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Ces dernières années, les méthodes hybrides QM/MM combinant la mécanique quantique (QM) et la mécanique moléculaire (MM) se sont revélées des méthodes de choix pour l'étude de systèmes chimiques et biochimiques contenant plus d'une centaine d'atomes. Nous avons mis en évidence les apports et difficultés liés à leur utilisation à travers des systèmes variés: modélisation de ligands phosphines, réactivité d'une protéine de type acide phosphatase pourpre, modélisation de l'interaction protéine-ligand.

Pregnenolone (PREG), the precursor of all neurosteroids, is synthesized in the nervous system from cholesterol and recent clinical studies indicate that reduced cognitive symptoms of schizophrenia correlate with elevated serum levels of pregnenolone sulfate (PregS), its immediate sulfated metabolite. PregS fulfills most of the classical criteria for an endogenous modulator of excitatory synaptic transmission, including: presence in nervous tissue at physiologically relevant concentrations, potentiation of N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) mediated synaptic activity, and a mechanism for its inactivation. As NMDAR hypoactivity has been implicated in the pathophysiology of schizophrenia, defects in neurosteroid metabolism might play a role in its associated cognitive dysfunction. PregS improves memory performance in rodents and augments long-term potentiation (LTP), an electrophysiological correlate of synaptic plasticity that is stabilized by phosphorylation of the cAMP response element binding protein (CREB). We have previously demonstrated that PregS at low picomolar (pM) concentrations increases intracellular Ca2+ and CREB via synaptic NMDARs. Therefore, we hypothesized that low pM concentrations of PregS might potentiate spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs) and promote molecular events underlying synaptic plasticity. Here, using whole-cell patch clamp recordings, we report that PregS enhances the frequency of sEPSCs of cultured hippocampal neurons by about 2-fold while not altering their amplitude or passive membrane properties. This suggests that PregS acts presynaptically by increasing the frequency of neurotransmitter release or postsynaptically by activating silent synapses. We then investigated the hypothesis that PregS increases α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor (AMPAR) and NMDAR subtypes at synapses as a molecular switch for this enhancement. We measured receptor redistribution and phosphorylation using fluorescence imaging and Western blot technology. The results demonstrate that PregS (50pM, 10min): (1) Increases AMPAR (GluA1)/PSD95 colocalization (dependent on L-type voltage-gated Ca+2 channel and synaptic NMDAR activity), and increases phosphorylation of GluA1 at serine-831/845; (2) Increases casein kinase 2 (CK2) dependent surface NMDAR2A (GluN2A) but not GluN1 or GluN2B; and (3) Increases GluN2B serine-1480 phosphorylation. The results show that PregS increases the frequency of excitatory synaptic transmission and increases surface/synaptic AMPARs and surface GluN2A (but not GluN1 or GluN2B) NMDARs, shifting the molecular composition of young glutamatergic synapses toward the adult GluN2A enriched synaptic phenotype.

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle modulant l’activité, la conformation ou la localisation d’une protéine et régulant divers processus. Les kinases et phosphatases sont responsables de la dynamique de phosphorylation et agissent de manière coordonnée. L’activation anormale ou la dérégulation de kinases peuvent conduire au développement de cancers ou de désordres métaboliques. Les récepteurs tyrosine kinase (RTKs) sont souvent impliqués dans des maladies et la compréhension des mécanismes régissant leur régulation permet de déterminer les effets anticipés sur leurs substrats. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’identifier les évènements de phosphorylation intervenant dans la voie de l’insuline chez la drosophile impliquant un RTK : le récepteur de l’insuline (InR). La cascade de phosphorylation déclenchée suite à l’activation du récepteur est conservée chez le mammifère. Afin d’étudier le phosphoprotéome de cellules S2 de drosophile, nous avons utilisé une étape d’enrichissement de phosphopeptides sur dioxyde de titane suivie de leur séparation par chromatographie liquide (LC) et mobilité ionique (FAIMS). Les phosphopeptides sont analysés par spectrométrie de masse en tandem à haute résolution. Nous avons d’abord démontré les bénéfices de l’utilisation du FAIMS comparativement à une étude conventionnelle en rapportant une augmentation de 50 % dans le nombre de phosphopeptides identifiés avec FAIMS. Cette technique permet de séparer des phosphoisomères difficilement distinguables par LC et l’acquisition de spectres MS/MS distincts où la localisation précise du phosphate est déterminée. Nous avons appliqué cette approche pour l’étude des phosphoprotéomes de cellules S2 contrôles ou traitées à l’insuline et avons identifié 32 phosphopeptides (sur 2 660 quantifiés) pour lesquels la phosphorylation est modulée. Étonnamment, 50 % des cibles régulées possèdent un site consensus pour la kinase CK2. Une stratégie d’inhibition par RNAi a été implémentée afin d’investiguer le rôle de CK2 dans la voie de l’insuline. Nous avons identifié 6 phosphoprotéines (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 et mu2) positivement régulées suite à l’insuline et négativement modulées après le traitement par RNAi CK2. Par essai kinase in vitro, nous avons identifié 29 cibles directes de CK2 dont 15 corrélaient avec les résultats obtenus par RNAi. Nous avons démontré que la phosphorylation de su(var)205 (S15) était modulée par l’insuline en plus d’être une cible directe de CK2 suite à l’expérience RNAi et à l’essai kinase. L’analyse des données phosphoprotéomiques a mis en évidence des phosphopeptides isomériques dont certains étaient séparables par FAIMS. Nous avons déterminé leur fréquence lors d’études à grande échelle grâce à deux algorithmes. Le script basé sur les différences de temps de rétention entre isomères a identifié 64 phosphoisomères séparés par LC chez la souris et le rat (moins de 1 % des peptides identifiés). Chez la drosophile, 117 ont été répertoriés en combinaison avec une approche ciblée impliquant des listes d’inclusion. Le second algorithme basé sur la présence d’ions caractéristiques suite à la fragmentation de formes qui co-éluent a rapporté 23 paires isomériques. L’importance de pouvoir distinguer des phosphoisomères est capitale dans le but d’associer une fonction biologique à un site de phosphorylation précis qui doit être identifié avec confiance. / Phosphorylation is a reversible post-translational modification that modulates protein activity, and can impart conformational changes and affect translocation of their protein substrates. Kinases and phosphatases are responsible for the dynamic of changes in protein phosphorylation and act in a coordinated manner. Abnormal activation or misregulation of kinase activity can lead to the development of cancers and metabolic disorders. Tyrosine kinase receptor (RTK) associated signaling pathways are often implicated in numerous diseases and the further understanding of mechanisms affecting their regulation is necessary to determine their activity and effects anticipated on their substrates. In this context, the primary objective of this thesis is to study the phosphorylation events arising from the activation of the insulin receptor (InR) following stimulation of drosophila S2 cells with insulin. The phosphorylation cascade triggered after InR activation is conserved in mammals. In order to study the phosphoproteome of drosophila S2 cells, we enriched phosphopeptides on titanium dioxide (TiO2) stationary phase prior to their separation by liquid chromatography (LC) and ion mobility (FAIMS) mass spectrometry (MS). Phosphopeptides were then analysed by tandem MS at high resolution. We first compared the benefits of FAIMS to conventional LC-MS, and observed a 50% increase in the number of identified phosphopeptides when using ion mobility. FAIMS enables the separation of phosphoisomers that are typically unresolved by LC, enabling high confidence assignment of modification sites via distinct MS/MS spectra. This approach was used to profile phosphorylation changes taking place between control and insulin-treated drosophila cells and enabled the identification of 32 phosphopeptides (out of 2 660 quantified) showing differential regulation. Interestingly, 50% of the regulated targets have a CK2 consensus site. These preliminary experiments were followed-up by RNAi mediated inhibition of CK2 and revealed that 6 phosphoproteins (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 and mu2) were positively modulated after insulin stimulation and negatively regulated after CK2 RNAi treatment. Using in vitro kinase assay, we identified 29 direct CK2 targets, of which 15 were correlated with results from the CK2 RNAi experiment. We demonstrated specifically that the su(var)205 (S15) is regulated by insulin and is a direct CK2 target based on RNAi and kinase assays. Our phosphoproteomics data also highlighted the presence of isomeric phosphopeptides, several of which could be distinguished using FAIMS. We developed two algorithms to determine the occurrence of phosphoisomers in large scale studies. The first algorithm based on differences in retention times between isomers identified 64 candidates in mouse and rat phosphoproteome datasets corresponding to less than 1% of all identified phosphopeptides. We also identified 117 isomer candidates in drosophila using a targeted LC-MS/MS approach with inclusion lists. The second algorithm is based on the presence of characteristic fragment ions present in MS/MS spectra of co-eluting or partially resolved species and allowed the identification of 23 isomeric pairs. The ability to distinguish phosphoisomers in large-scale phosphoproteome datasets is of significance to correlate phosphorylation events taking place on specific residues with biological activities.

