De nombreuses bactéries pathogènes piratent les machineries qui régulent le trafic cellulaire pour échapper à la réponse immunitaire de l’hôte ou faciliter leur multiplication. Les familles de petites protéines G Arf et Rab sont des régulateurs majeurs de la régulation du trafic intracellulaire et sont de ce fait des cibles privilégiées pour de nombreuses bactéries pathogènes. Ces pathogènes intracellulaires injectent dans leur cellule hôte des effecteurs capables d’imiter l’activité biochimique de leurs régulateurs pour activer, inhiber ou moduler l’activité des protéines. Ce projet porte sur l’étude de la famille de régulateurs bactériens RalF présents chez les bactéries Legionella pneumophila et Rickettsia prowazekii, les agents responsables de la maladie du Légionnaire et du typhus épidémique, respectivement. RalF possède un domaine catalytique apparenté à celui des facteurs d’échange eucaryotes dont le la fonction est d’activer la petite protéine G Arf. Cet effecteur bactérien agit comme un régulateur illégitime pour détourner les fonctions cellulaires de Arf1. L’objectif de cette thèse est de décrypter les mécanismes biophysiques, structuraux et dynamiques de régulation de la famille RalF pour comprendre les interactions protéine-protéine ou protéine- membrane impliqués dans le piratage de la fonction de Arf1. La combinaison d’études biochimiques et structurales nous ont permis de montrer que RalF est régulé par un cluster aromatique « senseur » de l’environnement lipidique lui permettant de localiser Arf1 à une membrane spécifique. / Many pathogenic bacteria highjack the cellular machineries that control cellular traffic in order to escape the host immune response, or to facilitate their replication. Small GTP-binding proteins (GTPases) of the Arf and Rab families, which are pivotal regulators in these processes, have thus been identified as targets for various human intracellular pathogens. To that purpose, these pathogens translocate bacterial effectors in the host cell, which mimics biochemical functions of their regulators to activate, inhibit or modulate of theses proteins. In this work, we study RalF, a family of bacterial regulators, which are translocated in host cells by the human intracellular pathogens Legionella pneumophila and Rickettsia prowazekii, which are responsible for Legionnaire’s disease and epidemic typhus, respectively. RalF possesses a catalytic domain related to eukaryotic exchange factors, which stimulate GDP/GTP exchange to activate small G-proteins Arf. This bacterial effector acts as an illegitimate regulator to divert cellular functions of Arf1. The aim of this work is to decipher biophysical, structural and dynamics regulation mechanisms of RalF family to understand the intramolecular protein-protein and protein-membrane interactions that underlie highjacking of Arf1 function. Using biochemical and structural analyses we showes how RalF is regulated by a membrane “sensor” to recruit Arf1 at specific membrane locations.

Les aminoglycosides, des dérivés aminés de saccharides, interfèrent avec le mécanisme de synthèse des protéines chez les bactéries en se fixant au site de décodage de l'ARN de transfert aminoacylé (site A) situé en 3' de l'ARN ribosomique 16S. Au cours de ce travail de thèse, les structures de trois complexes entre des fragments d'ARN incorporant le site A et les aminoglycosides paromomycine, tobramycine et généticine, ont été résolues par cristallographie aux rayons X à 2,40-2,54 Å. L'analyse des structures montre que la reconnaissance et la fixation spécifiques des aminoglycosides au site A font intervenir de nombreuses liaisons hydrogène directes et pontées par des molécules d'eau. Dans ces structures, la partie néamine commune aux aminoglycosides (cycles I et II) s'intercale dans l'hélice de manière similaire : le cycle I (non plan) forme une pseudo paire de bases avec l'adénine 1408 ; la néamine oblige les adénines 1492 et 1493 à pointer hors de l'hélice. La comparaison des structures 3D de ces trois complexes offre des explications moléculaires aux différents résultats de biochimie et de microbiologie, ainsi qu'à certains phénomènes de résistances et de toxicités. Les conformations du site A et des aminoglycosides au sein de ces complexes sont similaires à celles du site A et de la paromomycine au sein de la sous-unité ribosomique 30S. Ainsi, la stratégie développée permet une description des interactions et des modes de fonctionnement des aminoglycosides proche du contexte naturel mais plus précise, essentielle à notre connaissance du système ARN/aminoglycoside. De ces résultats découlent des lignes directrices laissant envisager sous un jour nouveau la conception d'antibiotiques moins sujets aux résistances et moins toxiques.

