L'objectif de la thèse était de regarder l'acétylcholinestérase (AChE) en mouvement. L'AChE est une enzyme très rapide qui met fin à la transmission de l'influx nerveux au sein des synapses cholinergiques. À l'aide de la cristallographie aux rayons X, des sous-états conformationnels de l'AChE de Torpedo californica (Tc) ont été piégés par sa liaison à des drogues anti-Alzheimer putatives. Les formes, non vieillie et vieillie, de la TcAChE conjuguée au soman ont été caractérisées structuralement, éclairant ainsi le mécanisme de vieillissement de la TcAChE inhibée par les organophosphorés (OP). La structure du complexe ternaire du conjugué vieilli avec un réactivateur a également été résolue. Toutes ces structures guideront l'élaboration de médicaments (drogues anti-Alzheimer ou antidotes contre l'empoisonnement par des OP) en prenant en compte la flexibilité de l'enzyme et ses conformations minoritaires. La structure du complexe de la TcAChE avec un inhibiteur de son site périphérique (PAS), l'aflatoxine B1 (AB1), a été résolue dans deux formes cristallines. Ce travail a mis en évidence des artefacts de la cristallographie nuisibles à l'interprétation biologique des structures. La mesure du temps de vie de phosphorescence de l'AB1 a permis de sonder les mouvements du PAS à l'échelle de la seconde et de révéler des différences de flexibilité liées à l'empilement cristallin de la TcAChE. Cette méthode spectroscopique est complémentaire à la cristallographie cinétique. La gamme de températures cryogéniques identifiée pourrait en effet faciliter l'exploration du mécanisme réactionnel de l'AChE, en ralentissant l'enzyme sans pour autant la figer.

Mémoire (M.Sc.T.)--Unviversité du Québec à Chicoutimi, 2001. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Dans ce travail on a étudié l’insertion d’éléments légers dans des intermétalliques TRMX(TR = Terre-Rare, M = métal de transition, X = Si ou Ge) qui cristallisent dans le type structural CeScSi.Cette structure contient deux types de sites interstitiels dans lesquels il est possible d’insérer deséléments légers : un site tétraédrique TR4 et un site octaédrique TR2M4.Pour tous les composés étudiés au cours de ce travail (GdScGe, NdScSi, CeTiGe,...) on a observésystématiquement une insertion des atomes d’hydrogène dans les sites tétraédriques TR4. Danscertains cas les atomes d’hydrogène occupent également les sites octaédriques TR2M4. Ceci aconduit à l’obtention de deux type d’hydrures : TRMXH et TRMXH1,5 pour lesquels on observe unetrès forte diminution de l’ordre magnétique et des changements significatifs des propriétés deconduction électrique par rapport aux phases initiales.L’insertion de carbone par fusion des éléments à l’aide d’une procédure en plusieurs étapes permetd’obtenir des phases TRScSiCx avec un taux de carbone variable (0 ≤ x ≤ 0,5) qui correspond à unremplissage plus ou moins partiel du site octaédrique TR2M4. Cette insertion de carbone induitégalement une diminution des températures d’ordre magnétique (de Curie et de Néelrespectivement pour NdScSi et CeScSi).Dans une deuxième étape on a montré qu’il est possible d’insérer partiellement de l’hydrogène dansles sites TR4 laissés vacants. Des changements de type d’ordre magnétique ont été observéscontrairement aux hydrures et carbures précédents. Des études systématiques de diffractionneutronique ont permis de déterminer les structures magnétiques à basse température de la plupartde ces nouvelles phases d’insertion. / Rare earth based intermetallics RTX (R = rare earth, T = transition metal, X = Si, Ge)crystallising in the layered CeScSi structure type contain vacant interstitial sites that can be filled bylight elements to modify the initial physical properties. Hydrogenation studies on CeScSi-typecompounds show that hydrogen atoms are inserted in the tetrahedral (R4) sites and sometimes inthe octahedral (R2Sc4) sites. This causes an anisotropic expansion of the unit cell with a decreasingand c strongly increasing. It also drastically lowers the magnetic ordering temperatures of the parentmaterials and changes their resistivity behaviour.We developed a multi-step process to synthesise intermetallic carbides (RTXCX) with controllable Ccontent. Neutron diffraction shows that C occupies only the R2Sc4 sites of the RScSi compounds (R =La-Nd and Gd) causing the increase of the a cell parameter and the decrease of the c one. We obtainRScSiCX solid solutions with 0.0 ≤ x ≤ 0.5 for R = Ce and 0.25 <̰ x ≤ 0.5 for R = Nd. Carburation reducesthe Curie and Néel temperature of the NdScSi and CeScSi pristine phases, respectively.As the R4 tetrahedra are empty in the RScSiCX carbides, we have succeeded in hydrogenating thesematerials (R = Ce and Nd). However, due to the antagonistic structural distortion induced by C and Hinsertion respectively, only around 15 % of the R4 sites could be filled for a final composition ofRScSiC0.5H~0.15. It also changes the type of magnetic behaviour from a ferromagnetic order to anantiferromagnetic order in NdScSiC0.5.Neutron diffraction experiments have been performed to determine the magnetic structures ofthese new insertion compounds.

