Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La protéine FUR (Ferric Uptake Regulator) est un régulateur global ubiquitaire chez les bactéries Gram-négatives. Sa liaison au Fe2+, in vivo, entraîne la répression de l'expression des gènes qu'elle contrôle. Ce travail est une étude structurale par RMN de la forme dimérique non activée de FUR d'Escherichia coli, un dimère de 2*17 kDa contenant un ion zinc par monomère. Une forme monomérique oxydée, capable de dimériser en présence de réducteur et de zinc, a également été isolée et étudiée. Le dichroïsme circulaire et la RMN montrent que la dimérisation entraîne une structuration du domaine C-terminal lors de l'incorporation du zinc. Les structures secondaires du domaine N-terminal du monomère et du dimère sont très proches. Seuls les premiers résidus sont structurés en hélice Α dans le monomère et déstructurés dans le dimère non activé. Cette hélice, observée dans le dimère activé de FUR de P. aeruginosa, pourrait jouer un rôle dans le mécanisme de régulation. Une protéine tronquée (FUR1-82) a été construite, purifiée, cristallisée. Sa structure est superposable à celle du domaine N-terminal de FUR de P. aeruginosa et le spectre 1H-15N-HSQC est superposable aux signaux du domaine N-terminal de FUR monomère. L'étude, par anisotropie de fluorescence, de la liaison du monomère et du dimère à l'ADN montre qu'ils se lient spécifiquement à l'ADN en présence de métal, contrairement à la forme tronquée. L'affinité du monomère pour l'ADN est 5 fois plus faible que celle du dimère en excès de métal. L'ensemble de ces données nous a permis de proposer un mécanisme de dimérisation de FUR d'E. coli ainsi qu'un mécanisme d'activation mettant en jeu cette hélice Α N-terminale.

Le cuivre est un élément essentiel à tout être vivant, il intervient en tant que cofacteur dans de nombreux processus biologiques. Cependant, en excès, il est toxique pour l'organisme et peut impliquer des réactions de type Fenton. Sa concentration dans les cellules est donc régulée par des protéines qui permettent son transport et son élimination. La maladie de Wilson est due à une anomalie au niveau d'une de ces protéines (l'ATP7B). C'est une maladie génétique, dont les deux parents sont porteurs sains. Elle entraîne une accumulation du cuivre dans le foie, le cerveau et les yeux. Cette maladie orpheline (1/30 000 à 1/100000) présente des symptômes nombreux et souvent peu spécifiques à la maladie de Wilson. Les traitements actuels visent à diminuer l'absorption intestinale ou à augmenter l'excrétion urinaire du cuivre et doivent être suivis à vie. Ils ne visent absolument pas le foie qui est le premier organe touché et sont peu sélectifs du cuivre. Actuellement, il n'existe pas de traitement capable d'éliminer le cuivre directement au niveau du foie qui est le premier organe touché. Une molécule capable d'éliminer le cuivre en excès contenu dans les cellules du foie (hépatocytes) serait donc très utile pour soulager les malades. Pour cela, nous avons conçu des vecteurs comportant une partie ciblante pour pouvoir cibler le foie et une partie chélatante pour complexer le cuivre(I). Cette partie chélatante présente une forte affinité pour le cuivre(I) et une forte sélectivité Cu+/Zn2+. Ainsi, deux modèles de parties chélatantes basés sur deux et trois cystéines ont été synthétisés et des études de complexation du cuivre(I) mais aussi d'autres métaux divalents de configuration d10 ont été réalisés. Enfin, la vectorisation de ces modèles a été réalisée et des tests cellulaires ont été faits afin d'évaluer la complexation des ces vecteurs pour le cuivre(I) intracellulaire.

Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) constituent l’une des plus grandes familles de cibles pharmacologiques. Afin de pouvoir extraire tout leur potentiel thérapeutique, il faut d’abord comprendre et caractériser le premier événement dans la cascade pharmacologique, c’est-à-dire la liaison d’un ligand à son récepteur. Nous nous sommes intéressés au récepteur CXCR4, car il fait partie de la famille des récepteurs peptidergiques qui demeure peu comprise au niveau de la structure et de leur mode de liaison. Au niveau physiologique, ce récepteur joue un rôle important pour l’homéostasie du système immunitaire ainsi que dans certaines pathologies comme l’infection au VIH-1 et le cancer. Nous avons d’abord caractérisé la pochette de liaison du récepteur CXCR4 à l’aide de photoanalogues du T140, un composé peptidomimétique anti-VIH. Nous avons identifié que le domaine transmembranaire 4 (TM4) est impliqué dans la pochette de liaison orthostérique du récepteur CXCR4. Nous avons aussi généré un modèle par homologie de séquence de la liaison du T140 sur CXCR4. Ce modèle nous a permis de constater que le T140 peut lier profondément au niveau de la pochette de liaison du CXCR4 ainsi qu’au niveau des boucles extracellulaires 2 et 3. À l’aide de la méthode d'accessibilité des résidus cystéines substitués (SCAM), nous avons procédé à la substitution individuelle des résidus du domaine TM4 en cystéine. Nous avons caractérisé ces mutants pour leur affinité et leur expression à l’aide d'études de radioliaison. Nous avons identifié que les résidus Asp171[indice supérieur 4.60] et Pro170[indice supérieur 4.59] se situent face à la pochette de liaison du récepteur à l’état basal. À l’aide du mutant constitutivement actif Asn119[indice supérieur 3.35]Ser, nous avons identifié qu’il y avait un mouvement rotatoire anti-horaire du domaine TM4 permettant au résidu Ile173[indice supérieur 4.62] d'être accessible. Ce mouvement serait couplé à un changement conformationnel de la boucle extracellulaire 2 permettant aux résidus Ser178[indice supérieur 4.67] et Val177[indice supérieur 4.66] d'être accessibles dans un état actif. Ces résultats suggèrent que le domaine TM4 participe à la pochette de liaison du récepteur CXCR4 ainsi qu’aux mouvements conformationnels lors de l’activation.