Récemment Franzetti et al. ont découvert un nouveau type de protéases auto-compartimentées indépendantes d'énergie dans les archaeas. Les particules ont été appelées TET pour leurs structures tridimensionnelles tétraédriques. Les TETs forment de grands complexes d'un poids moléculaire d'environ 500kDa. Leur rôle dans l'organisme est pourtant inconnu. Dans P. horikoshii, une Archaea hyperthermophile de la mer profonde, trois protéases TET ont été identifiées (PhTET1, 2 et 3). Nous avons exprimé et purifié PhTET3 recombinante. L'enzyme a été caractérisée biochimiquement et nous avons déterminé la structure d'un complexe de PhTET3 de 12 sous-unités par cristallographie aux rayons X. Afin de mieux comprendre son rôle physiologique potentiel et de s'assurer pourquoi il y a trois protéases TET dans P. horikoshii, la structure et les propriétés enzymatiques de PhTET3 ont été comparées à celles de deux autres protéases TET déjà caractérisées. Puisque l'auto-compartimentage joue un rôle important dans le fonctionnement et la régulation des protéases, les facteurs commandant l'oligomérisation de PhTET3 in vitro ont été étudiés par ultracentrifugation analytique et diffusion de neutrons aux petits angles. Finalement, dans des états physiologiques de mer profonde, l'enzyme est exposée à la haute température (jusqu'à 100°C) et à la haute pression. Afin d'étudier les limites de la stabilité de grands assemblages macromoléculaires, la structure à basse résolution et l'activité enzymatique de PhTET3 ont été mesurées à hautes pressions et à hautes températures en utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles et la spectrophotométrie à haute pression. Au total, ces études ont indiqué que les protéases TET de P. horikoshii forment un système intégré de dégradation de peptides et que PhTET3 montre une stabilité exceptionnelle à haute pression et à haute température aussi bien que des propriétés enzymatiques associées aux conditions environnementales.

Sous l'effet du stress oxydatif, la production des espèces réactives de l'oxygène (ERO) est accrue. Les ERO peuvent réagir avec différentes molécules biologiques dont les acides gras polyinsaturés libres ou provenant des lipides membranaires engendrant la formation d'hydroperoxydes d'acides gras. Dans le chloroplaste, ces molécules sont sujettes à de nombreuses modifications enzymatiques ou chimiques aboutissant à la formation d'oxylipines. Les oxylipines participent à la signalisation cellulaire (précurseurs de la voie du jasmonate par exemple), à la défense de la plante (activité antimicrobienne par exemple). Certaines de ces molécules très réactives et toxiques doivent être métabolisées en des produits moins réactifs, par des réactions d'oxydoréduction par exemple.La ceQORH (chloroplast envelope Quinone OxydoReductase Homolog) et IEP32 (Inner Envelope Protein 32) d'Arabidopsis thaliana sont des oxydoréductases chloroplastiques impliquées dans la détoxification de la plante. Elles sont transportées au travers de l'enveloppe du chloroplaste sans clivage de leur peptide de transit par une voie d'import alternative à la voie TOC/TIC (Translocon at the Outer envelope membrane of Chloroplasts et Translocon at the Inner envelope membrane of Chloroplasts). Ces particularités ont fait de la ceQORH et d'IEP32 des enzymes intéressantes à étudier.IEP32 a été purifiée et cristallisée. Les structures de la ceQORH sous forme apo, liée au NADPH et liée au NADP+ et à des inhibiteurs ont été déterminées en utilisant la cristallographie aux rayons X. Leur analyse a permis de mettre en évidence que la ceQORH existe sous différents états oligomériques dans les conditions expérimentales utilisées. Ces observations ont été confirmées par des expériences d'ultracentrifugation analytique. La ceQORH est une enzyme monomérique qui lie le NADPH par l'intermédiaire de son domaine de Rossmann . Le site catalytique, large et hydrophobe, permet à la ceQORH d'accommoder et de réduire un grand nombre de substrat dont le motif commun est la présence d'une fonction alcène en α, β d'un groupement carbonyle. Les constantes d'efficacité et d'affinité étant meilleures pour les γ-kétols que pour les quinones, nous proposons que la ceQORH soit renommée « γ-kétol réductase ».Mots clefs : chloroplaste - Medium chain dehydrogenase/reductase - γ-kétol réductase - oxylipines - oligomérisation - inhibition - cristallographie aux rayons X - ultracentrifugation analytique / Under the influence of the oxidative stress, the production of the Reactive Oxygen Species (ROS) is increased. These compounds can react with various biological molecules like free polyunsaturated fatty acids or