Au cours de la croissance des levures, la cellule doit dupliquer sont génome nucléaire et mitochondrial, le processus de réplication est bien moins étudié dans les mitochondries. Néanmoins, si de multiples ADN polymérases sont impliquées dans les processus de réplication et de réparation dans le noyau, il est considéré jusqu’à aujourd’hui qu’une seule ADN polymérase est impliquée dans ces processus dans la mitochondrie. Des résultats récents mettent en exergue le fait que la situation est bien plus compliquée qu’il n’y apparait au départ. Pour élucider le processus de réplication dans la mitochondrie de levure, j’ai focalisé mon intérêt à tenter de purifier et de caractériser le complexe de réplication. Ce travail était important à développer étant donné la découverte au laboratoire d’une seconde ADN polymérase supplémentaire à la polymérase gamma, dans les mitochondries de levure. Une première partie de ma thèse a été de m’investir afin d’obtenir suffisamment de protéines dans le but d’une identification par spectrométrie de masse, compte tenu de la faible proportion des ADN polymérases dans la cellule et en particulier dans la mitochondrie. Nous avons démontré que cette polymérase est codée par le gène unique POL1. Par des techniques d’ultracentrifugation et d’analyse biochimiques, j’ai réussi à isoler et caractériser un complexe de réplication mitochondrial. Des techniques d’exclusion chromatographiques ont permis d’attribuer une masse native à ce complexe. Sa composition a été étudiée grâce à des colonnes ioniques et hydrophobes, une autre méthode d’analyse repose sur l’utilisation de colonnes d’affinité afin de reconstituer in-vitro les interactions existant entre plusieurs protéines présumées impliquées. Ainsi, un réseau d’interactions impliquant les deux ADN polymérases mitochondriales avec cinq autres protéines a été reconstitué. La masse native de différentes formes stables de ce complexe se situent à 500 kDa ou au-delà de 1 MDa. / During yeast growth, cells must duplicate their nuclear and mitochondrial DNA. The replication process involved is less studied in mitochondria. Nevertheless, if multiple DNA polymerases are implicated in the nuclear replication and repair mechanisms, until now it is believed that only one DNA polymerase is involved in these processes in mitochondria. Recent results pointed out that the situation is more complicated than preliminary believed. To elucidate the replication process in yeast mitochondria I focused my interest in attempts to purify and characterize the replication complexes. This work was important to develop in accord with the discovery in the laboratory of a second DNA polymerase in addition to the polymerase gamma in yeast mitochondria. One first part of my thesis was to hardly purify enough of this enzyme to be allowed to identify it by mass spectrometry as the DNA polymerase alpha, encoded by the unique POL1 gene. By ultracentrifugation and biochemical techniques, I succeeded to purify the complex. Exclusion chromatographies were managed to elucidate the native mass of this complex. In addition ionic and hydrophobic chromatographic columns were carried out to determine its composition. Another way to study the complex was the reconstitution in vitro of the interactions happening with some usual suspect proteins with the help of chromatographic affinity columns. I reconstituted partly an interactions model network, including the two mitochondrial DNA polymerases and 5 others proteins implicated in replication. I determined the mass of different stable forms of the isolated complexes, around 500 kDa and over 1 MDa

Le coenzyme Q est une molécule lipophile rédox rencontrée chez les eucaryotes et chez la plupart des procaryotes. La structure de Q correspond à une benzoquinone substituée par une chaîne polyisoprényle dont la longueur varie selon les organismes. Q joue le rôle de transporteur d'électrons dans les chaînes respiratoires d'où provient la plupart de l'énergie de la cellule. La biosynthèse de Q chez la bactérie Escherichia coli comporte huit étapes et implique au moins neuf protéines (UbiA-UbiH et UbiX). Trois réactions d'hydroxylation sont nécessaires pour la biosynthèse de Q8 en conditions aérobies. Alors que les protéines UbiH et UbiF présentent des homologies de séquence avec des monooxygénases à flavine connues pour catalyser des réactions d'hydroxylation, UbiB qui a été proposée comme étant la troisième hydroxylase, présente uniquement une homologie de séquence avec des kinases. Nous rapportons dans ce travail que la protéine VisC, renommée UbiI, catalyse la réaction d'hydroxylation auparavant attribuée à UbiB. Nous avons également identifié deux nouvelles protéines (YigP et YqiC, renommées respectivement UbiJ et UbiK) importantes pour le métabolisme de Q chez Escherichia coli puisque leur mutation diminue fortement le contenu en Q des souches mutantes. Ces protéines interagissent avec la plupart des protéines connues pour participer à la biosynthèse de Q ce qui implique l'existence d'un complexe de biosynthèse de Q. En utilisant des approches biochimiques et protéomiques, nous avons pu mettre en évidence un complexe impliquant plusieurs protéines Ubi et notamment UbiJ et UbiK. Ces deux protéines semblent avoir un rôle dans l'assemblage et/ou la stabilisation de ce complexe multiprotéique. Enfin, nous nous sommes intéressés à la biosynthèse de Q dans des conditions de cultures anaérobies. Nos résultats