La plupart des pnictures ternaires de formule générale MM'X (où M et M' sont des métaux de transition et X un élément p tel que P et As) cristallisent avec une structure dérivée de type Fe2P présentant un effet magnétocalorique (MCE) élevé avec une concentration en électrons d proche de celle de Fe. Au contraire, les systèmes polytypes MM'X de type Co2P conduisent à des performances modestes, même lorsque les éléments métalliques sont identiques, à savoir les phases MnFeP1-xAsx (hexagonale) et MnFe1-xCoxP (orthorhombique) présentes dans des diagrammes de phases magnétiques très similaires. Ainsi, le but de ce travail était tout d'abord de mieux comprendre l'évolution fondamentale des comportements structuraux et magnétiques de la série orthorhombique lorsqu'on effectue des substitutions partielles d'éléments choisis sur des sites spécifiques, tels que Mn par Cr, Ni par Fe ou Co, et P par Si ou Ge. D'autre part, il s'agissait d'optimiser la formulation et le procédé d'élaboration visant à concevoir des composés de type hexagonal dans lesquels As est entièrement remplacé par Si plus sûr, et présentant des performances MCE élevées, en vue d'une production pilote.Dans un premier temps, des efforts de synthèse suivis d'analyses DRX, de mesures d'aimantation en fonction du champ et de la température, d'analyses par diffraction de neutrons des structures magnétiques, de caractérisations calorimétriques et de mesures comparatives de MCE, ont été réalisées sur de nombreux échantillons formant un panel représentatif. De manière inattendue, Ni, le métal 3d qui porte le moment magnétique le plus faible, a conduit à des anomalies de volume de la maille en fonction du taux de substitution de Fe ou de Co, induisant une évolution non linéaire de l'aimantation à saturation. Après plusieurs tentatives, et en combinant des substitutions mixtes sur les sites métalliques et non métalliques (par exemple Ni à Co / Ge à P), la variation initiale de l'entropie magnétique à la transition (ΔSm) a été améliorée par environ un facteur 3, pour atteindre le niveau de référence du Gadolinium. En outre, des structures magnétiques non colinéaires et non commensurables aient été établies, en bon accord avec l'analyse Mössbauer 57Fe et les calculs de structure électronique.Le deuxième volet de ce travail comporte 3 parties. D'une part, des analyses de type XRD, MEB, aimantation, calorimétrie... ont été réalisées afin de caractériser les particularités des poudres magnétocaloriques Mn1-xFexP1-xSix de type Fe2P produites à grande échelle par atomisation sous jet de gaz. Le traitement de recuit après atomisation est apparu comme étant l'un des paramètres les plus importants pour accéder à des performances MCE élevées. Plusieurs essais ont permis de définir la meilleure gamme de température, le temps de recuit et la vitesse de refroidissement. Ainsi, la caractéristique ΔSm a été améliorée de 0,2 à 4 J/kg.K pour une variation de 0-2 T. Pour conforter les résultats ci-dessus, des travaux ont été focalisés sur une formule simple - MnFeP0.5Si0.5 - préparée à partir de précurseurs et en utilisant la fusion HF. L'objectif était de mieux contrôler l'équilibre de phases dans le système quaternaire. A partir de cette étape, des performances très intéressantes ont été atteintes, avec un ΔSm de 15 J/kg.K (0-2 T). Enfin, l'emploi de précurseurs spécifiques et de la fusion HF ont été appliqués pour produire des formules