Le but de cette thèse est de mettre en relation les propriétés structurale, dynamique et fonctionnelle de la forme humaine d’une nouvelle protéine découverte dans le cerveau des vertébrés en 2000 : la Neuroglobine. Dans un premier temps, j’ai réalisé une étude théorique dans laquelle un mécanisme à deux voies menant à la forme pentacoordinée avec cystéines oxydées a été mis en avant. A travers ce mécanisme, un conformère de la Neuroglobine au sein duquel le groupe prosthétique hème a basculé au cœur de la structure protéique a été déterminé. A partir des structures de ce mécanisme, une étude sur la diffusion de petits ligands au sein des cavités internes de la protéine à l’aide de la méthode de métadynamique a mis en évidence que la formation du pont disufure intramoléculaire favorisait la poche de ligation. De plus un certain nombre de voies de sortie pour les ligands a pu être obtenu. Pour compléter ce premier aspect de la thèse, une étude des propriétés mécaniques, communes avec les autres globines, a montré l’importance de quatre résidus centraux, dit mécaniquement sensibles, qui régulent les canaux d’accès aux différentes poches internes de la protéine, appelé phénomène de respiration. Dans un second temps, je me suis intéressé à l’interaction de la Neuroglobine avec un petit ligand via une étude expérimentale par ITC. La première conclusion importante est que la cinétique de ligation est plus importante lorsque le pont disulfure est formé. De plus j’ai observé une diminution de la cinétique lors du passage Wild Type vers C120S puis réaugmentation de la cinétique lors du passage C120S vers C46G/C55S/C120. Afin de comprendre ce phénomène, une simulation de la Neuroglobine triplement mutée a été réalisée au cours de laquelle un réseau de deux liaisons hydrogènes a été mis en avant. Ce réseau change considérablement les voies d’entrée/sortie pour les ligands. Ainsi la mutation 120 ferme une/ou plusieurs voies de sortie alors que la mutation 46 ouvre la voie naturelle des globines. Le changement observé étant important, une étude par RMN de Ngb TM et WT cystéines réduites a montré qu’il y avait une différence de structure entre ces formes pas seulement au niveau des points de mutation mais sur l’ensemble de la structure. Ces nouveaux résultats mettent ainsi en évidence le rôle important des trois cystéines chez la Neuroglobine humaine. / In this PhD work, I tried to link together the different structural, dynamic and fonctional properties of a new human protein discovered in the mamals brain in 2000: the Neuroglobin. First of all, I established a new two ways mecanism in order to get the pentacoodinated oxydized cysteins state using theoritical method. One of this mecanism’s conformer shows an important heme sliding inside of the proteic structure. Furthermore with help of metadynamic method, I studied the small ligand diffusion and migration in the internal cavity network. I showed the higher ligand affinity when the disulfide bridge is bond and we proposed an important number of exit pathways. Then we developed a method to understand the mechanical properties of the globins and we found four residues mechanically sensitive which form together a control access pathway between internal cavities, called breath phenomenon. Secondly I used ITC method in order to characterize the interaction between the Neuroglobin and a small ligand. From this experiment we highlighted that the kinetic ligation is faster when the disulfide bridge is formed. Then I noticed a relative decrease of the velocity when the mutation C120S is operated followed by a relative increase of the velocity for the triple mutation C46G/C55S/C120 compared to the Wild Type data. To understand these results, I performed a molecular simulation of the triple mutation Neuroglobin form. During this trajectory, I discovered a structure with a two hydrogen bonds network, which significantly changes the ligand entry/exit pathways. The 120 mutation closes one/several exit pathways while the 46 mutation opens the natural globin exit pathway. Because of the considerable structural change observed in the triple mutation Neuroglobin form, I decided to produce NMR results. These last points reveal a relative structure difference between the Wild Type oxidized cysteins form and the triple mutation form not only on the mutation points but also on the global structure. All these new results highlight the essential role of the three cysteins in the human Neuroglobin.

