La cristallographie des rayons-X à ultra-haute résolution permet d'analyser la distribution de charge des molécules et d'étudier les interactions intermoléculaires avec précision. Des études structurales de plusieurs composés à base de thiophène ont été menées à bien, et le phénomène de désordre a été discuté. Des analyses expérimentales et théoriques de la densité de charge de deux molécules importantes ont été réalisées en utilisant le modèle d'atome multipolaire. Un nouveau modèle d'atomes virtuels est également testé : il permet le calcul rapide des propriétés électrostatiques. La liaison hydrogène avec l'oxygène comme accepteur est étudiée par l'analyse extensive de plus de 500.000 structures cristallines. Les résultats de stéréochimie sont comparés avec la densité électronique des atomes d'oxygène dans différents environnement chimiques, ce qui permet de montrer la dépendance directionnelle des liaisons hydrogène et des formes et orientations des paires d'électrons libres. Finalement, il est montré qu'en l'absence de données de diffraction des rayons X à haute résolution, le principe de transférabilité des paramètres de la densité électronique peut être exploité pour étudier les propriétés électrostatiques et les interactions intermoléculaires. Ce principe a été utilisé avec succès sur une petite molécule à base de thiophène et sur la protéine FAD-dépendante Cholestérol oxydase / Ultra high resolution X-ray crystallography allows for analyzing the charge distribution in the molecules and provides methods to study the intermolecular interactions at a deeper level. Structural studies of several thiophene based compounds have been carried out and the phenomenon of disorder has been discussed. Experimental and theoretical charge density analysis of two important molecules was performed using a multipolar atom model. A new virtual atom model is also tested which allows for a rapid calculation of the electrostatic properties. The hydrogen bonding with oxygen atom acceptor is studied through an extensive survey of more than 500,000 crystal structures. The stereo chemical results are compared with the electron density of the oxygen atoms in different chemical environments which give conclusive evidences for the dependence of directionality of hydrogen bonds on the shape and orientation of the electrons lone pairs. Finally, it has been shown that how in the absence of high resolution X-rays data, principle of transferability of electron density parameters between molecules can be used to study the electrostatic properties and the intermolecular interactions. This principle has been successfully applied to a small thiophene based molecule and the large FAD binding protein Cholesterol oxidase

Dans cette thèse on a étudié par diffraction des rayons X des polytypes à longue période de micas, qui sont des cristaux naturels formés en condition hors équilibre dans un système magmatique. Leur séquence d'empilement peut être considérée comme une combinaison plus ou moins complexe de trois polytypes à courte période 1M, 2M1 et 3T, appelés « structures de base ». L'objectif est d'obtenir les premiers affinements structuraux des ces polytypes avec attention particulière à la distribution des cations dans chaque feuillet, car, d'après la littérature, il existe vraisemblablement une relation entre cette distribution et le mécanisme de formation de ces polytypes. Plus de 120 cristaux ont été analysés, parmi lesquels deux polytypes, dont la période est formée respectivement par 4 et 5 feuillets (indiqués comme 4M3 et 5M3 respectivement en notation de Ramsdell), ont été sélectionnés. Grâce aux résultats de l'affinement, deux interprétations de formation sont possible pour le polytype 4M3, qui prennent en considération le fait que la séquence d'empilement peut-être formée par l'inter-croissance de deux sous-structures : une 3T avec une 1M ou deux sous-structures 2M1 ; dans le dernier cas il s'agit d'un exemple de « cell-twin ». Les résultats de l'affinement structural du polytype 5M3 ont permis de prouver pour la première fois la coexistence des feuillets de type M1 et M2, qui diffèrent pour la distribution cationique dans la couche octaédrique, dans le même polytype. La formation de ces polytype peut-être due à la combinaison de deux sous-structures de base et plusieurs interprétations sont possibles : 3T+1M, 3T+2M1, 1M+2M1, ou deux 1M. Une étude géologique a été effectuée pour reconstruire l'histoire de la rhyodacite contenant les polytypes à longue période. Cette roche s'est formée suite à un mélange de magma, comme indiqué par la présence de textures de déséquilibre de