différentes (différents rapports Mn / Fe et P / Si), comprenant l'utilisation de poudres atomisées. Avec l'expérience acquise, des valeurs de 18 et de près de 24 J/kg.K (0-2 T) ont été atteintes.En conclusion, les paramètres chimiques et topologiques gouvernant les différences majeurs entre les pnictures MM'X de type Fe2P et de type Co2P ont été discutées. / Most of ternary pnictides with general formula MM’X (where M and M’ are transition metals and X being a p-element such as P and As) crystallize with a Fe2P type structure exhibiting high magnetocaloric effect (MCE) with d-electron concentration close to that of Fe. Surprisingly, polytype systems MM’X of Co2P-type lead to low performances, even when involving the same metal elements, i.e., MnFeP1-xAsx (hexagonal) and MnFe1-xCoxP (orthorhombic), which exhibit very similar magnetic phase diagrams. So the aim of the work was first to better understand the main crystalline and magnetic fundamental trends of the orthorhombic series when controlling substitutions of selected elements to specific sites e.g. Cr to Mn, Ni to Fe or Co, Si tor Ge to P. Then, the goal was to optimize formula and process aiming being able to design hexagonal type compounds where As is fully replaced by safer Si, for high MCE characteristics, in view of pilot production.At first, synthesis efforts followed by XRD analyzes, magnetization vs field and temperature, neutron scattering investigations of magnetic structures, calorimetry and comparative MCE measurements, were carried out on numerous samples forming a representative panel. Unexpectedly, the less magnetic 3d metal Ni caused cell volume anomalies vs substitution rate to Fe or Co leading the saturation magnetization to evolve non-linearly. From the several attempts, and combining mixed substitutions on metallic and non metallic sites (e.g. Ni to Co / Ge to P), the initial variation of the magnetic entropy at transition (ΔSm) was improved by about 3 times, to reach the reference level Gd. Besides non-collinear and non-commensurate magnetic structures were established, agreeing well with 57Fe Mössbauer analysis and electronic structure calculations.The second action of this work consists in 3 parts. First, analysis involving XRD, SEM, magnetization, calorimetry… was deployed to characterize well the peculiarities of MCE promising Mn1-xFexP1-xSix powders of Fe2P-type produced at a large scale by gas atomization. Of the most critical parameters was the post annealing treatment, which is expected delivering high MCE performances. Several attempts have progressively revealed the best range of temperature, annealing time and cooling down rate. Thus the ΔSm characteristic upgraded from 0.2 to 4 J/kg.K for a variation of 0-2 T. To confirm the above results, works focused to a simple formula MnFeP0.5Si0.5 prepared from precursors and using HF melting. The goal was to better control the phase equilibrium in the quaternary system. From this step, ΔSm up to 16 J/kg.K (0-2 T) was achieved. At the end, the method of dedicated precursor and HF melting was applied to produce different formula (various Mn/Fe and P/Si ratios), comprising the use of the atomized powders. With the gained experience 18 and then close to 24 J/kg.K (0-2 T) was reached.In a final conclusion, chemical and topology parameters driving the critical differences in between related to the Fe2P and Co2P types of MM’X pnictides were discussed.