derived from lipids producting hydroperoxides of fatty acids. In chloroplast, these molecules are subject to numerous enzymatic or chemical modifications resulting in oxylipins. Oxylipins participate in cell signaling (precursors of the way of the jasmonate for example), or in the defense of the plant (antimicrobial activity). However some of them are very reactive and toxic so they are metabolized in less reactive molecules by oxidoreduction reactions.The ceQORH (chloroplast envelope Quinone OxydoReductase Homolog) and IEP32 (Inner Envelope Protein 32) of Arabidopsis thaliana are chloroplast oxidoreductases involved in the plant detoxification. They are transported through the envelope of the chloroplast without cleavage of their transit peptide by an alternative import pathway of TOC/TIC (Translocon at the Outer envelope membrane of Chloroplasts and Translocon at the Inner envelope membrane of Chloroplasts). In order to better understand their roles, we studied their enzymatic properties and structures.IEP32 was purified and crystallized. The structures apo-ceQORH and bound to the NADPH/ NADP + with inhibitors were determined using X-ray crystallography. The analysis allowed us to show that ceQORH exists under different oligomerization states what was confirmed by results of analytical ultracentrifugation. The NADPH binding to the Rossmann fold induces the monomerization. The catalytic site is large and hydrophobic allowing to ceQORH to reduce many α, β-unsaturated carbonyls of various chain lengths. CeQORH was shown to reduce with high efficiency the reactive double bond of γ-ketols that's why we propose to rename ceQORH by “γ- ketol reductase”.Keywords: chloroplast – Medium chain dehydrogenase/reductase – γ-ketol reductase – oxylipins – oligomerization state – inhibition – X-ray crystallography – analytical ultracentrifugation

Les génomes eucaryotes sont très complexes et peuvent être très grands. Par exemple, le génome humain contient environ de 20 000 à 25 000 gènes codant pour des protéines. L'expression de ces gènes doit être strictement régulée à de nombreux niveaux (tels que l'organisation de la chromatine, la transcription des gènes, le traitement et l'exportation de l'ARN messager ainsi que la traduction) pour le bon fonctionnement de la machinerie cellulaire. De nombreuses protéines et complexes protéiques sont impliqués dans ces processus essentiels de régulation, tels que les remodeleurs de la chromatine, les activateurs, co-activateurs et répresseurs de la transcription et particulièrement la machinerie générale de transcription. Chez les eucaryotes, la transcription de gènes codant pour des protéines est appelée transcription génique de classe II, elle est catalysée par l'ARN polymérase II (Pol II). La transcription des gènes par la polymérase II nécessite l'interaction coopérative de plusieurs protéines et complexes protéiques afin de faciliter l'assemblage d'un complexe de pré-initiation (PIC) au promoteur de base. Le complexe de pré-initiation comprend l'ARN polymérase II et les facteurs de transcription généraux (GTFs) - TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF et TFIIH ainsi que le complexe de Médiateur et une grande variété de co-activateurs transcriptionnels.Une étape fondamentale dans l'assemblage d'un complexe de pré-initiation est la reconnaissance du promoteur de base par le facteur de transcription général TFIID. TFIID est un complexe multi protéique d'environ 1,6 MDa. Chez l'homme, il comprend une vingtaine de sous-unités constituées de 14 protéines différentes - la protéine de liaison à la boite tata (TBP) et ses facteurs associés (TAFs 1 à 13). Une série d'études sur la TFIID humaine et ses sous-ensembles ont été réalisés depuis sa découverte il y a plus de 20 ans, cherchant à comprendre la structure et le mécanisme de ces facteurs de transcription général essentiel, cependant l'architecture de TFIID, ses activités, ses fonctions, ses rouages et ses mécanismes d'assemblage cellulaire reste largement incompris à ce jour.Cette thèse décrit les études biochimiques que nous avons effectuées sur trois sous-ensembles distincts de TFIID humain. Nous avons utilisé un certain nombre de techniques de biologie structurale : la cristallographie, la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (RMN) et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXs), pour étudier le complexe formé par les facteurs humains, associés à la protéine de liaison à la boite tata, TAF1 et TAF7. Ces études structurelles fournissent un aperçu détaillé sur l'interface d'interaction complexe de TAF1/TAF7, misent de concert avec des données disponibles dans