Les anticorps sont des molécules de reconnaissance du non-soi permettant de distinguer spécifiquement des marqueurs antigéniques appelés épitopes. Deux types d’anticorps ont été découverts jusqu’à présents : les anticorps « classiques » et les anticorps de camélidés, également appelés nanobody. Cette thèse porte sur des études structurales de fragments d’anticorps d’intérêt thérapeutique et biotechnologique. Au cours d’un premier volet, j’ai résolu la structure par cristallographie aux rayons X du fragment d’un anticorps d’intérêt thérapeutique, MIC12, à une résolution de 1,5 Å. Dans le but de résoudre la structure des complexes de MIC12 avec des protéines homologues du CMH de classe I, j’ai obtenu des cristaux diffractant à une résolution allant jusqu’à 7 Å. En parallèle, des analyses par diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS) combinées à des prédictions d’interaction par docking ont été conduites afin d’obtenir une première description de la région globale d’interaction de MIC12 sur l’une de ses cibles. Concernant le second volet, 4 nanobody ont été obtenus contre la protéine périplasmique PorM (pPorM) du système de sécrétion de type 9 de Porphyromonas gingivalis. J’ai résolu la structure par cristallographie du nanobody nb02, à une résolution de 1,5 Å. Leur utilisation comme chaperonne de cristallisation m’a permis de résoudre la structure de la partie N-terminale de pPorM. J’ai également mené une étude par SAXS de la protéine pPorM entière. L’ensemble des résultats que j’ai obtenu par cristallographie et par SAXS, combinés aux résolutions des structures des autres domaines de pPorM, ont permis de proposer un modèle structural de la protéine pPorM entière. / Antibodies are non-self recognition molecules wich help to specifically distinguish antigenic markers called epitopes. Two types of antibody were discovered so far: “classic” antibodies and camelid antibodies, also called nanobodies. This PhD deals with structural studies of antibodies fragments of therapeutic and biotechnological interest. During the first part, I solved the structure of the therapeutic antibody targeting homologous proteins of the MHC class I, MIC12, using X-ray crystallography at a resolution of 1.5 Å. In order to solve the structure of the complexes of MIC12 with its MIC antigens, I obtained crystals of the complexes diffracting at a resolution of up to 7 Å. In parallel, analyses by Small Angles X-ray Scattering (SAXS) combined with in silico docking predictions were led to obtain a first description of the global binding region of MIC12 on one of its targets. Concerning the second part, 4 nanobodies were obtained against the periplasmic protein PorM (pPorM) of the secretion system type 9 from Porphyromonas gingivalis. I solve the structure of the nanobody nb02, at a resolution of 1.5 Å. Their use as chaperones of crystallization helped me to solve the structure of the N-terminal part of pPorM. I also conducted a study by SAXS of the whole pPorM protein. All these results, obtained by crystallography and SAXS studies, combined with the solving of the structures of the other domains of pPorM, made it possible to propose a structural model of the entire pPorM protein.

Le recyclage des ARN débute par un étape de déadenylation ou la queue poly (A) est enzymatiquement clivée. La deadenylation est l’étape limitante dans le processus de dégradation des ARN. In vivo la deadenylation s’effectue successivement par les complexes multi-protéiques Pan2-Pan3 et Ccr4-Not. Le complexe Ccr4-not est conservé chez les eucaryotes et considéré comme le complexe prédominant responsable de l’activité de déadenylation dans la cellule. Le complexe est compose de neuf protéines organisées autour de la protéine d’échafaudage Not1. Le complexe comprend quatre modules distincts ; le module de déadenylation, la module Caf40, le module N-terminal et le module C-terminal. Mon mémoire de thèse regroupe les études structurales qui ont contribuées à caractériser les structures des différents modules à la fois chez la levure et chez l’humain / MRNA turnover begins with deadenylation where in the poly(A) tail at the 3’ end of the mRNA is removed. Deadenylation is the rate-limiting step of the decay pathway. In vivo, deadenylation is carried out by two major macromolecular complexes, the Pan2-Pan3 complex and the Ccr4-Not complex. The Ccr4-Not complex is a multi-protein complex that is evolutionarily conserved in all eukaryotes and is considered to be the major deadenylase complex in the cell. In S. cerevisiae, the Ccr4-Not complex is composed of nine subunits and is built around the scaffolding protein Not1. Structurally, the Ccr4-Not complex assembles into four separate modules with distinct domains of Not1 acting as a scaffold for individual modules. The four modules include the N-terminal module, the deadenylase module, the Caf40 module and the C-terminal module. With the exception of the C-terminal module, the architecture and biochemical role of all other modules of the yeast Ccr4-Not complex has been characterized. My doctoral thesis is focused on the elucidation of the architecture of the human of the yeast Ccr4-Not complex