montrent l'existence « d'hydroxylases anaérobies », inconnues à ce jour, qui remplaçent les hydroxylases aérobies UbiH, UbiI et UbiF. Grâce à une approche phylogénétique, nous identifions un gène important pour la biosynthèse de Q uniquement en conditions anaérobies suggérant une réorganisation de la biosynthèse de Q entre ces deux environnements fréquemment rencontrés par E. coli. L'ensemble de nos résultats a permis d'améliorer notre connaissance de la voie de biosynthèse procaryote de Q grâce à la découverte de nouveaux gènes impliqués dans ce processus et grâce à l'identification de la fonction moléculaire de certaines protéines. / Ubiquinone (Q) is a lipophilic compound that plays an important role in electron and proton transport in the respiratory chains of Escherichia coli. Besides this important role in energy production, Q also functions as a membrane soluble antioxidant. The biosynthesis of Q8 requires eight reactions and involves at least nine proteins (UbiA-UbiH and UbiX) in Escherichia coli. Three of these reactions are hydroxylations resulting in the introduction of a hydroxyl group on carbon atoms at position 1, 5 and 6 of the aromatic ring. The C1 and C6 hydroxylation are well characterized whereas the C5 hydroxylation has been proposed to involve UbiB, a protein kinase without any sequence homology with monooxygenase. In this work, by genetic and biochemical methods we provide evidence that VisC which we renamed UbiI, displays sequence homology with monooxygenases and catalyzes the C5 hydroxylation, not UbiB. We have identified two new genes, yqiC and yigP (renammed UbiJ and UbiK) which are required only for Q8 biosynthesis in aerobic conditions. The exact role of the corresponding proteins, renamed UbiJ and UbiK, remains unknown. These proteins are able to interact with other Ubi proteins to be able to produce Q supporting the protein complex hypothesis. Our progress on the characterization of an Ubi-complex regrouping several Ubi proteins suggest that UbiJ and UbiK may fulfill functions related to the Ubi-complex stability. Mutants affected in hydroxylation steps are deficient for Q8 in aerobic conditions but recover a wild type Q8 content when grown in anaerobic conditions. This intriguing observation supports the existence of an alternative hydroxylation system independent from dioxygen which has not been characterized so far. By phylogenetic studies, we have identified a new gene in which the deletion affect the biosynthesis of Q only in anaerobic conditions suggesting a reorganization of Q biosynthesis in these two conditions. Our results has improved our knowledge of the prokaryotic Q biosynthetic pathway through the discovery of new genes involved in this process and through the identification of the molecular function of some proteins.

Les complexes multi-protéiques jouent un rôle crucial dans les cellules vivantes en catalysant et servant d'intermédiaires entre pratiquement toutes les activités cellulaires essentielles. Cependant, un grand nombre de ces machines se trouvent en très faibles quantités dans les cellules en particulier en ce qui concernent les complexes eucaryotes. Ceci est réfractaire à leur extraction à grande échelle et empêche sévèrement l'élucidation de leur structure et fonction. Dans le but de rendre les complexes multi protéiques accessibles par la voie de production recombinante, le groupe Berger a mis au point un ensemble de systèmes d'expression sur mesure pour la surproduction de complexes multi protéiques dans différents organismes hôtes incluant E. coli, les cellules d'insectes et les cellules de mammifères. Ces systèmes et en particulier le système MultiBac baculovirus/cellules d'insecte ont d'ors et déjà grandement contribués à l'étude de l'assemblage structural et fonctionnel à l'échelle moléculaire et atomique de nombreux complexes multi protéiques importants. Cela inclut en particulier le facteur général humain de transcription TFIID, un complexe de ~1.5 MDa qui constitue le sujet de recherche du laboratoire Berger. Mes contributions dans le développement de la technologie pour la production et dans l'élucidation des complexes TFIID humains sont discutées en détails dans cette thèse. / Multiprotein complexes play a crucial role in living cells by catalyzing and mediating virtually all essential cellular activities. However, many of these essential machines exist in very low endogenous amount in cells, in particular for eukaryotic complexes. This is refractory to large-scale extraction from native source material, severely impeding the elucidation of their structure and function. In order to make multiprotein complexes accessible by means of recombinant production, the Berger laboratory has developed an array of advanced expression systems tailor-made for overproducing multiprotein complexes in various host organisms including E. coli, insect cells and mammalian cells. Those systems, in particular the MultiBac baculovirus/insect cell system have already greatly contributed to studying the structural and functional assemblies of numerous important multiprotein complexes in molecular and atomic detail. Notably, this includes also the human general transcription factor TFIID, a ~1.5 MDa complex, which is the research focus of the Berger laboratory. My contributions to the expression technology development and to the structural elucidation of human TFIID complexes are discussed in details in this thesis.

