Le réseau de protéines chaperons est hautement conservé dans l'ensemble du vivant. Il régule l'homéostasie des protéines au sein de la cellule en condition de croissance normale ainsi qu'en réponse à des stress environnementaux. Les chaperons membres de la famille HSP70 (Heat Shock Protein 70 kDa), famille particulièrement conservée, agissent tout au long de la biogénèse des protéines et orchestrent une pléthore de processus cellulaires liés au repliement et/ou au remodelage de protéines. Le cycle ATP-dépendant du chaperon HSP70 repose sur une étroite collaboration avec ses partenaires co-chaperons. Parmi ces co-chaperons, on distingue les membres de la famille DnaJ/HSP40 qui transfèrent les substrats vers HSP70 et stimulent son activité ATPasique, et les facteurs d'échange de nucléotides qui assurent la réinitialisation du cycle d'HSP70 permettant ainsi la libération du substrat. Au sein de la bactérie E. coli, la protéine HSP70 est appelée DnaK. Elle agit de concert avec les deux co-chaperons DnaJ et GrpE (ensemble nommés DnaKJE) afin d'assister les protéines dans leur repliement au cours de la synthèse de novo, de désagréger des protéines mal repliées, de faciliter l'adressage et le passage de protéines à travers les membranes biologiques, et de remodeler certains complexes protéiques impliqués dans des processus cellulaires variés. DnaKJE coopère efficacement avec d'autres systèmes chaperons majeurs, tels que la protéine Trigger Factor (TF) associée aux ribosomes et le complexe chaperonine GroESL, notamment pour le repliement de protéines nouvellement synthétisées dans le cytosol. De plus, une des fonctions cellulaires majeure du système DnaKJE est son implication dans la réponse au stress thermique (Heat Shock Response - HSR). DnaKJE contrôle la HSR en interagissant directement avec le facteur de transcription s32, sous-unité de l'ARN polymérase. Cette interaction facilite la dégradation de s32 par la protéase FtsH. En condition de stress, l'accumulation de protéines mal repliées au sein de la cellule entraine le recrutement de DnaKJE et par conséquent, la stabilisation de s32. Suite à cette stabilisation, une induction de la transcription de plus d'une centaine de gènes codant entre autres, pour des protéines chaperons et des protéases se met en place dans la cellule pour lutter contre le stress environnant. De ce fait, DnaK et ses co-chaperons sont considérés comme des éléments clés de la réponse cellulaire contre le collapse de l'homéostasie protéique par action directe sur des protéines mal repliées et indirecte en modulant la synthèse de nombreuses HSPs, via s32. L'étude récente de l'intéractome de DnaK révèle qu'au moins 50% des enzymes impliquées au sein du métabolisme central (MC) de la cellule interagissent avec DnaK à température physiologique. A travers l'analyse d'une banque de suppresseurs multi-copie, nous avons identifié six gènes associés au MC : ackA, ldhA, lpd, pykF, talB et csrC qui lorsqu'ils sont surexprimés, permettent de restaurer partiellement le défaut de croissance d'une souche mutante n'exprimant pas les chaperons DnaK et Trigger Factor (deltatig deltadnaKJ). Remarquablement, la surexpression d'ackA, talB et csrC supprime également le défaut de croissance d'un mutant dnaK à haute température, ce qui suggère une implication importante de DnaK au niveau du MC. Dans ce projet, l'implication de DnaK dans le fonctionnement du métabolisme carboné a été établi par une analyse métabolique combinant analyses macro-cinétiques (suivi de croissance, analyse de la consommation des substrats et de la production de produits du métabolisme) sur différentes sources de carbones seules ou en mélange et analyses micro-cinétiques (flux métaboliques par marquage 13C). Finalement, ces travaux apportent différentes hypothèses quant au rôle de DnaK dans le contrôle du MC, directement ou indirectement via la régulation de la HSR, en réponse à une défaillance de l'homéostasie protéique ou d'une carence nutritionnelle. / Intricate networks of highly conserved molecular chaperone machines govern cellular protein homeostasis, both under lenient and more stressful growth conditions. Members of the highly conserved HSP70 family of molecular chaperones are key players in this process, acting at nearly every step in protein biogenesis. The ATP-dependent chaperone cycle of HSP70 chaperones relies upon the cooperation with a cohort of essential cochaperones, including DnaJ/HSP40 family members that recruit the chaperone to specific substrate and/or cellular localization and stimulate its ATPase activity, and nucleotide exchange