La protéine kinase caséine kinase 2 (CK2) est une sérine/thréonine kinase hautement pléiotrope dont la liste des substrats est supérieure à 500 protéines, lesquelles sont impliquées dans un large éventail de fonctions cellulaires. Les sous-unités catalytiques de CK2 (alpha et/ou alpha') sont constitutivement actives soit seules soit en combinaison avec les sous-unités régulatrices béta pour former une protéine hétérotétramérique (holoenzyme). Une troisième isoforme de la sous-unité catalytique, désignée CK2α'', a été découverte plus récemment et peu d'informations sont actuellement disponibles. L'activité hautement constitutive de CK2 est suspectée de contribuer au phénomène de néoplasie. Une stratégie de conception d'inhibiteurs tétracycliques ciblant le site ATP de la CK2 a permis l'élaboration de trois séries de composés comportant le motif indéno[1,2-b]indole. Un procédé multi-étapes de synthèse a permis de fonctionnaliser précisément le cycle D du noyau indéno[1,2-b]indole et de générer une première chimiothèque de molécules originales. Toutes les molécules finales ont été testées sur la protéine kinase humaine CK2 (Muenster) et certaines ont présentées des CI50 de l'ordre du submicromolaire. L'analyse des Relations Structure-Activité (SAR) et la construction d'un modèle 3D-QSAR (Duesseldorf) a contribué à affiner le choix des substituants introduits sur le châssis moléculaire développé. Les indéno[1,2-b]indoles fonctionnalisés les plus prometteurs ont été également testés sur d'autres cibles biologiques comme la phosphatase CDC25A (Metz) et la kinase DYRK1B (Saarbruecken). Des études de modélisation moléculaire (Duesseldorf) utilisant les données cristallographiques disponibles de l'enzyme ont permis d'analyser les interactions ligand-protéine. Les inhibiteurs les plus puissants in vitro ont été testés sur quatre lignées cellulaires normales afin d'établir leur profil cytotoxique (Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon) / Synthesis and evaluation of indéno[1,2-b]indole derivatives as potential inhibitors of human protein kinase CK2 Protein kinase casein kinase 2 (CK2) is a serine/threonine kinase highly pleiotropic listed substrates it is greater than 500 proteins, which are involved in a wide range of cellular functions. The catalytic subunits of CK2 (α and/or α') are constitutively active either alone or in combination with the regulatory subunits to form a hetero- beta protein holoenzyme). A third isoform of the catalytic subunit, designated CK2 α', was discovered more recently and little information is currently available. The high constitutive activity of CK2 is suspected of contributing to the phenomenal of neoplasia. A design strategy tetracyclic inhibitors targeting the ATP site of CK2 resulted in the development of three series of compounds containing the motif indeno[1,2-b]indole. A multi-step synthesis process has specifically functionalize the D ring of the core indeno[1,2-b]indole and generate a first combinatorial library of original molecules. All final compounds were tested on human protein kinase CK2 (Muenster), and some have reported IC50 of the order of sub-micromolar. Analysis of Structure-Activity Relationships (SAR) and the construction of a 3D-QSAR model (Duesseldorf) helped to refine the choice of substituents introduced into the moleculair frame developed. The indeno[1,2-b]indole the most promising functionalized indoles were also tested on other biological targets such as phosphatase CDC25 A (Metz) and kinase DYRK1B (Saarbruecken). Of molecular modeling studies (Duesseldorf) using the crystallographic data of the enzyme were used to analyze protein-ligand interactions. The most potent in vitro inhibitor were tested on four normal cell lines to determine their cytotoxic profile (Cancer Research Center of Lyon)

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle modulant l’activité, la conformation ou la localisation d’une protéine et régulant divers processus. Les kinases et phosphatases sont responsables de la dynamique de phosphorylation et agissent de manière coordonnée. L’activation anormale ou la dérégulation de kinases peuvent conduire au développement de cancers ou de désordres métaboliques. Les récepteurs tyrosine kinase (RTKs) sont souvent impliqués dans des maladies et la compréhension des mécanismes régissant leur régulation permet de déterminer les effets anticipés sur leurs substrats. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’identifier les évènements de phosphorylation intervenant dans la voie de l’insuline chez la drosophile impliquant un RTK : le récepteur de l’insuline (InR). La cascade de phosphorylation déclenchée suite à l’activation du récepteur est conservée chez le mammifère. Afin d’étudier le phosphoprotéome de cellules S2 de drosophile, nous avons utilisé une étape d’enrichissement de phosphopeptides sur dioxyde de titane suivie de leur séparation par chromatographie liquide (LC) et mobilité ionique (FAIMS). Les phosphopeptides sont analysés par spectrométrie de masse en tandem à haute résolution. Nous avons d’abord démontré les bénéfices de l’utilisation du FAIMS comparativement à une étude conventionnelle en rapportant une augmentation de 50 % dans le nombre de phosphopeptides identifiés avec FAIMS. Cette technique permet de séparer des phosphoisomères difficilement distinguables