Chez Bacillus subtilis nous avons identifié un complexe protéique membranaire impliquant une protéine inconnue, YteJ, et une autre protéine membranaire, SppA, une signal peptide peptidase également impliquée dans la résistance aux peptides antibactériens de la famille des lantibiotiques. Après délétion des gènes correspondant, nous avons montré que les deux protéines sont impliquées dans cette résistance. Dans la souche ΔsppA, la surexpression ectopique de SppA a non seulement restauré la résistance, mais elle a également induit la formation de cellules allongées, un phénotype supprimé par la surexpression simultanée de YteJ. L'expression de versions tronquées de YteJ a mis en évidence le rôle inhibiteur d'un domaine spécifique de YteJ. Enfin, des études biochimiques in vitro ont confirmé que l'activité de la protéase SppA était fortement réduite par la présence de YteJ, confirmant l'hypothèse d'une inhibition par YteJ. Nos études in vivo et in vitro ont montré que YteJ, via l'un de ses domaines, agit comme régulateur négatif de l'activité protéase de SppA dans ce complexe. En conclusion, nous avons montré que le complexe SppA/YteJ est impliqué dans la résistance aux lantibiotiques à travers l’activité protéase de SppA, elle-même régulée par YteJ. / We have identified a membrane protein complex of Bacillus subtilis involving an unknown protein, YteJ, and SppA, a membrane protein first described as a signal peptide peptidase and later shown to be also involved in the resistance to antibacterial peptides of the lantibiotic family. Using deletion mutant strains, we showed that both proteins are involved in this resistance. In the ΔsppA strain, the ectopic overexpression of SppA not only restored the resistance, it also induced the formation of elongated cells, a phenotype suppressed by the simultaneous overexpression of YteJ. Furthermore, the expression of truncated versions of YteJ pinpointed the inhibitory role of a specific domain of YteJ. Finally, in vitro biochemical studies showed that SppA protease activity was strongly reduced by the presence of YteJ, supporting the hypothesis of an inhibition by YteJ. Our in vivo and in vitro studies showed that YteJ, via one of its domain, acts as a negative regulator of the protease activity of SppA in this complex. In conclusion, we have shown that SppA/YteJ complex is involved in lantibiotic resistance through the protease activity of SppA, which is regulated by YteJ.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de récepteurs à domaines transmembranaires et sont impliqués dans divers processus biologiques, ce qui en fait une cible privilégiée pour le développement de médicaments. Parmi les protéines qui régulent la signalisation des RCPG, les β-arrestines sont impliquées dans plusieurs fonctions canoniques telles que la désensibilisation, l'internalisation et le trafic des récepteurs. En outre, la β-arrestine accomplit aussi des fonctions non-canoniques en agissant comme un échafaudage pour des complexes de signalisation notamment pour la voie MAPK et ainsi favorise certaines voies de signalisation intracellulaire. La présente thèse visait à explorer des fonctions non-canoniques et de nouveaux mécanismes possibles de régulation de la β-arrestine induite par l'activation des RCPG. Le premier projet visait à mettre en évidence le mécanisme de trafic des protéines G de la membrane plasmique vers les endosomes et le rôle que joue la β-arrestine dans ce processus. Nous avons montré que la sous-unité Gαs se dissocie de la membrane plasmique indépendamment de la β-arrestine après l'activation des récepteurs, alors que le dimère Gβγ nécessite la présence de la β-arrestine. Nous avons également mis en évidence la formation d'un complexe composé du récepteur V2 de la vasopressine, de la β-arrestine et de l'hétérodimère Gβγ et que ce complexe est crucial pour la translocation des protéines G vers les endosomes. Cette étude met en évidence le rôle de la β-arrestine dans le trafic endosomal des protéines G et établit les bases pour expliquer sa contribution dans la médiation de la signalisation soutenue des protéines G dans les endosomes. Le second projet avait pour objectif d'explorer le rôle de l'ubiquitination du récepteur du glucagon (GCGR) sur sa signalisation et les fonctions de la β-arrestine. Nous avons montré que l'état d'ubiquitination de ce récepteur cause un biais de signalisation, car le GCGR déubiquitiné présente une diminution du couplage et de l'activité des protéines G alors que la liaison à la β-arrestine est augmentée. Ceci contribue à l’activation de la voie de signalisation MAPK p38 de manière dépendante de la β-arrestine 1. Nous avons également montré que le biais en faveur de la β-arrestine ne réduit pas la sécrétion d'insuline médiée par le GCGR dans les