la littérature, elles mettent en évidence la nature dynamique de l'interaction TAF1/TAF7 dans le complexe de TFIID humain.Dans une deuxième étude, nous avons analysé un complexe formé par TAF11, TAF13 et TBP en utilisant un panel de méthodes biophysiques et biochimiques : l'analyse électrophorétique de retard sur gel (EMSA), l'ultracentrifugation analytique (AUC), la chromatographie d'exclusion stérique (SEC) analyse, le pull-down, la spectrométrie de masse native et la spectrométrie de masse chimique à réticulation (CLMS). Ce complexe fait penser au complexe TAF1/TBP qui imite la boite tata.De plus, dans le cadre des efforts en cours au sein du laboratoire du Pr Imre Berger afin de déterminer la structure de l'holo-TFIID humaine, nous avons reconstitué un grand sous-ensemble de TFIID (900 KDa) appelé 9TAF, qui est composé de neuf différents facteurs associés de TBP. Nous avons effectué des études d'électro-microscopie par coloration négative sur le complexe 9TAF qui nous ont fourni des informations à faible résolution. Ces études ouvrent la voie à de futures études de cryo-EM sur le complexe 9TAF pour obtenir un modèle de plus haute resolution. / Eukaryotic genomes are highly complex and can be very large. For example, the human genome contains approximately 20,000-25,000 protein coding genes. Expression of these genes needs to be tightly regulated at many levels, including chromatin organization, gene transcription, mRNA processing and export and translation, for proper functioning of cellular machinery. Many proteins and protein complexes are involved in these essential regulatory processes, examples include chromatin remodelers, transcriptional activators and coactivators, transcriptional repressors and notably the general transcription machinery. Transcription of protein coding genes in eukaryotes is called Class II gene transcription, and is catalyzed by RNA polymerase II (Pol II). Gene transcription by Pol II requires the cooperative interaction of multiple proteins and protein complexes to facilitate the assembly of a preinitiation complex (PIC) at the core promoter. The PIC comprises Pol II and the General Transcription Factors (GTFs)- TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, and TFIIH, together with the Mediator complex and a large variety of transcriptional coactivators.A fundamental step in PIC assembly is recognition of the core promoter by GTF TFIID, a magdalton sized multiprotein complex. In humans, TFIID comprises about twenty subunits made up of 14 different proteins – the TATA box binding protein (TBP) and its associated factors (TAFs, numbered 1 to 13). A range of studies on human TFIID and its subassemblies have been carried out since its discovery more than two decades ago, to understand the structure and mechanism of this essential GTF, but the architecture of TFIID, its activities, its functions, its inner workings and the mechanisms of its cellular assembly have eluded detailed understanding to date.This thesis describes biochemical, biophysical, structural and functional studies carried out on three distinct human TFIID subassemblies. We used a number of structural biology techniques, including crystallization, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and small angle X-ray scattering (SAXS) to analyse a complex formed by the human TBP associated factors TAF1 and TAF7. These structural studies provide detailed insights into the intricate interaction interface formed by TAF1 and TAF7, and, together with other data available from the literature, highlight the dynamic nature of the TAF1/TAF7 interaction in the human TFIID complex.In a second study, we analyzed a novel complex formed by TAF11, TAF13 and TBP using a range of biophysical and biochemical methods including electrophoretic mobility shift assay (EMSA), analytical ultracentrifugation (AUC), size exclusion chromatography (SEC) analysis, pull-down assay, native mass-spectroscopy and chemical cross-linking mass spectroscopy (CLMS). This complex is reminiscent of a so-called TATA-box mimicry discovered previously in a TAF1/TBP complex.As part of the ongoing efforts in the Berger laboratory to determine the structure of human holo-TFIID, we furthermore produced and purified a large (~900 kDa) TFIID subassembly called 9TAF, which is composed of nine different TBP associated factors. We carried out negative stain EM studies and random conical tilt (RCT) analysis on 9TAF to obtain low resolution structural information. These studies set the stage for future cryo-EM studies of this 9TAF complex to obtain a high(er) resolution model to decipher the inner workings of human TFIID.