factors, which insure proper resetting of the chaperone cycle and the resulting substrate release. In the bacterium Escherichia coli, the multifunctional HSP70 chaperone, named DnaK, acts in concert with its cochaperones DnaJ and GrpE (all together referred as DnaKJE) to efficiently, assist de novo protein folding, protein disaggregation, protein targeting and translocation through biological membranes, and protein complexes remodeling leading to multiple cellular activities. Remarkably, previous works also showed that DnaKJE can efficiently cooperate with other major cytosolic chaperones, including the ribosome-bound Trigger Factor (TF) and the chaperonin GroESL, especially during the folding of newly-synthesized cytosolic proteins. In addition, one of the key cellular functions of DnaKJE in E. coli is the regulation of the heat shock response (HSR). In this case, DnaKJE controls the HSR by interacting directly with the heat shock sigma factor s32 subunit of the RNA polymerase to facilitate it degradation by the FtsH protease. Under stress condition, DnaKJE is recruited to accumulating misfolded proteins, leading to an increased stability of s32 and the subsequent induction of more than hundred heat shock proteins. Therefore, DnaK, and its cochaperones are central components of the cellular response to proteostasis collapse, both by acting directly on misfolded proteins and by modulating the synthesis a plethora of heat shock chaperones and proteases. The recently described in vivo interactome of DnaK in E. coli revealed that at least 50% of the central metabolism enzymes interact with DnaK at physiological temperature. Remarkably, through a multicopy suppression analysis we have now identified six genes of the central metabolism (CM), namely ackA, ldhA, lpd, pykF, talB and csrC, which when overexpressed partially suppress the growth defect of the sensitive double mutant lacking DnaK and Trigger Factor (deltatig deltadnaKJ ), with half of them, namely ackA, talB and csrC, additionally suppressing the growth defect of the single ?dnaKJ mutation at high temperature, thus strongly suggesting a major role of DnaK in this process. Using a combination of growth assays on specific carbon sources entering the CM at various metabolic nodes with NMR analyses for characterizing the carbon source assimilation, identifying and quantifying the metabolism by-products and determining metabolic flux rearrangements, we show that DnaKJE impacts the responsiveness of the central metabolism by acting either directly at the level of the CM or along the first step of substrate assimilation. How does the multifunctional DnaK chaperone modulate the CM, either directly or indirectly via the control of the HSR, in response to proteostasis failure or nutrient starvation is discussed.

The fundamental principles governing the natural phenomena of life is one of the critical issues receiving due importance in recent years. Most complex real-world systems are found to have a similar networking model that manages their behavioral pattern. Recent scientific discoveries have furnished evidence that most real world networks follow a scale-free architecture. A number of research efforts are in progress to facilitate the learning of valuable information by recognizing the underlying reality in the vast amount of genomic data that is becoming available. A key feature of scale-free architecture is the vitality of the highly connected nodes (hubs). This project focuses on the multi-cellular organism <i>Drosophila melanogaster</i>, an established model system for human biology. The major objective is to analyze the protein-protein interaction and the metabolic network of the organism to consider the architectural patterns and the consequence of removal of hubs on the topological parameters of the two interaction networks. <p> Analysis shows that both interaction networks pursue a scale-free model establishing the fact that real networks from varied situations conform to the small world pattern. Similarly, the topology of the two networks suffers drastic variations on the removal of the hubs. It is found that the topological parameters of average path length and diameter show a two-fold and three-fold increase on the deletion of hubs for the protein-protein interaction and metabolic interaction network, respectively. The arbitrary exclusion of the nodes does not show any remarkable disparity in the topological parameters of the two networks. This aberrant behavior for the two cases underscores the significance of the most linked nodes to the natural topology of the networks.