Le rayonnement synchrotron est l'un des facteurs clés du grand succès de la cristallographie macromoléculaire au cours des dernières décennies. Plus de 90% de toutes les structures de protéines de la base de données PDB a été résolu par cristallographie en utilisant des sources de rayonnement synchrotron et environ 95% d'entre elles a été déterminé à partir de cristaux congelés.Cependant, les structures déterminées par des techniques de congélation sont limitées par la nature statique des cristaux congelés. Avec le développement récent des sources de RX produites par lasers à électrons libres (XFEL), qui sont en mesure de produire des impulsions femtosecondes très intenses de rayons X, l'ère de la « diffraction avant destruction » et de la cristallographie sérielle femtoseconde utilisant des micro- ou nano- cristaux a commencé (SFX).Au cours du procédé SFX un cristal de protéine n'est exposé qu'une fois au faisceau de rayons X pendant quelques dizaines de femtosecondes avant qu'il ne soit complètement détruit. Les données sont collectées à partir de cristaux orientés de façon aléatoire par rapport au faisceau de rayons X; une seule exposition par cristal est possible. Afin de recevoir un ensemble de données plus complet, de nouvelles techniques d'analyse de données de diffraction ont été développées.La première expérimentation réussie du procédé (SFX) a été réalisée au LCLS à Stanford en décembre 2009 sur des cristaux du photosystème I et de lysozyme. Les experts en cristallographie des installations XFEL peuvent déterminer des structures de protéines à température ambiante presque exemptes de dégâts d'irradiation, en raison des pulses de FEL femtosecondes si brèves, qu'ils passent à travers l'échantillon avant que des dommages de rayonnement importants ne se produisent.Après la présentation des premières expériences SFX réussies, des efforts pour effectuer une cristallographie en série de cristaux de taille de l’ordre des micromètres à température ambiante ont commencé au sein des synchrotrons. Une première tentative de cristallographie synchrotron en série et à température ambiante a été tentée à PETRA III à DESY à Hambourg. Cette méthode a été nommée SMX (synchrotron serial millisecond crystallography), où des milliers d'échantillons sont collectés à partir de cristaux individuels passant par le faisceau à rayons X. Avec le développement des techniques de cristallographie série à température ambiante au sein des synchrotrons, la répartition de la dose sur un grand nombre de cristaux compense l’augmentation des dommages liés à l’irradiation à température ambiante.Bien que les sources de rayonnement synchrotron n'atteindront probablement jamais la même luminosité que les impulsions de rayons X comme dans les XFELs, elles ont un certains nombre d'avantages. L'un d'eux est la flexibilité de configuration grâce au paramétrage de lignes de faisceaux microfocus. Un autre est que plusieurs expositions par cristal sont possibles. En outre, les synchrotrons sont plus répandus dans le monde: la probabilité d'obtenir un temps d'expérimentation dans un synchrotron est plus élevée que pour une installation XFEL. En effet, maintenant deux installations XFEL sont ouvertes pour les utilisateurs .L'objectif de cette thèse est de proposer et de mettre en œuvre des méthodes qui permettront de recueillir des données en utilisant l'approche de la cristallographie série à l'installation synchrotron européen (ESRF, Grenoble, France). Cette thèse présente différentes techniques pour réaliser la cristallographie sérielle sur la ligne ID13 à l’ESRF. L'objectif était de développer la cristallographie sérielle sur synchrotron basée sur la numérisation micro-diffraction pour démontrer que les sources de rayonnement synchrotron peuvent être utilisées comme un instrument de routine pour cette technique avec des protéines globulaires et membranaires. Les aspects de la collecte de données et leur traitement seront également discutés. / Synchrotron radiation is one of the key factors for the tremendous success of macromolecular crystallography during the past decades. More than 90 % of all protein structures in PDB database were solved by crystallography using synchrotron radiation sources and around 95 % of them were determined from cryocooled crystals1,2. A whole data set can be collected from one flash-cooled crystal. Data-collection at cryogenic temperatures drastically reduces radiation damage effects. However, structures determined using cryo freezing techniques are limited by static nature of frozen crystals.With the recent development of X-ray free-electron laser facilities (XFELs), which are able to produce extremely intense femtosecond X-ray pulses, the era of “Diffraction before destruction” and serial femtosecond crystallography (SFX) for micro-/nano-sized crystals has begun3. In the SFX technique a protein crystal is only exposed once to the X-ray beam for tens of femtoseconds before it is completely destroyed. The data is collected from randomly oriented crystals that are exposed to the X-ray beam; only one shot per crystal is possible. In order to receive a complete data set, new data analysis techniques that are capable of dealing with large quantities of diffraction data have been developed. First experiment where serial femtosecond crystallography (SFX) approach was first carried out was performed at the Linac Coherent Light Source (LCLS, Stanford, USA) in December 2009 on photosystem I and lysozyme crystals4,5,6. At XFELs facilities crystallographers can perform room