plusieurs minéraux, phénomène qui semble avoir un rôle important dans la formation des ces polytypes, en incrémentant l'activation et les interactions des spirales de croissance, mais aussi les interactions spirale-cristal et cristal-cristal. / We have studied by X-ray diffraction long period polytypes of micas, that are natural crystals formed far from the equilibrium condition in a magmatic system. Their stacking sequence can be considered as a more or less complex combination of three short polytypes 1M, 2M1 and 3T, called "basic structures". The aim was to obtain the first structural refinements of these polytypes, with special attention to the cationic distribution in the octahedral sheet, because, according to the literature, there seems to be a relation between this distribution and the formation of these polytypes. More than 120 crystals have been analysed, and two polytypes have been chosen, whose period is formed respectively by 4 and 5 layers (indicated as 4M3 and 5M3 respectively in Ramsdell notation). The refinement results suggest two interpretations for the formation of the 4M3 polytype, both indicating that the stacking sequence can be formed by the inter-growth of two sub-structures: a 3T with a 1M or two 2M1 sub-structures; the last case is an example of "cell twin". The results of the structural refinement of the 5M3 polytype show for the first time the coexistence of M1 and M2 types of layer, which differ for the cation distribution in the octahedral sheet, in the same polytype. The formation of this polytype can be due to the combination of two basic sub-structures and several interpretations are possible: 3T+1M, 3T+2M1, 1M+2M1, or two1M. A geological study has been done to reconstruct the history of the rhyodacite containing the long period polytypes. This rock is formed after a magma mixing, as showed by the presence of the disequilibrium textures of several minerals; this phenomenon seems to play a fundamental role for the formation of these polytypes, increasing the spiral?s activation and interactions, but also the spiral-crystal and crystal-crystal interactions.

Les pesticides et toxiques de guerre organophosphorés sont responsables d'intoxications qui se révèlent préoccupantes pour les autorités sanitaires. La recherche de solutions thérapeutiques pour pallier le manque de moyens efficaces pour contrer ces intoxications apparaît comme essentielle. L'acétylcholinestérase (AChE), enzyme de régulation de l'influx nerveux, en est la cible principale.Au cours de cette thèse, nous avons, d'une part, mis en place une stratégie de conception de molécules capables de réactiver les cholinestérases dites vieillies. Dans ce but, plusieurs dizaines de molécules ont été conçues et synthétisées. Leur évaluation in silico par docking moléculaire et in vitro par mesure d'affinité pour l'enzyme et par étude cristallographique n'a pas permis d'obtenir la réalkylation espérée, mais ce travail nous a offert quelques nouvelles perspectives.D'autre part, nos travaux de cristallographie de l'inhibition de la butyrylcholinestérase humaine par les agents V et le sarin montrent que cette cholinestérase a une énantiosélectivité altérée pour ces inhibiteurs chiraux par rapport à l'AChE humaine. Ceci implique la nécessité de quantités d'enzyme plus importantes pour atteindre la capacité protectrice désirée et donc un surcoût non négligeable. L'AChE humaine serait finalement un bioépurateur de neurotoxiques organophosphorés économiquement plus viable. / Organophosphate pesticides and chemical warfare are responsible for poisoning that pose to health security issues. The research of therapeutic solutions to overcome the lack of effective means to counter these poisonings is essential. Acetylcholinesterase (AChE), the enzyme involved in the regulation of nerve impulses, is the main target. ln this thesis, we have, first, set up a strategy for designing molecules that can reactivate aged cholinesterases. To this purpose, severa! dozen molecules have been designed and synthesized. Evaluation in silico by molecular docking and in vitro by rneasuring affinity for the enzyme and crystallographic study did not observe the desired realkylation. But this work opened new perspectives.Secondly, our crystallographic work on the inhibition of human butyrylcholinesterase by V-agents and sarin shows that cholinesterase has altered enantioselectivity for these chiral inhibitors of human AChE. This implies that larger amounts of enzyme are required for the desired protection and thus, a significant additional cost. Human AChE seems finally a more suitable neurotoxic bioscavenger.