Durant la réplication du chromosome bactérien, le désappariement du double brin d'ADN est réalisé par l'hélicase hexamérique DnaB. Chez Escherichia coli, le positionnement de l'hexamère de DnaB sur l'ADN simple brin dans le sens 5'-3'est permis par le facteur de chargement. La primase DnaG interagit ensuite avec l'hélicase pour former le primosome. Chez Helicobacter pylori, aucun facteur de chargement n'a été identifié, ce qui est également le cas pour la majorité des espèces bactériennes. De plus, DnaB d'H. pylori (HpDnaB) peut complémenter des souches mutantes d'E.coli DnaBts et DnaCts suggérant que HpDnaB peut jouer le rôle des deux protéines. Pour mieux comprendre le mode d'action de HpDnaB, nous avons résolu sa structure cristallographique à une résolution de 6.7 Å. Celle-ci révèle que la protéine s'assemble en dodécamère, formé par deux hexamères interagissant par leurs domaines N-terminaux (NTD). Nos expériences en diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) montrent que le dodécamère de HpDnaB adopte une conformation modifiée et dynamique en solution. Nous avons ensuite étudié la structure de HpDnaB après interaction avec HpDnaGHBD et/ou l'ADN simple brin par chromatographie d'exclusion stérique couplée à la diffusion de la lumière multi-angles (SEC-MALS) et par SAXS. Ces expériences suggèrent qu'après interaction avec HpDnaGHBD, le double hexamère est dissocié en simples hexamères formant un complexe avec HpDnaGHBD. De plus, HpDnaB forme des hexamères avec l'ADN simple brin en présence d'AMP-PNP. L'ensemble de nos résultats suggère que la formation du primosome d'H. pylori conduit à la dissociation du dodécamère en deux complexes HpDnaB6•HpDnaG3 / During bacterial chromosomal replication, unwinding of double stranded DNA is performed by the hexameric helicase DnaB. In Escherichia coli, the positioning of DnaB hexamers onto replication forks in the 5’to 3’ direction is dedicated by helicase loader. DnaB then interacts with the DnaG primase helicase binding domain (DnaGHBD) to form the primosome. Helicobacter pylori does not encode for a DnaC homologue, which is also the case of most bacterial species. Moreover, H. pylori DnaB (HpDnaB) could complement two temperature–sensitive mutants of E. coli dnaBts and dnaCts, suggesting that the HpDnaB was able to bypass DnaC in these cells. To gain insights into HpDnaB mode of activation, we have solved the crystal structure of HpDnaB at 6.7Å resolution. The structure reveals a novel dodecameric organisation where HpDnaB assembles as planar stack-twisted double hexamers via N-terminal domain (NTD)-rings interactions. Small angle X-ray scattering analysis (SAXS) demonstrates that HpDnaB adopts a modified and dynamic structure in solution but maintains dodecameric architecture. We have then investigated the structure of HpDnaB upon interaction with HpDnaGHBD and/or ssDNA using size exclusion chromatography coupled to multiangle light scattering and SAXS. These experiments show that upon interaction with HpDnaGHBD, HpDnaB double hexamer dissociates into single hexamers to form a complex with HpDnaGHBD. Moreover, we found that HpDnaB also forms hexamers in complex with ssDNA in the presence of AMP-PNP. Collectively, these data suggest that primosome assembly in H. pylori results in the dissociation of the double hexamer into two HpDnaB6•HpDnaG3 sister primosomes

La cristallographie aux rayons X permet la détermination des structures tridimensionnelles de macromolécules biologiques ainsi que de leurs complexes à haute résolution. Cependant, la cristallisation des protéines est un phénomène totalement aléatoire et peu de cristaux sont généralement produits, de plus leur qualité et résistance sont souvent insuffisantes. Ces travaux visent à présenter les différentes étapes pour résoudre des structures de protéines ainsi que deux développements innovants pour formuler des solutions de criblage pour la cristallisation (appelés Pi et MORPHEUS). / X-ray crystallography enables the structure determination of biological macromolecules, their complexes and assemblies to high-resolution. Nevertheless, protein crystallisation is a stochastic process and the yield of crystals is typically very poor. In addition, crystal properties are often deceiving. Herein, we introduce the basic principles of protein structure determination process and we will discuss two innovative developments of screen formulation (called Pi and MORPHEUS).