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 / The lectin of Helix pomatia (HPA), extracted from the albumin gland of the Roman snail and specific for the residue GalNAc, belongs to a new H type lectin family. It is used for twenty years as marker for metastatic adenocarcinoma (in particular breast, colon, lung) associated with poor life prognostic. Nevertheless, its use as routine tool in oncology is highly limited because of its incapability to produce it in a recombinant form. To avoid these difficulties, homologous proteins were searched in others invertebrates. Two H type lectins have been identified in the amiboe Dictyostelium discoideum (discoidins) and one in the coral Sinularia lochmodes (SLL-2). Discoidins are composed of two distinct domains, a C-terminal domain, specific for galactosylated residues and homologuous to HPA and an N-terminal domain, called discoidin domain, with unknown function. This thesis is focused, in a first time, on the continuation of structural characterization of discoidin 1 and on the production of the N-terminal domain of discoidin 2 to confirm the supposed lectin function. In a second time, confocal microscopy experiments showed that discoidins was not able to discriminate metastatic cancer cells to non metastatic ones, as HPA does. The construction, by mutagenesis, of a chimeric protein between discoidin 2, easily produced in E. coli, and HPA, began. The purpose was to give the same specificity as HPA. Last, SLL-2 was cloned and numerous expression assays, in a soluble form, and purification was tried to characterize the protein biochemistrycally and structurally. The aim was to test it as marker in histopathology.

Les amphipoles (APols) sont devenus des outils importants pour la stabilisation, le repliement, et les études structurales et fonctionnelles in vitro des protéines membranaires (MPs). Les MPs sont les unités fonctionnelles des biomembranes et représentent environ un tiers des protéines qui sont codées par le génome. La première partie de mon travail est dédiée à la cristallisation de MPs piégée par des APol. La cristallisation directe de protéines solubilisées en APol sera d'une grande importance pour la biologie structurale. Cependant, malgré des efforts considérables, il n'est pas certain que les complexes MP/APol peuvent être utilisés pour former des cristaux bien ordonnés utilisables en cristallographie des rayons X. Le premier objectif de cette thèse est de montrer que les MPs piégées par des APol peuvent être cristallisées in meso. Pour faire cela, nous avons utilisé des bicouches amphiliques interconnectées qui sont ajustables pour certaines MPs. Cette méthode a été récemment développée dans notre laboratoire. Nous avons utilisé la bactériorhodopsin (BR) piégée avec APol A8-35 comme système modèle pour nos études cristallographiques. Le premier cristal obtenu diffractait à 3 Å, alors qu'une nouvelle méthode de cristallisation en nanovolume, exploitant des précipitants secs, améliore les pics de diffraction aux rayons X observés jusqu'a 2 Å. La structure de BR a été résolue à 2 Å et s'est révélée identique aux autre structures obtenues précédemment à partir de protéine solubilisée en détergents. Nous suggérons que le protocole proposé, de cristallisation in meso, est applicable aux MPs solubilisées avec des APols.La deuxième partie est liée aux applications des APols pour les études de MPs à l'aide de spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). La spectroscopie SERS a énormément évolué depuis sa découverte en 1970. C'est un outil analytique puissant pour sélectionner les molécules qui adsorbent sur des nanoparticules et des nanostructures à base de métaux nobles, possiblement au niveau de la molécule unique. Malheureusement les études de MPs sont loin de l'application courante du SERS à cause de la difficulté résultante de la nature amphiphilique des MPs. La capacité des APols à piéger les MPs et de les garder solubles, stables et fonctionnelles ouvre la voie pour des applications extrêmement intéressantes des études SERS, éventuellement au niveau de la molécule unique. De plus, le deuxième objectif de ce travail de thèse était de démontrer la faisabilité de l'utilisation de SERS avec des MPs piégées par des APols. Le même modèle (BR/A8-35) a été utilisé pour les études cristallographiques et pour les agrégats de NP d'argent. Cette tâche a été réalisée a un niveau suffisant pour commencer des études de MPs avec la méthode SERS.Le premier chapitre de cette thèse commence avec des informations générales à propos de