Aujourd'hui, la cristallographie de macromolécules produit couramment des modèles moléculaires à résolution atomique. Cependant, cette technique est particulièrement difficile à mettre en œuvre, dans le cas de complexes de taille importante. La microscopie électronique permet, elle, de visualiser des particules de grande taille, dans des conditions proches de celles in vivo. Cependant, la résolution des reconstructions tridimensionnelles obtenues exclut, en général, leur interprétation directe en termes de structures moléculaires, étape nécessaire à la compréhension des problèmes biologiques. Il est donc naturel d'essayer de combiner les informations fournies par ces deux techniques pour caractériser la structure des assemblages macromoléculaires. L'idée est de positionner les modèles moléculaires déterminés par cristallographie à l'intérieur de reconstructions 3D issues de la microscopie électronique, et de comparer la densité électronique associée à la reconstruction 3D avec une densité électronique calculée à partir des modèles. Le problème numérique réside dans la détermination et l'optimisation des variables qui spécifient les positions des modèles, considérés comme des corps rigides, à l'intérieur de l'assemblage. Cette idée simple a donné lieu au développement d'une méthode appelée recalage. Ce travail de thèse a eu pour but de fournir aux biologistes un outil, basé sur la méthode du recalage, qui leurs permette de construire des modèles pseudo-moléculaires associés aux assemblages produits par microscopie électronique. Le logiciel issu de ce travail, nommé VEDA est un environnement graphique convivial, intégrant la possibilité de recalage flexible, et un moteur de calcul performant (calcul rapide, traitement de symétries complexes, utilisation de grands volumes, ...). Testé sur des dizaines de cas réels, VEDA est aujourd'hui pleinement fonctionnel et est utilisé par un nombre croissant de chercheurs, en France et à l'étranger qui lui reconnaissent tous facilité d'utilisation, stabilité, rapidité et qualité des résultats. / Today, macromolecular crystallography commonly produces molecular models at atomic resolution. However, this technique is particularly difficult to implement in the cases of large complexes. Electron microscopy allows for the visualization of large particles under conditions similar to those in vivo. However, the resolution of three-dimensional reconstructions obtained by electron microscopy does not allow, in general, the direct interpretation of molecular structures, a necessary step in understanding biological problems. Therefore, it is natural to try to combine information provided by these two techniques to characterize the structure of macromolecular assemblies. The idea is to place the molecular models determined by crystallography inside electron microscopy 3D reconstructions, and compare the electron density associated to the 3D reconstruction with an electron density calculated from the models. The numerical problem is the determination and the optimization of the variables that specify the positions of the models, considered as rigid body, inside the assembly. This simple idea has led to the development of a method called fitting. This thesis aims to provide biologists with a tool, based on the method of fitting, that allows them to build pseudo-molecular models associated to the assemblies produced by electron microscopy. The software resulting from this work, named VEDA, has a user-friendly graphical environment, includes the possibility of flexible fitting, and implements a powerful calculation core (fast computation, treatment of complex symmetry, use of large volumes, etc.). Tested on dozens of real cases with experimental data sets, VEDA is now fully functional and is used by a growing number of researchers in France and abroad. All of the users have recognized ease of use, stability, speed, and quality of results of VEDA. STAR

De la reconnaissance protéine-glucides. Une activité lectine avec une spécificité mannose/glucose a été détectée dans les graines de Platypodium elegans, une légumineuse de la sous-tribu Dalbergiae. Le gène de la lectine PELa a été cloné. Son produit est une protéine de 261 acides aminés appartenant à la famille des lectines de légumineuses et présentant des similarités avec l'agglutinine de Pterocarpus angolensis (PAL). La lectine recombinante a été exprimée dans E. coli et renaturée à partir des corps d'inclusion. L'analyse de la spécificité par Glycan Array montre une préférence très rare pour des N-glycanes de type complexe avec des branches disymmétriques. Une branche courte composée d'un résidu de mannose est préférée sur le bras 1-6 des N-glycanes, tandis que l'extension par les résidus GlcNAc et Gal et favorable sur le bras 1-3. Les affinités ont été mesurées par microcalorimétrie de titration en utilisant des heptasaccharides liés à une asparagine et obtenus par une méthode semi-enzymatique. Une très forte affinité de 5 uM a été obtenue pour deux ligands symétriques et disymmétriques. Les structures cristallographiques de PELa complexé avec le trimannose branché et l'heptasaccharide-Asn symétrique de type complexe ont été résolues respectivement à 2,1 et 1,65 Å de résolution. La lectine adopte l'organisation dimérique canonique des lectines de légumineuses. Le