La lectine de Helix pomatia (HPA), extraite de la glande à albumine de l'escargot de Bourgogne et spécifique du résidu GalNAc, appartient à une nouvelle famille de lectine dite de type H. Elle est utilisée depuis plus de vingt ans comme marqueur d'adénocarcinomes (notamment du sein, du colon, du poumon) à fort pouvoir métastatique et donc faible pronostic vital. Son utilisation comme outil de routine en oncologie est, cependant, fortement limitée par son impossibilité à la produire sous forme recombinante. Afin de contourner ces difficultés, des protéines homologues ont été recherchées chez d'autres invertébrés. Deux lectines de type H ont été identifiées chez l'amibe Dictyostelium discoideum (discoidines) et une chez le corail Sinularia lochmodes (SLL-2). Les discoidines sont composées de deux domaines distincts, un domaine C-terminal, spécifique des résidus galactosylés et homologue à HPA et un domaine N-terminal, dit domaine discoidine, de fonction inconnue. Ces travaux de thèse portent, dans un premier temps, sur la poursuite de la caractérisation structurale de la discoidine 1 puis sur la production du domaine N-terminal de la discoidine 2 afin de confirmer la fonction lectine supposée. Dans un second temps, des expériences de microscopie confocale ont montrés que les discoidines ne possédaient pas la capacité d'HPA dans la discrimination des cellules métastatiques par rapport aux non métastatiques. La construction, par mutagenèse, d'une protéine chimérique entre la discoidine 2, très facilement produite dans E. coli, et HPA a alors été entreprise, le but étant de lui apporter la même spécificité qu'HPA. Enfin, la protéine SSL-2 a été clonée et de nombreux essais d'expression sous forme soluble et de purification ont été réalisés en vue de sa caractérisation biochimique et structurale pour sa possibilité d'utilisation comme marqueurs en histopathologie

Le mercure est présent dans l'environnement à cause de phénomènes naturels (volcans) ou des activités humaines (combustion de combustibles fossiles). Le mercure existe sous forme de mercure élémentaire (Hg0), ionique (HgII) ou organique tel le méthylmercure (MeHg). Ces diverses formes sont en flux constant les uns avec les autres dans le cycle biogéochimique naturel. De par leur grande hydrophobicité et leur capacité à pénétrer les membranes biologiques, les composés organomercuriels contituent la forme la plus toxique de mercure retrouvée dans l’environnement Des niveaux élevés de MeHg ont d’ailleurs été détectés dans la chaire de poissons de nombreuses régions du monde. Conséquemment, une consommation de produits de la mer contaminés représente un grave danger pour la santé humaine. Certaines bactéries isolées à partir d'environnements contaminés par le mercure ont évolué vers un système qui leur permet de convertir efficacement les composés mercuriels présents autant sous forme ionique qu’organique en un mercure élémentaire moins toxique. Cette résistance au mercure s’explique par l'acquisition d'un élément génétique connu sous le nom d’opéron mer. L’opéron mer code entre autre pour deux enzymes importants : la lyase organomercurielle MerB et la réductase mercurielle MerA. MerA catalyse la réduction du HgII conduisant à la formation du mercure élémentaire Hg0 qui est un composé volatile et moins toxique. MerB, quant à elle, catalyse la protonolyse de la liaison carbone-mercure de composés organomercuriels pour produire un composé réduit de carbone et du mercure ionique (HgII). Au vu des effets des organomercuriels et de la réduction de HgII, MerA et MerB sont considérés comme des enzymes clés pouvant servir à la biorestauration des cours d'eau contaminés par les organomercuriels. Une compréhension claire des détails mécanistiques de la façon dont MerA et MerB fonctionnent ensemble au niveau atomique est donc cruciale dans la mise en œuvre de biotechnologies implicant l’opéron mer dans les efforts de bioremédiation. Dans cette étude, nous avons utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN)et la cristallographie aux rayons X pour caractériser la structure et le mécanisme enzymatique de MerB de E. coli. Sur la base d’études structurales précédentes de MerB de E. coli, trois résidus (Cys96, Asp99 et Cys159) ont été identifiés comme constituant la triade catalytique nécessaire au clivage de la liaison carbone-Hg. En guise de suivi aux études antérieures, mon projet consiste d’abord à utiliser la cristallographie aux rayons