par LC et l’acquisition de spectres MS/MS distincts où la localisation précise du phosphate est déterminée. Nous avons appliqué cette approche pour l’étude des phosphoprotéomes de cellules S2 contrôles ou traitées à l’insuline et avons identifié 32 phosphopeptides (sur 2 660 quantifiés) pour lesquels la phosphorylation est modulée. Étonnamment, 50 % des cibles régulées possèdent un site consensus pour la kinase CK2. Une stratégie d’inhibition par RNAi a été implémentée afin d’investiguer le rôle de CK2 dans la voie de l’insuline. Nous avons identifié 6 phosphoprotéines (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 et mu2) positivement régulées suite à l’insuline et négativement modulées après le traitement par RNAi CK2. Par essai kinase in vitro, nous avons identifié 29 cibles directes de CK2 dont 15 corrélaient avec les résultats obtenus par RNAi. Nous avons démontré que la phosphorylation de su(var)205 (S15) était modulée par l’insuline en plus d’être une cible directe de CK2 suite à l’expérience RNAi et à l’essai kinase. L’analyse des données phosphoprotéomiques a mis en évidence des phosphopeptides isomériques dont certains étaient séparables par FAIMS. Nous avons déterminé leur fréquence lors d’études à grande échelle grâce à deux algorithmes. Le script basé sur les différences de temps de rétention entre isomères a identifié 64 phosphoisomères séparés par LC chez la souris et le rat (moins de 1 % des peptides identifiés). Chez la drosophile, 117 ont été répertoriés en combinaison avec une approche ciblée impliquant des listes d’inclusion. Le second algorithme basé sur la présence d’ions caractéristiques suite à la fragmentation de formes qui co-éluent a rapporté 23 paires isomériques. L’importance de pouvoir distinguer des phosphoisomères est capitale dans le but d’associer une fonction biologique à un site de phosphorylation précis qui doit être identifié avec confiance. / Phosphorylation is a reversible post-translational modification that modulates protein activity, and can impart conformational changes and affect translocation of their protein substrates. Kinases and phosphatases are responsible for the dynamic of changes in protein phosphorylation and act in a coordinated manner. Abnormal activation or misregulation of kinase activity can lead to the development of cancers and metabolic disorders. Tyrosine kinase receptor (RTK) associated signaling pathways are often implicated in numerous diseases and the further understanding of mechanisms affecting their regulation is necessary to determine their activity and effects anticipated on their substrates. In this context, the primary objective of this thesis is to study the phosphorylation events arising from the activation of the insulin receptor (InR) following stimulation of drosophila S2 cells with insulin. The phosphorylation cascade triggered after InR activation is conserved in mammals. In order to study the phosphoproteome of drosophila S2 cells, we enriched phosphopeptides on titanium dioxide (TiO2) stationary phase prior to their separation by liquid chromatography (LC) and ion mobility (FAIMS) mass spectrometry (MS). Phosphopeptides were then analysed by tandem MS at high resolution. We first compared the benefits of FAIMS to conventional LC-MS, and observed a 50% increase in the number of identified phosphopeptides when using ion mobility. FAIMS enables the separation of phosphoisomers that are typically unresolved by LC, enabling high confidence assignment of modification sites via distinct MS/MS spectra. This approach was used to profile phosphorylation changes taking place between control and insulin-treated drosophila cells and enabled the identification of 32 phosphopeptides (out of 2 660 quantified) showing differential regulation. Interestingly, 50% of the regulated targets have a CK2 consensus site. These preliminary experiments were followed-up by RNAi mediated inhibition of CK2 and revealed that 6 phosphoproteins (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 and mu2) were positively modulated after insulin stimulation and negatively regulated after CK2 RNAi treatment. Using in vitro kinase assay, we identified 29 direct CK2 targets, of which 15 were correlated with results from the CK2 RNAi experiment. We demonstrated specifically that the su(var)205 (S15) is regulated by insulin and is a direct CK2 target based on RNAi and kinase assays. Our phosphoproteomics data also highlighted the presence of isomeric phosphopeptides, several of which could be distinguished using FAIMS. We developed two algorithms to determine the occurrence of phosphoisomers in large scale studies. The first algorithm based on differences in retention times between isomers identified 64 candidates in mouse and rat phosphoproteome datasets corresponding to less than 1% of all identified phosphopeptides. We also identified 117 isomer candidates in drosophila using a targeted LC-MS/MS approach with inclusion lists. The second algorithm is based on the presence of characteristic fragment ions present in MS/MS spectra of co-eluting or partially resolved species and allowed the identification of 23 isomeric pairs. The ability to distinguish phosphoisomers in large-scale phosphoproteome datasets is of significance to correlate phosphorylation events taking place on specific residues with biological activities.