cellules β pancréatiques. Cette étude suggère que la sécrétion d’insuline dépendante du GCGR implique à la fois une signalisation dépendante des protéines G, mais aussi de la β-arrestine. Le statut d'ubiquitination du GCGR oriente la signalisation du récepteur par différents effecteurs pour réguler la sécrétion d'insuline et l'homéostasie du glucose. Le troisième projet visait à identifier de nouveaux interacteurs des β-arrestines 1/2 et à caractériser le rôle de ces interactions dans le contexte de la signalisation des RCPG. Nous avons identifié plus de 100 nouveaux interacteurs potentiels des β-arrestines 1/2 en utilisant l'approche protéomique BioID. Nous avons confirmé l'interaction de l'enzyme atypique de conjugaison de l'ubiquitine UBE2O avec les β-arrestines. Nous avons également montré que UBE2O module le trafic des β-arrestines entre la membrane plasmique et les endosomes. Cette étude ouvre de nouvelles voies pour explorer des fonctions potentielles des β-arrestines médiées par leurs liaisons à des interacteurs jusqu'alors non identifiés. Les résultats compilés dans cette thèse permettent de dresser un tableau plus étendu des mécanismes régulant les fonctions de la β-arrestine ainsi que de nouveaux rôles potentiels que cette protéine joue dans la signalisation des RCPG. La caractérisation des fonctions non-canoniques et des mécanismes de régulation de la β-arrestine est une avenue prometteuse qui pourrait mener au développement de thérapies ciblant les RCPG. / G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest family of transmembrane receptors and are involved in various biological processes, making them an interesting target for drug discovery. GPCR signaling is regulated by various proteins, including the β-arrestin family that mediate various canonical functions such as receptor desensitization, internalization, and trafficking. β-arrestin also fulfills certain non-canonical roles and has been shown to trigger intracellular signaling by acting as a scaffold for signaling complexes such as for the MAPK pathway. The present thesis aimed to explore non-canonical functions and possible novel mechanism of regulation of β-arrestin following GPCR activation. The objective of the first project was to uncover G protein trafficking mechanism from the plasma membrane to the endosomes and the role that β-arrestin plays in this process. We showed that the Gαs subunit dissociates from the plasma membrane independently of β-arrestin after receptor activation while the Gβγ dimer requires β-arrestin for its trafficking. We also revealed the formation of a complex composed of the vasopressin V2 receptor, β-arrestin, and the Gβγ heterodimer and that this complex is critical for G protein translocation to the endosomes. This study highlights the role of β-arrestin in Gβγ trafficking and lays the basis for explaining the role of β-arrestin in mediating sustained endosomal G protein signaling. The aim of the second project was to explore the role of the glucagon receptor (GCGR) ubiquitination on signaling and β-arrestin functions. We showed that the ubiquitination state of the receptor controls signaling bias as a deubiquitinated GCGR exhibits decreased G protein coupling and activity while β-arrestin binding is enhanced. Deubiquitinated GCGR signaling is also redirected to a β-arrestin 1-dependent p38 MAPK pathway. We also revealed that this β-arrestin bias does not reduce GCGR-mediated insulin secretion in pancreatic β-cells. This study suggests that GCGR-dependent insulin secretion involves both G-protein and β-arrestin-dependent signaling. The ubiquitination status of GCGR directs signaling through different effectors to regulate insulin secretion and glucose homeostasis. The third project aimed to identify novel interactors of β-arrestin 1/2 and characterize the role of these interactions in the context of GPCR signaling. We identified over 100 new β-arrestin 1/2 potential interactions using the BioID proteomic approach. We confirmed the interaction of the atypical ubiquitin conjugating enzyme UBE2O with β-arrestin by co-immunoprecipitation and by BRET. We also showed that UBE2O modulates β-arrestin trafficking between the plasma membrane and early endosomes. The results of this study open new avenues to explore novel functions and regulation mechanisms of β-arrestin mediated by their interactions with previously unidentified interactors. The findings compiled in this thesis shed light on a broader picture of the mechanisms regulating β-arrestin functions, as well as the potential novel roles this protein plays in GPCR signaling. The characterization of non-canonical functions and regulatory mechanisms of β-arrestin is an exciting avenue that could be important in the development of future therapies targeting GPCRs.