X afin de définir les rôles de Cys96, Asp99 et Cys159 dans la liaison du substrat et dans le clivage. Deux approches ont été mises en œuvre pour atteindre cet objectif. Tout d'abord, les mutants MerB ont été testés pour définir le rôle des résidus catalytiques. Deuxièmement, les inhibiteurs de MerB et d'autres substrats non organicomercuriels potentiels ont été utilisés pour explorer le site actif de MerB. Une sérine se retrouve à la position de Asp99 dans quatre variants de MerB répertoriés chez les bactéries. Pour mieux comprendre le rôle de Asp99, nous avons comparé la sérine présente dans le variants MerB de Bacillus megaterium (MerB2) et introduit un variant D99S à la protéine MerB du type sauvage d’E. coli (MerB D99S). Nous avons pu constater que la forme purifiée de MerB D99S se caractérisait par une couleur rose après avoir visualisé sa structure cristalline aux rayons X, révélant la présence d'un métal lié au niveau de son site actif. Les analyses par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et par fluorescence des rayons X indiquèrent que MerB D99S se liait au cuivre au niveau du site actif. En outre, les analyses par résonance paramagnétique électronique (EPR) et des études de RMN ont identifié la forme CuII du cuivre. L'addition de substrats organomercuriels a pu déplacer le CuII entrainant ainsi une diminution de l’activité catalytique de MerB D99S. En revanche, MerB2 n'a pu être co-purifié avec le cuivre, bien que la structure aux rayons X du complexe MerB2-Hg soit pratiquement identique à la structure du complexe MerB D99S-Hg. Ceci suggère que le résidu Asp99 est essentiel au clivage des liaisons carbone-Hg de composés organiques du mercure et dirige la spécificité de la liaison au métal. De plus, la liaison cuivre-MerB D99S propose un lien possible entre l'évolution de MerB et son homologue structural, la protéine NosL. Dans la seconde approche, nous nous sommes intéressés au site actif de MerB en testant sa liaison à des composés organostanniques et à des composés organoplombiques avec un inhibiteur de MerB connu sous le nom de triéthylétain (TET) qui se lie au résidu Asp99 sans s’associer aux cystéines du site actif. Une liaison similaire a été observée avec un autre inhibiteur à savoir le triméthylplomb (TML). Quant au diméthylétain (DMT), il inhibe MerB à l'aide d'un mécanisme alternatif en se liant d'abord à Asp99 puis à Cys96 conduisant à un changement critique dans le site actif perturbant ainsi l’interaction π-cation entre Trp95 et Arg155. D’autres inhibiteurs comme le diéthylétain (DET) et le diéthylplomb (DEL) ont été caractérisés comme étant un substrat de MerB où les deux groupes éthyle ont été clivés pour donner les produits ioniques SnIV PbIV qui se lient au site actif de manière similaire à HgII. DMT, DET et DEL présentent une affinité pour la liaison à MerB supérieure à celle de son substrat initial MeHg. Ces résultats suggèrent que les composés organomercuriels ne sont pas les seuls substrats pour MerB et Asp99 est le premier résidu à se lier aux composés organométalliques suivis de la liaison à Cys96 et Cys159. Ces observations suggèrent un agrandissement de l’éventail d'applications possibles pour MerB dans la bioremédiation de certains sites contaminés par des composés organométalliques tels les organoplombiques et organostanniques. Mot-clé: Organomercuriallyase, Merb, organoplombiques. Organostanniques, protéine de liaison cuivre, carbone liaison métallique clivage, méthylmercure, Organomercuriels, biorestauration, résonance magnétique nucléaire, la cristallographie aux rayons X. / Mercury is introduced into the environment from either natural occurrences (volcanoes) or from human activities (combustion of fossil fuels). Mercury exists as elemental mercury (Hg0), ionic mercury (HgII) or organic mercury like methylmercury (MeHg) and these forms are in constant flux with each other as part of the natural biogeochemical cycle. Organomercurial compounds like MeHg are the most toxic form because of their hydrophobicity and their ability to efficiently permeate membranes and bioaccumulate in organisms. High levels of MeHg have been found in fish in many areas around the world, and therefore human consumption of contaminated seafood represents a serious danger for human health. Bacteria isolated from mercury-contaminated environments have evolved a system that allows them to efficiently convert both ionic and organic mercury compounds to the less