temperature structure determination of proteins almost free of radiation damage, due to the fact that femtosecond flashes of FEL is so brief, that it passes through the sample before the significant radiation damage occurs.After presenting first successful experiments with SFX technique, efforts to perform serial crystallography of micron-sized crystals at room-temperature started at synchrotron sources. First attempt to perform synchrotron room-temperature serial crystallography has been done at PETRA III at DESY in Hamburg using glass capillary based microfluidics7. This method was named synchrotron serial millisecond crystallography (SMX), where thousands of patterns are collected from individual crystals passing through the X-ray beam8. With development of room-temperature serial crystallography techniques at the synchrotrons, the exposure distributed on a large number of crystals in the sample, which helps compensating the effect of increased radiation damage at ambient temperature.Although synchrotron sources most certainly will never reach the same brightness of X-ray pulses like XFELs, they have some advantages. One of them is possibility to perform any set up due to the flexibility of the parameters of microfocus beamlines. Another advantage of SMX is that several shots per crystals are possible. Also should be mentioned that synchrotrons are more widespread all over the world, so possibility to get a beamtime at the synchrotron is much higher than at XFELs, because currently only two XFEL facilities are open for users (LCLS, USA and SACLA, Japan).The aim of this dissertation is to propose and to implement methods that will allow to collect data using the serial crystallography approach at the European synchrotron radiation facility (ESRF, Grenoble, France). This dissertation presents different techniques to perform synchrotron serial crystallography at ID13 beamline. The goal was to develop synchrotron serial crystallography based on scanning micro-diffraction to demonstrate that synchrotron sources can be used as a routine instrument to perform serial crystallography with soluble and membrane proteins. The aspects of the data collection and data processing also will be discussed.

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.

Les glycosyltransferases sont les enzymes responsables de la synthèse d'oligosaccharides, de polysaccharides et de glycoconjugués. Elles catalysent le transfert d'un saccharide à partir d'un substrat donneur, en général un nucléotide sucre, vers un substrat accepteur. Le mécanisme de réaction des glycosyltransférases peut avoir lieu avec une inversion ou une rétention de l'anomérie de liaison du sucre transféré. De nombreuses incertitudes subsistent au sujet du mécanisme des glycosyltransférases transférant avec rétention de l'anomérie. L'élucidation de ce mécanisme aiderait à la conception d'inhibiteurs ciblés afin de soigner des maladies allant des infections virales et bactériennes au cancer. De nombreuses protéines sont actives à l'état cristallin, ce qui fait de la cristallographie aus rayons X un outil de choix pour étudier le mécanisme d'enzymes. La « cristallographie cinétique » est un terme qui regroupe l'ensemble des techniques permettant d'initier une activité biologique in crystallo pour générer et piéger une quantité significative d'un état intermédiaire de réaction, afin de résoudre sa structure par cristallogrpahie aux rayons X. Le but de mon projet était d'étudier le mécanisme catalytique d'une glycosyltransférase transférant avec rétention de l'anomérie, par cristallographie cinétique. De cette façon, j'ai étudié une enzyme du groupe sanguin responsable du transfert d'un galactose à partir d'UDP-Gal vers l'antigène H. J'ai étudié les effets de la cryoprotection sur la structure de la protéine, et j'ai effectué les études préalables nécessaires à l'application de deux techniques issues de la cristallographie cinétique à l'étude de ces enzymes : « Déclencher-tremper »et « Tremper-déclencher ». / Glycosyltransferases are a large class of enzymes responsible for the synthesis of oligosaccharides, polysaccharides and glycoconjugates. They catalyze the transfer of a saccharide from a donor substrate, usually a nucleotide sugar, to an acceptor. Glycosyltransferase reactions can occur with either retention or inversion of the anomeric configuration of the transferred sugar. Many uncertainties remain concerning the catalytic mechanisms of retaining glycosyltransferases even though the elucidation of this mechanism would help in the rationale design of potent inhibitors to treat diseases ranging from viral and bacterial infections to cancer. Many proteins function in the crystalline state which makes X-ray crystallography a potential powerful tool for studying enzymatic mechanisms. ‘Kinetic crystallography' is a term coined to name the ensemble of techniques to initiate a biological turnover in crystallo in order to generate and trap a significant amount of a given intermediate reaction state, and then solve its X-ray structure. The aim of my project was to investigate the catalytic mechanism of a retaining glycosyltransferase, by kinetic crystallography methods. In this way, I studied a human blood group synthase responsible for the transfer of a galactose from UDP-Gal to the H antigen. I investigated the effects of the cryoprotectant on the structure of the protein, and I made preliminary studies to apply two kinetic crystallography techniques to the enzyme: freeze-trigger and trigger freeze experiments.

