentamère déformé et ouvert, qui met en lumière la façon dont nucléoprotéine peut être organisée en filaments. / The first part of my work consisted (i) of genomic sequencing of 10 TOSV strains to increase the total number of complete sequences (at the outset, 6 complete sequences were accessible in Genbank). (ii) to use the 16 sequences to design and evaluated the first lineage-specific real-time RT-PCR assay (Lisp-TOSV) to discriminate between strains of lineages A and B Complete sequencing of the 10 strains was achieved. The second part of this project was dedicated for structural and functional studies of the TOSV N protein in order to decipher viral RNA encapsidation. TOSV Nucleoprotein (N) is a protein of 28 KD, is encapsidating the viral RNA genome and serves as a co-factor the RNA trancription/replication. The crystal structures of TOSV N protein , and the complex N-RNA were already determined (Olal D and al; 2014) while we just obtained diffracting crystal of the N free RNA at 3,7 Å (PDB code : 5FVA ). Crystallographic structures show an hexameric rings whereas N encapsidates the RNA in a filamentous organization. We therefore decided to combine these results with complementary studies, such as electron microscopy (EM) and samll angle X-ray scattering to build a low resolution structure model in solution describing properly the encapsidation mechanism. The N behaves mainly as an opened, deformed pentamer that shed light on how the N can be organized in filaments.