toxic elemental mercury. The mercury resistance is due to the acquisition of a transferable genetic element known as the mer operon. The mer operon encodes for several proteins including two enzymes, the organomercurial lyase MerB and the mercuric ion reductase MerA. MerB catalyzes the protonolysis of the carbon-mercury bond of organomercurial compounds to produce a reduced-carbon compound and inorganic ionic mercury HgII. MerA catalyzes the reduction of HgII to elemental mercury Hg0, which is volatile and less toxic. Due to their ability to cleave MeHg and reduce the resulting HgII product, MerB and MerA are considered crucial to bioremediation efforts to clean up MeHg from contaminated waterways. A clear understanding of the mechanistic details of how MerB and MerA function together at the atomic level is crucial for appropriate utilization of the mer system in bioremediation efforts. We have been using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray crystallography to structurally and mechanistically characterize E. coli MerB. Based on previous structural studies of E. coli MerB, three residues (Cys96, Asp99 and Cys159) have been identified as a catalytic triad which is required for carbon-Hg bond cleavage. As a follow up to the earlier studies, my project involves using X-ray crystallography to define the roles of Cys96, Asp99 and Cys159 in substrate binding and cleavage. Two different approaches were implemented to fulfill this goal. Firstly, MerB mutants were tested to define the role for the catalytic residues. Secondly, MerB inhibitors and other potential non-organomercurial substrates were used to probe MerB active site. The Cys,-Asp-Cys catalytic triad found in E.coli MerB is conserved in all MerB variants except four variants where aspartic acid is replaced by a serine. To understand the role of Asp99, we compared a serine-containing MerB variant (Bacillus megaterium MerB2) and an E. coli MerB mutant (MerB D99S) to wild type E. coli MerB. Interestingly, the purified MerB D99S protein was found to contain a pink color. X-ray crystal structure indicated the presence of a bound metal in the active site of MerB D99S. Analysis by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and X-ray fluorescence indicated that MerB D99S binds copper in the active site. Further, electron paramagnetic resonance (EPR) and NMR studies identified the copper as CuII. Addition of organomercurial substrate displaces bound CuII but MerB D99S shows diminished catalytic activity. In contrast, MerB2 did not co-purify with copper although the X-ray structure of MerB2-Hg complex is virtually identical to the structure of the MerB D99S-Hg. This suggests that the aspartic acid residue is crucial for the cleavage of carbon-Hg bonds of organomercurials as well as metal-binding specificity. Furthermore, the binding of copper to the MerB D99S protein suggests a possible evolutionary link between MerB and its structural homolog, the copper-binding protein NosL. In the second approach, we probed the active site of MerB through testing its binding to organotin and organolead compounds. The known MerB inhibitor triethyltin (TET) binds to Asp99 without binding to any of the active site cysteines. A similar binding has been observed with trimethylead (TML). Dimethyltin (DMT) inhibits MerB using an alternative mechanism. It first binds to Asp99 then Cys96, which induces a dramatic change in the active site by disrupting a cation-π interaction between Try95 and Arg155. In contrast, diethyltin (DET) and diethylead (DEL) were found to be substrates for MerB, where both ethyl groups were cleaved and the SnIV and PbIV products bound to the active site in a similar manner to HgII. DMT, DET and DEL show higher binding affinity to MerB than its initial substrate MeHg. These results suggest that organomercurials may not be the only substrates for MerB and Asp99 is the first residue to bind to organometals followed by subsequent binding to Cys96 and Cys159. In addition, these observations suggest that there are other possible applications for employing MerB in bioremediation of organolead and organotin contaminated sites while other organometals may have implications when using MerB in bioremediation systems. Keyword: Organomercuriallyase, MerB, Organolead. Organotin, Copper binding protein, Carbon metal bond cleavage, Methylmercury, Organomercuriels, Bioremédiation, Nuclear magnetic resonance, X ray crystallography.