Le virus Epstein-Barr (EBV) est un gamma herpèsvirus humain infectant plus de 95 % de la population mondiale. Lorsque la primo-infection a lieu pendant l'adolescence ou à l'âge adulte, elle peut induire la mononucléose infectieuse (MNI), cette maladie est le plus souvent bénigne. EBV est aussi associé à un certain nombre de cancers de type lymphome (lymphomes de Burkitt et d'Hodgkin) et de type carcinome (carcinomes gastriques et indifférenciés du rhinopharynx). L'importance des protéines de latence du virus dans l'apparition des tumeurs a été très étudiée. Des études récentes montrent que les protéines lytiques d'EBV sont aussi très importantes pour l'apparition et le développement des tumeurs. Le complexe Hélicase-Primase (H-P) du virus herpès simplex 1 (HSV-1, alpha herpèsvirus) est la cible de nouveaux antiviraux. Les activités ATPase, hélicase et primase du complexe d'HSV-1 ont été largement étudiées, mais aucune information structurale du complexe H-P n'est disponible actuellement pour un membre des herpèsvirus humains. Nous avons entrepris l'étude du complexe H-P d'EBV (BBLF4 : hélicase, BSLF1 : primase et BBLF2/3 : sous-unité accessoire) afin de caractériser sa structure et les activités qu'il porte. Nous avons pu établir les conditions d'expression et de purification du complexe et débuter des études structurales et enzymatiques préliminaires. Nous avons pu observer une activité ATPase basale du complexe indépendante de la présence d'un substrat ADN simple brin. Nous observons deux formes solubles du complexe lors des purifications, une présentant probablement une stœchiométrie proche de 1/1/1 et une seconde forme ayant surement un excès de la protéine Hélicase (BBLF4). Ces premiers résultats apportent des informations nouvelles pour le complexe H-P d'EBV et doivent être poursuivis afin de les confirmer et de pouvoir les comparer avec ceux déjà connus pour le complexe H-P d'HSV-1. / Epstein-Barr Virus (EBV) is a human herpesvirus largely present worldwide. When primary infection occurs during adolescence or adulthood, it could cause infectious mononucleosis (IM). This disease is most of the time minor. EBV is also associated with several cancers like lymphomas (Burkitt's lymphoma and Hodgkin's lymphoma) or carcinomas (gastric carcinoma and nasopharyngeal carcinoma). Latent proteins of the virus are largely studied and are important for apparition of tumors. Recent studies show that lytic proteins are also important for tumor apparition and progression. The Helicase-Primase complex (H-P) of herpes simplex 1 (HSV-1), a well-known herpèsvirus, is a target for new antiviral drugs. ATPase, helicase and primase activities of HSV-1 complex are well studied, but no information is available for the structure of the H-P complex of human herpesvirus. We studied the H-P complex of EBV (BBLF4: helicase, BSLF1: primase and BBLF2/3: accessory subunit) to characterize its structure and enzymatic activities. We describe the expression and purification conditions and begin preliminary studies on structure and activities of the H-P complex. We show a basal ATPase activity that is DNA single strand independent. We were able to purify two forms of the H-P complex, the first has a stoichiometry close to 1/1/1 and the second one has an excess of helicase protein (BBLF4). These preliminary results on H-P complex of EBV have to be validated with other experiments before being compared to information already known for the HSV-1 complex. Key words : EBV, Helicase-Primase complex, BBLF4, BSLF1, BBLF2/3, ATPase, stoichiometry.