trimannose ponte les sites de liaison de deux dimères voisins, résultant en la formation de chaînes infinies dans le cristal. L'heptasaccharide-Asn se lie par le mannose du bras 1-6 dans le site principal de liaison et de nombreux contacts supplémentaires sont établis avec les autres résidus glucidiques. Le GlcNAc du bras 1-3 interagit avec la surface de la protéine dans une conformation contrainte qui peut expliquer la plus grande affinité que l'on observe sur les puces pour les oligosaccharides avec des bras 1-3 courts qui ne contiennent pas ce monosaccharide. / Lectin activity with specificity for mannose and glucose has been detected in the seed of Platypodium elegans, a legume from the Dalbergiae tribe. The gene of the lectin PELa has been cloned and the resulting 261 amino acid protein belongs to the legume lectin family with similarity with Pterocarpus angolensis agglutinin (PAL) from the same tribe. The recombinant lectin has been expressed in E. coli and refolded from inclusion bodies. Analysis of specificity by Glycan Array evidenced a very unusual preference for complex type N-glycans with asymmetrical branches. A short branch consisting of one mannose residue is preferred on the 6- arm of the N-glycan, while extension by GlcNAc, Gal and NeuAc are favorable on the 3-arm. Affinities have been obtained by microcalorimetry using symmetrical and asymmetrical Asn- linked heptasaccharide prepared by semi-enzymatic method. Strong affinity of 5 µM was obtained for both ligands. Crystal structures of PELa complexed with branched trimannose and symmetrical complex type Asn-linked heptasaccharide have been solved at 2.1 and 1.65 Å resolution respectively. The lectin adopts the canonical dimeric organization of legume lectins. The trimannose bridges the binding sites of two neighbouring dimers, resulting in the formation of infinite chains in the crystal. The Asn-linked heptasaccharide binds with the 6-arm in the primary binding site and extensive additional contacts on both arms. The GlcNAc on the 3-arm is bound in a constrained conformation that may rationalize the higher affinity that is observed on chips for oligosaccharide with shorter 3-arm that do not present this monosaccharide.

Les moteurs moléculaires sont des protéines capables de produire une force : elles transforment l'énergie chimique de l'hydrolyse de l'ATP en énergie mécanique. Cette thèse se focalise sur l'étude d'une famille de moteurs moléculaires, les myosines, qui se déplacent le long des filaments d'actine et assurent d'importantes fonctions cellulaires.La myosine VI est une myosine très particulière car elle est la seule à se déplacer vers l'extrémité négative des filaments d'actine. Elle est produite dans la cellule sous forme auto-inhibée, inactive. Dans la cellule, son activité est également régulée par plusieurs protéines interagissant avec la queue C-terminale de la myosine VI. Ces protéines, présentes à des endroits précis de la cellule, recrutent la myosine VI et dictent l'action qu'elle doit effectuer. Des analyses de SAXS, de dispersion de la lumière, de microscopie, d'interaction et de mutagénèse ont permis de mieux comprendre le mécanisme régulant l'adoption de l'état auto-inhibé, ainsi que son activation par le calcium. L'interaction avec différents partenaires a été caractérisée. GIPC1, le partenaire le plus étudié, promeut de façon indirecte la dimérisation et l'activation de la myosine VI.Pendant ma thèse, j'ai également été impliqué dans deux autres projets qui s'inscrivent dans la logique du projet de thèse et qui ont mené à la publication de quatre articles. Deux chapitres, plus brefs, sont donc dédiés à ces projets. Le deuxième chapitre porte sur la régulation de l'activité de la myosine VII par ses partenaires cellulaires. Finalement, le troisième chapitre est dédié à l'étude de la modification allostérique de l'activité des myosines par des petites molécules. / Molecular motors are essential agents of force production in the cells: they convert the chemical energy released by the hydrolysis of ATP into mechanical work. This thesis focuses on myosins, a family of molecular motors responsible for actin-based motility. Myosin VI is unique among all of the myosin superfamily members in that it moves in the opposite direction of all other known myosins. Previous work revealed myosin VI tail ability to fold back, constituting a potential auto-inhibited state that prevents motor activity. Several myosin VI partners, binding to the C-terminal tail of the myosin, have been identified and shown to recruit the motor for different functions. In the first chapter of this thesis, the mechanism allowing the regulation of myosin VI activity has been studied using biochemical and biophysical analysis (SAXS, light scattering, microscopy, binding assays and mutagenesis). GIPC1, the most studied myosin VI partners, promotes myosin dimerization and activation. During my PhD, I have been also involved in two other projects, in line with my thesis project, that have led to the publication of four articles. Two shorter chapters are therefore devoted to these projects. The second chapter of my thesis explores myosin VII activity regulation by its cellular partners. Finally, the third chapter is devoted to the allosteric regulation of myosins activity by small molecules.