l'importance des études de MPs et les problèmes inhérents à leur manipulation. Plus loin dans le chapitre, un bref résumé des APols, de leurs propriétés et leurs applications est présenté. La majeure partie de l'introduction est dédiée aux points importants des différentes approches de cristallisation de MPs et de spectroscopie Raman, en particulier SERS spectroscopie, et leurs applications aux protéines. La fin de la partie “Introduction” présente les conclusions à propos des applications des APols pour les études de cristallographie aux rayons X et pour les études de spectroscopie SERS sur les MPs, définissant les objectifs principaux pour ce travail. Le chapitre “Materials and methods” consiste en une description détaillée des matériels et des protocoles utilisés dans cette étude. Le résultat des études de cristallisation et de SERS et leurs interprétations sont présentés comme deux différentes parties dans le dernier chapitre “Results and discussions”. Le chapitre “Conclusions and perspectives est présent dans chaque partie. / Amphipols (APols) have become important tools for the stabilization, folding, and in vitro structural and functional studies of membrane proteins (MPs). MPs are the main functional units of biomembranes and represent roughly one-third of the proteins encoded in the genome. The first part of my work was dedicated to crystallization of a MP trapped by APol. Direct crystallization of MPs solubilized in APols would be of high importance for structural biology. However, despite considerable efforts, it is still not clear whether MP/APol complexes can be used to form well-ordered crystals suitable for X-ray crystallography. The first major goal of this PhD thesis work was to show that APol-trapped MP can be crystallized in meso. To perform it we utilized special, flexibly adjustable for a certain MP, interconnected amphiphilic bilayers (IAB) approach which has been recently developed in our laboratory. We used bacteriorhodopsin (BR) trapped with APol A8-35 as a model system for our crystallization studies. The first obtained crystals diffracted to 3 Å, while a new developed type of high throughput nanovolume crystallization, exploiting dry precipitants, shifted the observed X ray diffraction peaks beyond 2 Å. The structure of BR was solved to 2 Å and found to be indistinguishable from previous structures obtained with a detergent-solubilized protein. We suggest that the proposed protocol of in meso crystallization is generally applicable to APol-trapped MPs.The second, to a certain extent, complementary part of the present work was related to application of APols to the surface-enhanced Raman scattering (SERS) studies of MPs. SERS spectroscopy has been developed dramatically since its discovery in the 1970s. It is a powerful analytical tool for selective sensing of molecules adsorbed onto noble metal nanoparticles (NPs) and nanostructures, including at the single molecule (SM) level. Unfortunately, MPs studies are far away from the main stream of SERS applications due to the great handling difficulties resulting from the amphiphilic nature of MPs. The ability of APols to trap MPs and keep them soluble, stable and functional opens the way for highly interesting applications of SERS studies, possibly at the SM level. Thus, the second goal of this PhD thesis work was to prove our concept of feasibility of SERS with MPs trapped by APols. Using the same as in the crystallization studies model BR/A8-35 complexes and silver NP aggregates, the task was fulfilled to a degree enough to start with the SERS studies of MPs.The first chapter of the PhD thesis begins with general information about the importance of MP studies and the problems with their handling. Further in this chapter, a brief overview of APols, their properties and applications is presented. The largest part of the “Introduction” is dedicated to main points of different MP crystallization approaches and Raman spectroscopy, in particular SERS spectroscopy, and their applications to proteins. The end of the “Introduction” part presents the conclusions about APol application for X-ray crystallography and SERS spectroscopy studies of MPs, setting the main goals for the present work. The “Materials and methods” chapter consists of detailed description of the materials and protocols used in this study. The results of crystallization and SERS studies and their interpretations are presented as two different parts in the last “Results and discussions” chapter. The “Conclusions and perspectives” sections accompany each of these parts.