La voie endo-lysosomale dirige les récepteurs membranaires vers le processus de dégradation lysosomale. En bref, les récepteurs sont marqués par l'ubiquitine, envoyés vers les endosomes précoces puis, pris en charge pas le système ESCRT (Endosomal Sorting Complexes Required for Transport) et intégrés dans des vésicules intraluminales. Ce système est composé des complexes ESCRT-0, I, II, II et VPS4. Certaines protéines ESCRT sont aussi recrutées lors de processus topologiquement similaires comme la cytokinèse ou le bourgeonnment viral de certains virus enveloppés. AMSH (Associated Molecule of the SH3 domain of STAM) est une ubiquitine-hydrolase associée au système ESCRT qui hydrolyse les chaînes d'ubiquitine liées par leur lysine K63. Elle interagit directement avec ESCRT-0 via la sous-unité STAM et avec les membres CHMP1A, 1B et 3 d'ESCRT-III. Bien qu'AMSH pourait recruter ces protéines ESCRT ou être elle-même recrutée par celles-ci, le mécanisme d'activation de son activité d'hydrolase est encore méconnu. Afin de mieux comprendre les bases structurales de l'activation d'AMSH, j'ai essayé danalyser des formes recombinantes de cette protéine par cristallographie aux rayons X et par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) ce qui m'a permis d'obtenir deux modèles à basse résolution. De plus, j'ai caractérisé par SPR (Surface Plasmon Resonance) les interactions entre AMSH et CHMP1A, 1B et 3 et déterminé les résidus clefs du dernier complexe. Cela a montré que les surfaces d'interaction employées par le domaine MIT d'AMSH ne sont pas les mêmes pour CHMP3 et CHMP1A/1B. J'ai aussi découvert que l'activité enzymatique d'AMSH seule est très faible ce qui impliquerait une auto-inhibition en solution. L'hydrolyse des chaînes d'ubiquitine liées par leur lysine K63 pourrait alors être activée par une construction de STAM comprenant le domaine SH3 ainsi que les domaines liant l'ubiquitine VHS et/ou UIM. / The endosomal pathway targets plasma membrane receptors for lysosomal degradation. Briefly, receptors are tagged by an ubiquitin, delivered to the early endosome and sorted into intraluminal vesicles by the ESCRT (Endosomal Sorting Complexes Required for Transport) machinery, composed of ESCRT-0, -I, -II- -III and the VPS4 complex. Some ESCRts are also recruited during topologically similar processes such as cytokinesis and budding of some enveloped viruses. AMSH (Associated Molecule of the SH3 domain of STAM) is an ESCRT associated ubiquitin-hydrolase which hydrolyses K63-linked ubiquitin chains. AMSH interacts directly with the ESCRT-0 subunit STAM and ESCRT-III members CHMP1A, CHMP1B and CHMP3. Although AMSH may either recruit these ESCRTs are maybe recruited by these ESCRTs, little is known about the activation mechanism of its hydrolase activity. In order to understand the structural basis for AMSH activation I attempted to analyze recombinant forms of AMSH by X-ray crystallography and SAXS, which produced low resolution models of AMSH. I further characterized AMSH interactions with CHMP1A, CHMP1B and CHMP3 by SPR and determined the key residues for interaction. This showed that the AMSH MIT domain employs two different surfaces for CHMP3 and CHMP1A/B interactions. I also found that recombinant AMSH has very poor enzymatic activity on its own, which indicates an auto-inhibited state in solution. K63-linked uibiquitin hydrolysis could be activated by STAM constructs containing the SH3 and ubiquitin binding domains (UIM and/or VHS), which were shown to interact directly with AMSH via SPR. Thus activation of the hydrolase activity by STAM corroborates indirectly the autoinhibited native state.