Les protéines fluorescentes photocommutables (RSFPs) ont la propriété de passer d’un état fluorescent à un état non-fluorescent en réponse à la lumière. Cette propriété en fait des outils de marquage pour la microscopie de super-résolution (ou nanoscopie). Le mécanisme de photocommutation implique l’isomérisation du chromophore ainsi qu’un changement d’état de protonation de ce dernier. Le mécanisme a été très étudié par différentes approches de spectroscopie et de simulation mais reste encore mal compris, l’ordre séquentiel des évènements est notamment encore débattu. Certains de ces évènements de la photocommutation se déroulent à des échelles de temps très courtes, ce qui rend difficile l’étude structurale par cristallographie des rayons X à l’aide des sources synchrotron actuelles dont la résolution temporelle est encore limitée. Les lasers à électrons libres (XFELs) sont une nouvelle source de rayons X produisant des impulsions suffisamment courtes pour permettre l’étude structurale des intermédiaires précoces ou à courte durée de vie qui se forment ou cours de la photocommutation, et suffisamment brillantes pour permettre la collecte de données cristallographiques sur des cristaux de tailles nano- et micrométrique. L’utilisation de ce nouveau genre d’instrument a permis l’émergence de la cristallographie sérielle, une nouvelle approche de la cristallographie des rayons X. Cette approche a depuis été adaptée aux lignes synchrotrons.Le travail présenté ici se focalise sur l’étude de rsEGFP2, une protéine fluorescente photocommutable de la famille de la GFP. Il y est décrit la mise au point d’un protocole de microcristallisation permettant l’obtention d’échantillons en vue d’une expérience de cristallographie résolue en temps au XFEL. Un mécanisme de photocommutation y est proposé à travers le résultat de deux expériences sur les deux XFELs actuellement opérationnels, à des échelles de temps différentes, dévoilant un chromophore « twisté » à l’état excité ainsi qu’un état cis protoné de ce dernier. La caractérisation structurale des variants de rsEGFP2 par cristallographie d’oscillation « classique » combinée à la découverte fortuite d’une conformation alternée du chromophore dans l’état non-fluorescent, issue d’expérience de cristallographie sérielle, apporte un complément d’explication des propriétés photophysiques de la protéine. / Reversibly switchable fluorescent proteins (RSFPs) are able to reversibly toggle between a fluorescent on-state and a non-fluorescent off-state under visible light irradiation. This property makes them a suitable marker used in super-resolution microscopy (or nanoscopy). The photo-switching mechanism involves isomerisation of the chromophore and a change of its protonation state. This mechanism has been well studied but remains poorly understood. The structural nature and the sequential order of atomistic events are still under debate. Some of them take place on the ultra-fast time scale and make structural investigation by X-ray crystallography impossible using current synchrotron radiation sources whose temporal resolution they offer is limited. X-ray free electron lasers (XFELs) are a new kind of X-ray source producing femtosecond pulses that allow structural investigation of ultra-fast intermediates during photoswitching. They are also so bright that crystallographic data collection from micro- and nanometer-sized crystals became possible. The bright and short XFEL pulses required a new methodology to be developed, the so-called serial crystallography methodology. This method is now being adapted to synchrotron radiation facilities.Here is presented a time-resolved crystallography study of the reversibly switchable green fluorescent protein 2 (rsEGFP2). A microcrystallization protocol is described allowing the preparation of suitable samples in large amounts for time-resolved serial crystallography experiments. A photoswitching mechanism of rsEGFP2 is proposed based on crystallographic results obtained from data collected at the two XFEL facilities currently fully operational, i.e. the LCLS in the USA and SACLA in Japan. In particular, the structure of two photoswitching intermediates have been determined, one featuring a twisted chromophore in the excited state and the other displaying a protonated cis isomer of the chromophore in the ground state. The structural characterization of rsEGFP2 variants by traditional oscillation crystallography combined with the serendipitous discovery of an alternate chromophore conformation in the off-state during an XFEL experiment provided unique insight into the photophysical behavior of the protein.