The fundamental principles governing the natural phenomena of life is one of the critical issues receiving due importance in recent years. Most complex real-world systems are found to have a similar networking model that manages their behavioral pattern. Recent scientific discoveries have furnished evidence that most real world networks follow a scale-free architecture. A number of research efforts are in progress to facilitate the learning of valuable information by recognizing the underlying reality in the vast amount of genomic data that is becoming available. A key feature of scale-free architecture is the vitality of the highly connected nodes (hubs). This project focuses on the multi-cellular organism <i>Drosophila melanogaster</i>, an established model system for human biology. The major objective is to analyze the protein-protein interaction and the metabolic network of the organism to consider the architectural patterns and the consequence of removal of hubs on the topological parameters of the two interaction networks. <p> Analysis shows that both interaction networks pursue a scale-free model establishing the fact that real networks from varied situations conform to the small world pattern. Similarly, the topology of the two networks suffers drastic variations on the removal of the hubs. It is found that the topological parameters of average path length and diameter show a two-fold and three-fold increase on the deletion of hubs for the protein-protein interaction and metabolic interaction network, respectively. The arbitrary exclusion of the nodes does not show any remarkable disparity in the topological parameters of the two networks. This aberrant behavior for the two cases underscores the significance of the most linked nodes to the natural topology of the networks.

Les bactéries ont réussi à coloniser toutes les niches écologiques de la planète. Le passage d’un environnement à un autre s’accompagne de la fluctuation de nombreux paramètres environnementaux aboutissant à un stress cellulaire. Directement en contact avec le milieu environnant, l’enveloppe bactérienne est la première barrière contre ces stress extracellulaires. Toute rupture de son intégrité aura des conséquences délétères pour la cellule. Parmi les mécanismes permettant aux bactéries de détecter les changements de conditions environnementales, il existe des systèmes spécifiques appelés ESR (Envelope Stress Response). Ces systèmes maintiennent l’intégrité membranaire en réparant les dommages de l’enveloppe. Ce travail de thèse s’inscrit dans l’étude des mécanismes intrinsèques de résistance chez les bactéries, par la caractérisation d’un nouvel ESR d’E. coli : le système ZraPSR (Zinc Resistance Associated Protein Sensor Regulator). ZraPSR est un système à deux composants, composé d’un senseur ZraS, d’un régulateur transcriptionnel ZraR et d’une protéine périplasmique accessoire ZraP. La cascade ZraS-R est activée par des concentrations élevées en Zn et Pb. Ce travail a montré que ZraP établit un rétrocontrôle négatif sur la cascade de signalisation ZraSR par un mécanisme nécessitant sa métallation. Malgré une induction en présence de métaux, nous avons montré que le système ZraPSR ne possède aucun rôle dans l’homéostasie métallique. A contrario, en réponse à des signaux de stress, ZraSR va contribuer à la résistance intrinsèque à certains antimicrobiens. De plus, l’étude du régulon de ZraR a permis de commencer à entrevoir les mécanismes sous-jacents de réponse aux stress antimicrobiens médiée par ZraPSR. Cette réponse intègre des signaux de l’état physiologique de la cellule par l’intermédiaire de régulateurs globaux du métabolisme aboutissant à une réponse optimale. Le système ZraPSR semble donc être un nouveau mécanisme de résistance-croisée aux stress environnementaux. / Bacteria succeed in colonizing all the ecological niches on earth. Transition from one environment to another comes along with the fluctuation in numerous environmental parameters wich induce cellular stress. Directly in contact with the surrounding environment, the bacterial envelope is the first barrier against these extracellular stresses. Any break of its integrity will have deleterious consequences for the cell. Among mechanisms allowing bacteria to detect environmental changes, specific systems called ESR (Envelope Stress Response) have been studied. Such systems maintain membrane integrity by repairing envelope damages. This work takes part in the study of the intrinsic mechanisms of antimicrobial resistance in bacteria, by the characterization of a new ESR of E. coli: the ZraSR (Zinc Resistance Associated Protein Sensor Regulator) system. ZraPSR is a two-component system consisting of a ZraS sensor, a ZraR transcriptional regulator and a ZraP accessory periplasmic protein. The ZraS-R cascade is activated by high concentrations of Zn and Pb. In this study, we showed that ZraP establishes a negative feedback on the ZraSR pathway by a mechanism requiring its metallation. Despite the observed induction in the presence of metals, we showed that the ZraPSR system is not required for metal homeostasis. Whereas, in response to stress signals, ZraSR contribute to intrinsic resistance to certain antimicrobials. Futhermore, the study of the ZraR regulon allowed us to begin glimpsing the underlying mechanisms of antimicrobial stress response mediated by ZraPSR. This response incorporates signals from the physiological state of the cell through global regulators of the metabolism leading to an optimal response. The ZraPSR system seems to be a new cross-resistance mechanism to environmental stresses.