La découverte des Protéines Fluorescentes Phototransformables (PTFPs) issuesd’espèces anthozoaires a ouvert, grâce à leurs propriétés photophysiques particulières, unvaste champ d’investigation pour l'imagerie biologique de fluorescence. L'un des sousgroupesdes PTFPs est formé des protéines fluorescentes réversiblement photocommutables(RSFPs), qui peuvent être commutées réversiblement entre des états non-fluorescent etfluorescent. Le photoblanchiment est la perte définitive d’émission de fluorescence sousexcitation et est un phénomène commun à toutes les molécules fluorescentes. Lephotoblanchiment a un impact important sur la qualité des images de microscopie, notammenten imagerie de super-résolution. Les RSFPs ont tendance à perdre de leur performance àchaque cycle de commutation, un processus dénommé “photofatigue”. Notre intérêt est centrésur l'étude des mécanismes de photofatigue des RSFPs.Nous avons rapporté les structures cristallographiques d’IrisFP photoblanchie par uneforte et une basse intensité d’illumination à température ambiante ainsi que les modificationsspectroscopiques associées. Nos résultats démontrent que différentes intensités d'excitationpeuvent donner lieu à différentes voies de photoblanchiment. Sous faible intensité d'excitation,une voie de photoblanchiment dépendante de l'oxygène a été mise en évidence. Lesmodifications structurales induites par la production d'oxygène singulet à l'intérieur de lapoche du chromophore ont révélé l'oxydation de deux résidus soufrés, Met159 et Cys171,piégeant le chromophore dans un état protoné non-fluorescent. Sous haute intensitéd'excitation, une voie de photoblanchiment oxygène-indépendante totalement différente a ététrouvée. Le Glu212, strictement conservé, subit une décarboxylation associée à un importantréarrangement du réseau de liaisons hydrogènes autour du chromophore, et un changementd’hybridation sp2 vers sp3 du carbone reliant les cycles du chromophore est observé. En tantque résidu clé impliqué dans le photoblanchiment induit par faible intensité d'excitation, nousavons muté Met159 en alanine afin d'éviter une sulfoxydation. Nous avons trouvé que lemutant IrisFP-M159A démontre une photostabilité améliorée en solution, en gel PVA et dansdes cellules E. coli. / The discovery of phototransformable FPs (PTFPs) from Anthozoa species, thanks totheir photophysical properties, has opened a large field in biological fluorescence imaging.One of the PTFPs’ sub-groups consists of Reversible Photoswitchable Fluorescent Proteins(RSFPs), which can be reversibly switched between nonfluorescent and fluorescent states.Photobleaching is the permanent loss of the fluorescence-emitting capacity under excitation,which is a common phenomenon among all the fluorescent molecules. Photobleaching has alarge impact on the microscopy image quality, notably on super-resolution imaging.Photoswitchable fluorescent proteins have a tendency to lose performance within everyswitching cycle, a process referred to as “photofatigue”. Our interest of study is focused onthe photobleaching mechanisms of RSFPs.We have reported the crystallographic structure of photobleached IrisFP under highand low illumination intensity at room temperature as well as its spectroscopic modifications.We found that different illumination intensities can result in different photobleachingpathways. Under low illumination intensity, an oxygen-dependent photobleaching pathwaywas evidenced. Structural modifications induced by singlet-oxygen production within thechromophore pocket revealed the oxidation of two sulfur-containing residues, Met159 andCys171, locking the chromophore in a nonfluorescent protonated state. Under highillumination intensity, a completely different, oxygen-independent photobleaching pathwaywas found. The conserved Glu212 underwent decarboxylation concomitantly with anextensive rearrangement of the H-bond network around the chromophore, and an sp2-to-sp3hybridization change of the carbon atom bridging the chromophore cyclic moieties wasobserved. As Met159 is the key residue involved in low-intensity illumination photobleaching,we have then mutated Met159 into Alanine in order to avoid sulfoxidation. We found that theIrisFP-M159A mutant display an enhanced photostability in solution, in PVA gel and inE.coli cells.