La régulation de la transcription est un processus dynamique faisant intervenir le recrutement de complexes protéiques impliqués dans le remodelage de la chromatine. Parmi eux, mon travail s’est focalisé sur le complexe NuRD (Nucleosome Remodeling and histone Deacetylation) et sa sous-unité de liaison à l’ADN CpG MBD3. Pour cela une approche de biologie structurale intégrative combinant la préparation biochimique, la caractérisation biophysique et l’étude structurale par cryo-EM et cristallographie aux rayons-X a été mise en place. Les caractérisations biophysiques de MBD3 ont permis de mettre en évidence son interaction avec un ADN non-modifié CpG et des cristaux diffractant jusqu’à 3.9 Å ont été obtenu. De plus la région désordonnée en aval du domaine de liaison a été identifiée et son impact dans la formation de complexe caractérisé. Des cristaux pour les différentes constructions en complexe avec l’ADN ont été obtenus et sont actuellement optimisés. Enfin l’optimisation de la purification et la préparation du complexe, ont permis la visualisation du complexe NuRD et mettent en avant pour la première fois une organisation en domaines du complexe. / Transcription regulation of chromatin is a very dynamic process regulated through the recruitment of chromatin-remodeling complexes. My work focuses on NuRD for Nucleosome remodeling and histones deacetylation complex a 1 MDa multi-subunit protein complex and its subunit MBD3 a CpG-binding protein and more precisely on an integrated biology approach of this molecular assembly and its interaction with DNA. It combines biochemical preparation, biophysical characterization, single particle cryo-eletron microscopy and x-ray crystallography. Biophysical analysis show that MBD domain of MBD3 interacts with unmodified CpG DNA, a crystal diffracting up to 3.9 Å were obtained. Moreover a C-terminal intrinsically disordered region of MBD3 were identified and despite is inherent disorder seems to increase the binding affinity of MBD3 for DNA. Crystals were obtained for both constructs in complex with DNA and are currently optimized.Cryo-EM study of NuRD complex allows us to develop and optimized purification and grids preparation for the visualization of the complex. The present results reveal a domain organization of the complex never identify before.

Les matériaux hybrides organique/inorganique présentent la possibilité de pouvoir réunir, au sein d'un même composé, les propriétés initiales des constituants organiques (solubilité, flexibilité) et inorganiques (propriétés électroniques, optiques, magnétiques) voire de posséder des propriétés nouvelles supérieures à la simple somme des propriétés initiales. Au cours des présents travaux, nous avons porté notre attention sur les relations structures-propriétés au sein d'halogénométallates hybrides incorporant des cations organiques du type alkylammonium fonctionnalisés. Au cours de la première partie, une étude des changements conformationnels à l'état solide de molécules organiques incorporées dans des composés hybrides a été réalisée. Nous avons pu montrer que ces changements s'accompagnent de transitions structurales, phénomènes mis en évidence par les variations des propriétés optiques non linéaires à l'état massif et sous forme de films minces. La deuxième partie concerne l'étude structurale et théorique d'interactions disulfure-disulfure et disulfure-iodure à l'état solide. Ce travail montre que ces interactions intermoléculaires sont faibles, et principalement d'origine orbitalaire. Elles pourraient néanmoins être responsables de l'obtention de certaines structures présentant des transitions de phases activées par la température. Enfin, nous avons souligné l'influence de la fonctionnalisation de cations organiques du type éthylammonium sur la géométrie de réseaux inorganiques pérovskites hybrides et dérivés. Limiter la gêne stérique du cation et les interactions à l'interface organique/inorganique permet de réduire le band-gap de ces composés.