La polyvalence de la réaction de couplage-croisé C-N a été explorée pour la synthèse de deux nouvelles classes de ligands: (i) des ligands bidentates neutres de type N^N et (ii) des ligands tridentates neutres de type N^N^N. Ces classes de ligands contiennent des N-hétérocycles aromatiques saturés qui sont couplés avec hexahydropyrimidopyrimidine (hpp). Les ligands forment de cycles à six chaînons sur la coordination du centre Ru(II). Ce fait est avantageux pour améliorer les propriétés photophysiques des complexes de polypyridyl de Ru(II). Les complexes de Ru(II) avec des ligands bidentés ont des émissions qui dépendent de la basicité relative des N-hétérocycles. Bien que ces complexes sont électrochimiquement et photophysiquement attrayant, le problème de la stereopurité ne peut être évité. Une conception soigneuse du type de ligand nous permet de synthétiser un ligand bis-bidentate qui est utile pour surmonter le problème de stereopurité. En raison de la spécialité du ligand bis-bidentate, son complexe diruthénium(II,II) présente une grande diastéréosélectivité sans séparation chirale. Alors que l'unité de hpp agit comme un nucléophile dans le mécanisme de C-N réaction de couplage croisé, il peut également agir en tant que groupe partant, lorsqu'il est activé avec un complexe de monoruthenium. Les complexes achiraux de Ru(II) avec les ligands tridentés présentent des meilleures propriétés photophysiques en comparason avec les prototypes [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2′: 6′, 2′′-terpyridine). L’introduction de deux unités de hpp dans les ligands tridentates rend le complexe de Ru(II) en tant que ‘absorbeur noir’ et comme ‘NIR émetteur’ (NIR = de l’anglais, Near Infra-Red). Cet effet est une conséquence d'une meilleure géométrie de coordination octaédrique autour de l'ion Ru(II) et de la forte donation sigma des unités hpp. Les complexes du Re(I) avec des ligands tridentates présentent un comportement redox intéressant et ils émettent dans le bleu. L'oxydation quasi-réversible du métal est contrôlée par la donation sigma des fragments hpp, tandis que la réduction du ligand est régie par la nature électronique du motif N-hétérocycle central du ligand lui-même. Cette thèse presente également l'auto-assemblage des métal-chromophores comme ‘métallo-ligands’ pour former des espèces supramoléculaires discretes utilisant des complexes neutres. Les synthèses et propriétés des métaux-chromophores précités et les supramolécules sont discutées. / The versatility of C-N cross coupling reactions has been explored for the synthesis of two novel classes of ligands : (i) neutral bidentate N^N ligands and (ii) neutral tridentate N^N^N ligands. Both classes of ligands contain saturated aromatic N-heterocycles coupled with the unsaturated hexahydropyrimidopyrimidine (hpp) unit. The ligands form six-membered chelate rings upon coordination to a Ru(II) center. This fact is advantageous to improve the photophysical properties of Ru(II)-polypyridyl complexes. Ru(II) complexes of bidentate ligands can act as red-emitters. The red-emission is dependent on the relative basicity of the N-heterocycles. While these complexes are electrochemically and photophysically appealing, the problem of stereopurity can not be avoided. Careful ligand design affords bis-bidentate ligand that is useful to overcome the problem of stereopurity. Due to the speciality of this bis-bidentate ligand, its diruthenium(II,II) complex exhibits high diastereoselectivity without any chiral separation. While the hpp unit acts as a nucleophile in the mechanism of C-N cross coupling reaction, it can also act as a leaving group when activated as a monoruthenium complex. Achiral Ru(II) complexes of the tridentate ligands display improved photophysical properties over the prototype complex [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2’:6’,2’’-terpyridine). Introduction of two hpp units in the tridentate ligands renders the Ru(II) complex into a ‘black absorber’ and a ‘NIR emitter’ (NIR = Near Infra-Red). This fact is a consequence of better octahedral geometry around the Ru(II) ion and strong sigma-donation from the hpp units. The blue-emitting Re(I) complexes of the tridentate ligands also exhibit interesting redox behavior. The metal-based quasi-reversible oxidation is controlled by the sigma-donation from the hpp moieties, while the ligand-based reduction is governed by the electronic nature of the central N-heterocycle of the same ligand moiety. This thesis also incorporates self-assembly of metal-chromophores as ‘metallo-ligands’ to form discrete supramolecular species using neutral metal-complexes. The syntheses and properties of the aforesaid metal-chromophores and the supramolecules are discussed.