La détoxication est un processus biochimique présent chez tous les organismes biologiques et qui leur permet d’assurer leur survie face aux xénobiotiques provenant de leur environnement. Les glutathion transférases (GST) représentent une large famille d’enzymes participant à la phase II de détoxication en conjuguant le glutathion au composé à éliminer. Par ailleurs, certaines GST ont un rôle non catalytique et assurent la séquestration ou le transport de molécules d’un compartiment cellulaire à un autre. Alors que l’activité catalytique des GST est étudiée depuis plusieurs décades, l’identification précise des molécules physiologiques ciblées par les GST reste un défi. Chez les organismes fongiques dégradeurs de bois, certaines classes de GST se sont multipliées au niveau génomique. Cette redondance serait le reflet de la diversité des molécules chimiques libérées lors de la dégradation du bois. Dans cette thèse, des approches biochimiques et structurales ont été employées pour caractériser onze isoformes de GST du basidiomycète Trametes versicolor. De plus, une approche utilisant des librairies de molécules a permis d’identifier une famille de ligands reconnus par ces GST : les polyphénols. Les modes d’interaction de ces ligands ont été décrits précisément à partir de la résolution de nombreuses structures cristallographiques. L’identification d’un flavonoïde à partir d’un extrait de bois de merisier (Prunus avium), arbre sur lequel croît T. versicolor, a été permise par une approche de cristallographie d’affinité. Ces données suggèrent que les GST d’organismes fongiques saprotrophes pourraient prendre en charge les polyphénols libérés lors de la décomposition du bois / The ubiquitous biochemical process that enables each organism to cope with xenobiotics from its environment and thus ensures its survival is called detoxification. Glutathione transferases (GSTs) form a large family of enzymes divided into several classes. These enzymes participate in the detoxification phase II by conjugating the tripeptide glutathione to the molecule to be eliminated. Moreover, some GSTs are involved in non-catalytic processes such as sequestration or transport of molecules from one cellular compartment to another. Studies dedicated to the catalytic activity of GSTs have been ongoing for decades, yet precise identification of molecules targeted by GSTs remains challenging. In wood-decaying organisms, some of the GST classes have expanded with an increase of the number of isoforms encoded at the genomic level. This redundancy would reflect the diversity of the small molecules released upon wood enzymatic degradation. Through this thesis work, biochemical and structural approaches were used in order to characterize eleven GST isoforms from the saprotrophic fungus Trametes versicolor. In addition, the use of libraries of molecules helped in identifying polyphenols as a family of ligands that bind these GSTs. The molecular interaction modes were described precisely based on the resolution of numerous crystal structures. The identification of a flavonoid from an extract of the wild-cherry tree (Prunus avium) on which T. versicolor grows, was enabled by using an affinity crystallography approach. These data suggest that fungal GSTs could interact with plant polyphenols released during wood degradation

Les hélicases à ARN de la famille DEAH/RHA sont impliquées dans la plupart des processus essentiels à la vie tels que l'épissage, la biogenèse des ribosomes, la réplication, la transcription ou encore la détection d’ARN viraux. Ces enzymes sont capables de catalyser la dissociation de duplexes d'ARN, la réorganisation de structures secondaires ou de remodeler des complexes ARN-protéines. L'hélicase DEAH/RHA Prp43 présente la particularité d'être bifonctionnelle. Prp43 est impliquée dans l'épissage des Pré-ARNm, où elle assure le recyclage du spliceosome et du lasso, mais aussi dans la biogenèse des ribosomes où elle est impliquée dans la maturation des deux sous-unités. Prp43 est activée et régulée par cinq partenaires protéiques : Ntr1, Gno1, Pfa1, RBM5 et GPATCH2. Ces partenaires protéiques présentent tous un domaine G-patch et sont capables de stimuler les activités hélicase et ATPase de Prp43. La structure cristallographique de Prp43 en complexe avec l'ADP a été résolue au laboratoire. Cette structure a mis en évidence un mode de fixation du nucléotide inédit chez les autres hélicases, notamment au niveau de la base qui s'empile entre la phénylalanine 357 (F357) du domaine RecA2 et l'arginine 159 (R159) du domaine RecA1. Les déterminants de l'activation de Prp43 par les protéines à domaine G-patch demeurent méconnus. Dans ce travail, nous avons cherché à déterminer quel était le rôle de l’empilement de la base dans l’activation de Prp43. Nous présentons ici plusieurs structures cristallographiques de Prp43 en complexe avec tous les nucléotides diphosphates(NDP) et les désoxynucléotides triphosphates (dNDP). Ces structures ont permis de conclure qu'il y avait des différences dans l’empilement de la base selon le (d)NDP considéré. Des dosages d'activité NTPase de Prp43 avec et sans son partenaire protéique Pfa1 montrent que lorsque