Des structures multicouches NiCoCrAlY / Al2O3 / TiOx / Pt / AlN déposées par pulvérisation cathodique sur superalliage base nickel, destinées à la réalisation de capteurs de pression sur pièces de turbomachine, sont étudiées et caractérisées. Les principaux objectifs de l'étude sont de résoudre le problème d'adhérence du film de platine (Pt) sur l'alumine (Al2O3) et d'améliorer la texture cristallographique {0001} des couches de nitrure d'aluminium (AlN) favorable à l'effet piézo-électrique recherché. L'influence d'une couche d'accrochage de TiOx sur l'adhérence du platine et l'effet de la polarisation du substrat sur les propriétés physico-chimiques de l'AlN sont notamment étudiés. L'étude approfondie (diffraction X, MEB, EDS, XPS, tests d'arrachement) des propriétés physico-chimiques des couches est menée. Les résultats mettent en évidence la forte influence du TiOx sur la nature et l'état de surface de l'alumine. La présence d'une couche de TiOx peut améliorer ou dégrader l'adhérence du platine en fonction du type d'alumine élaborée. Un fort effet de la polarisation du substrat sur la texture, la morphologie, la composition chimique de l'AlN et sur les contraintes résiduelles est démontré et expliquée. Les résultats obtenus concernant la qualité de la texture {0001} de l'AlN et la tenue mécanique des structures multicouches (800°C) ont permis la fabrication de transducteurs Pt / AlN / Pt sur substrats plans de superalliage base nickel. La sensibilité à la pression de ces premiers prototypes devra ensuite être évaluée en préalable à l'élaboration de capteurs sur pièces de turbomachine.

Chez les mammifères, deux protéines cytosoliques régulatrices du fer, IRP1 et IRP2 (Iron Regulatory Proteins), sont impliqué dans le métabolisme de ce métal biologiquement essentiel. Ces protéines peuvent fixer des régions spécifiques d'ARNm, appelée Iron Responsive Elements, et ainsi contrôler l'expression des protéines impliquées dans l'importation, le stockage et l'utilisation du fer. IRP1 peut perdre sa capacité de fixer l'ARN en acquièrent un agrégat [4Fe-4S] lui conférant une activité d'aconitase cytosolique catalysant la conversion du citrate en isocitrate. Le rôle physiologique exact d'IRP1 n'est pas encore complètement clair mais des indications laissent à penser qu'elle serait impliquée dans la réponse au stress oxydant.<br />L'IRP1 humaine a une masse moléculaire de 98 kDa. La forme contenant un agrégat [4Fe-4S] a été cristallisée dans des conditions anaérobiques et un jeu de donnée allant jusqu'à 1,85 Å a été collecté. Un remplacement moléculaire a été tenté afin de résoudre la structure de la protéine à partir de la structure de l'aconitase mitochondriale de bœuf qui présente 22% d'identité de séquence avec IRP1 mais sans succès. Par la suite, une seconde forme cristalline diffractant à 2,5 Å de résolution a été obtenue. Le signal anomal de l'agrégat fer-soufre ainsi que celui d'un site zinc inattendu dans l'enzyme native ont été utilisés en plus des données isomorphes d'un dérivés or pour résoudre le problème de la phase. La structure a été affinée et analysée en respectant la fonction aconitase et celle de fixation d'ARN de la protéine et ce en utilisant les résultats des différentes études de mutagenèse dirigée disponibles dans la littérature.