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières. / Tagatose-1,6-bisphosphate aldolase from Streptococcus pyogenes is a class I aldolase that shows a lack of stereospecificity that is rare in enzymes in general, and in aldolases in particular. This aldolase catalyzes the reversible cleavage of tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), fructose-1,6-bisphosphate (FBP), sorbose-1,6-bisphosphate and psicose-1,6-bisphosphate, four stereoisomers, in dihydroxyacetone phosphate (DHAP) and glyceraldehyde-3-phosphate (G3P). A class I aldolase, the aldolase TBP S. pyogenes shares 14 % identity with the model enzyme of this family, mammalian FBP aldolase. Although the catalytic mechanism of the class I FBP aldolase has been examined in detail and it is appropriate to infer information as to the class I TBP aldolase, the singular lack of specificity of the latter enzyme both in the direction of cleavage and condensation is still not elucidated. To better comprehend the characteristics of the enzymatic mechanism, a structural study of the TBP aldolase of S. pyogenes, an extremely versatile human pathogen, has been undertaken. It has allowed the resolution of high resolution structures of the native and mutated enzyme in complex with subtrates and competitive inhibitors. These same structures allowed us to gain information as to the active site of the enzyme in general and the catalytic residues in particular. TBP aldolase native and mutated soaked in a saturated solution of FBP or TBP also trapped an iminium intermediate covalenty bound to Lys205, the Schiff base-forming lysine. The determination of the pH profiles of the native and mutated enzyme, carried out to assess the influence of pH on FBP and TBP cleavage and identify the residue(s) involved, in conjunction with the structural data provided by crystallography, identified unequivocally Glu163, corresponding to Glu187 in FBP aldolase, as the residue responsible for substrate cleavage. The substantially different binding mode of the ligands, according to the stereochemistry of their C3 and C4 carbons, indeed allows Glu163 to abstract the proton in C3-OH and thus initiate C3-C4 bond cleavage. The study of the inverse mechanism, the condensation one, using for instance the crystallographic structure of native TBP aldolase in complex with DHAP and G3P, its three carbons substrates, has led us to believe that a possible isomerism of the G3P substrate was the reason for the synthesis of both C4 isomers by this enzyme. This result, as well as the discovery of a possible cis-trans isomerism around the C2-C3 bond of the Schiff base formed with DHAP, identified previously, almost completely elucidated the features of this enzyme`s mechanism. In addition, these structures have highlighted three highly mobile regions of the protein, which may be related to the role of its isozyme in the regulation of gene expression and virulence in S. pyogenes. Lastly, the resolution of the structure of the FBP aldolase mutant Lys229 → Met in complex with the cyclic form of FBP, as well as crystallographic studies of the corresponding mutant in TBP aldolase, Lys205→Met and ITC experiments, allowed the identification of two particular residues, Ala31 and Asp33 in FBP aldolase, as responsible for this enzyme discrimination against 3(R) 4(S) substrates, by steric hindrance of the cyclic substrates. X-ray crystallography, enzyme kinetics and isothermal calorimetry thus enabled advances in the elucidation of the mechanism and structural properties of this enzyme with singular characteristics.

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