la base ne s'empile pas avec la F357 et la R159, l'activité de l'enzyme n'est pas correctement régulée par son partenaire protéique. Les dosages d’activité enzymatique sur les mutants ponctuels F357A et R159A révèlent que le résidu F357 permet de moduler l’activité de Prp43. Tous ces résultats nous ont permis de mettre en évidence un modèle de la régulation de Prp43 par les protéines à domaines G-patch et d'expliquer l'importance du mode de fixation de la base à l'enzyme dans cette régulation. / RNA helicases from the DEAH/RHA family are involved in most of essential processes of life such as pre-mRNA splicing, ribosome biogenesis, replication, transcription or viral RNA sensing. These enzymes are able to catalyze RNA unwinding, secondary structures reorganization or RNA-protein complexes remodeling. The DEAH/RHA helicase Prp43 is remarkable because it is bifunctional, as it is involved both in pre-mRNA splicing, where it is responsible of spliceosome and lariat recycling and in the biogenesis of the two ribosomal subunits. Prp43 is activated by five protein partners: Ntr1, Gno1, Pfa1, RBM5 and GPATCH2. These protein partners all possess a G-patch domain and are able to stimulate helicase and ATPase activity of Prp43. The structure of Prp43 in complex with ADP has been solved by X-ray crystallography. The structure reveals that the nucleotide is bound to the enzyme in a novel mode that has never been observed in other known helicase structures. The specific feature of this binding mode is the base, stacked between phenylalanine (F357) from RecA2 domain and an arginine (R159) from RecA1 domain. Features of the activation of Prp43 by G-patch proteins are unclear. In this work, we investigated the role of base stacking in the activation of Prp43. We present several structures of Prp43 bound to all the nucleotide diphosphates (NDP) and deoxynucleotide diphosphates (dNTP). These results indicate that there are differences in stacking according to the (d)NDP bound to the enzyme. NTPase activity assays revealed that when stacking is weakened, Prp43 activity cannot be properly regulated by its protein partner Pfa1. Moreover, point mutations F357A and R159A show that stacking of F357 permits to modulate Prp43 activity. All these results allow us to propose a model of NTPase activity activation of Prp43 by G-patch proteins and to highlight the importance of base stacking in this regulation.

Les rétrovirus sont un enjeu de santé publique, aussi bien humaine qu'animale. La compréhension des déterminants structuraux sous-jacents à la fonction de leurs protéines constitue une étape essentielle dans le développement de stratégies antirétrovirales efficaces.Ce manuscrit porte sur l'étude des bases structurales des mécanismes moléculaires impliqués dans les fonctions clés des rétrovirus que sont i) la régulation de l'expression des protéines de rétrovirus complexes et ii) l'assemblage des particules virales, à travers l'étude de deux protéines rétrovirales d'intérêt thérapeutique : la protéine Tax du virus T-lymphotrope humain (HTLV) et la protéine de capside du virus de l'immunodéficience féline (FIV). L'étude structurale de ces deux protéines d'intérêt et la compréhension des mécanismes moléculaires nécessaires à leurs fonctions permettraient d'ouvrir la voie à la conception de nouvelles stratégies antirétrovirales.Malgré de nombreux tests d'expression et de purification, l'étude structurale de la protéine Tax du HTLV n'a pu être réalisée, en raison de son insolubité. Cependant, ce travail doctoral a permis de résoudre, pour la première fois, la structure cristallographique de la protéine de capside entière du FIV. Bien que cette dernière adopte un repliement similaire aux autres capsides rétrovirales dont la structure est connue, elle présente également des spécificités structurales dont les conséquences fonctionnelles seront discutées / Retroviruses are a major concern of public health in humans but also in animals. A better understanding of the structural determinants underlying the functions of retroviral proteins is a crucial step for the development of efficient antiretroviral therapies.This manuscript studies the structural basis of the molecular mechanisms implicated in key functions of retroviruses such as, i) the regulation of complex retroviruses protein expression and ii) the assembly of viral particles, through the study of two retroviral proteins of therapeutic interest: the human T-lymphotropic virus (HTLV) Tax protein and the feline immunodeficiency virus (FIV) capsid protein. The functional and structural studies of these two proteins and the understanding of the molecular mechanisms required for their functions will pave the way to the conception of new antiretroviral therapeutic strategies.Despite several expression and purification assays, no structural studies could be performed for the HLTV Tax protein. However, this study allowed the resolution of the first structure for the full-length FIV capsid protein by X-ray crystallography. Although the FIV capsid protein displays a standard a-helical topology like other retroviral CAs, it also harbors original features whose functional consequences will be discussed