Bien que la synthèse peptidique en phase solide (SPPS) soit maintenant une technique mature et très largement popularisée pour des peptides simples, certaines séquences restent encore compliquées à produire, comme les peptides riches en ponts disulfure (DRPs). Ces produits naturels, ligands sélectifs d’un grand nombre de cibles thérapeutiques, sont des outils pharmacologiques de premier ordre et sont considérés comme de bons candidats médicaments. La proportion importante de cystéines dans leur séquence (plus de 10%) leur confère des propriétés remarquables, mais limite aussi leur synthèse,conduisant à des purifications HPLC délicates, associées à des rendements faibles et une pureté médiocre.Dans l’optique de simplifier la production de DRPs par voie chimique, notre but est de proposer une méthode de purification non-chromatographique. Pour cela, nous avons développé un bras N-terminal conçu pour être complètement compatible avec les peptides riches en cystéines: Boc-Cys(Trt)-1-{6-[1,3-diméthyl-2,4,6(1H,3H,5H)trioxopyrimidine-5-ylidène]hexyle}. A la fin de l’élongation sur support solide, ce bras est introduit sélectivement à l'extrémité N-terminale du peptide cible, sans réagir avec les peptides tronqués acétylés qui constituent les principales impuretés de la SPPS. Après coupure de la résine SPPS, le peptide cible est immobilisé sur un second support solide par le biais d’une réaction de ligation chimique native(NCL). Les peptides tronqués sont alors éliminés par simple filtration, puis le peptide cible est relargué en solution par coupure du bras N-terminal. Ayant comme objectif d’élargir par la suite notre stratégie à la synthèse de très longs DRPs via l’assemblage de multiples segments peptidiques par NCLs successives enphase solide, nous avons étudié en détail la stabilité et les conditions de coupure du bras.La méthode a été appliquée à la purification de deux séquences naturelles riches en cystéines et biologiquement pertinentes : AvBD2 (36 AA), un peptide antimicrobien appartenant à la famille des β défensines aviaires et Bv8 (77 AA) un peptide d’amphibien de la famille des prokinéticines. / Although solid phase peptide synthesis (SPPS) is a mature and widely popularized technique for simple peptides, some sequences are still complicated to produce, such as disulfide-rich peptides (DRPs). These natural products are able to selectively bind a wide number of therapeutically relevant targets, hence they are considered as promising drug candidates and pharmacological tools. The large proportion of cysteines in their sequence (more than 10%) confers them remarkable properties, but also limits their synthesis, lead ingto delicate HPLC purifications associated with low yields and poor purity.With the aim to simplify the chemical production of DRPs, we have developed an N-terminal linker: Boc-Cys(Trt)-1-{6-[1,3-dimethyl-2,4,6(1H,3H,5H)trioxopyrimidine-5-ylidene]hexyl}, which can be used for non chromatographiccatch-and-release purifications. It has been designed to be completely compatible with unprotected cysteine-containing peptides. Following solid phase elongation, this linker is selective lyintroduced at the N-terminus of the target peptide, leaving unreacted truncated acetylated peptides which are the main co-products of SPPS. After cleavage from the SPPS resin, the target peptide is immobilized on a second solid support through native chemical ligation (NCL). The truncated peptides are then removed by simple filtration. Cleavage of the linker finally releases the purified peptide into solution.Having in mind the future extension our strategy to the synthesis of very long DRPs through successive solid-supported NCLs of multiple peptide segments, we have studied in detail the stability and cleavage conditions of the N-terminal linker.To explore the scope and limitations of the method, it has been applied to the purification of two biologically-relevant cysteine-rich peptide sequences: chicken AvBD2 (36 AA), a β defensin antimicrobial peptide, and Bv8 (77 AA), a prokineticin-like peptide from yellow-bellied toad.

L'oxydation des résidus cystéines est une modification biochimique très répandue survenant dans tous les compartiments des cellules eucaryotes. Ce phénomène sert le repliement oxydatif des protéines dans le réticulum endoplasmique (RE), l'importation de protéines dans l'espace intermembranaire de la mitochondrie (IMS). De plus, il a un rôle régulateur dans la matrice mitochondriale et dans le cytosol où il contrôle l’activité des enzymes et des protéines de signalisation et de régulation. Dans tous ces procédés, la réversibilité de l'oxydation des résidus Cys est une caractéristique essentielle. Deux systèmes oxydoréductase puissants existent : les voies de glutathion (GSH) et la thiorédoxine ; ils catalysent la réduction des ponts disulfure, et contrôlent la plupart des processus cellulaires thiol-redox dépendant. Cependant, en dépit d'énormes connaissances portant sur leur enzymologie, peu est connu sur les caractéristiques physiologiques de ces systèmes chez les eucaryotes. Pour déterminer l'importance physiologique de ces systèmes et indiquer lequel est à la base de l'exigence du GSH pour la viabilité, nous avons effectué une analyse complète des cellules de levure épuisée ou contenant des niveaux toxiques de GSH. Les deux conditions déclenchent une réponse « iron-starvation-like » et une altération de l'activité des enzymes d’assemblage des centres fer-soufre (Iron sulfure cluster : ISC) extra-mitochondriales. Cependant, elles n’ont pas d'impact sur l’entretien thiol redox, à l’exception des niveaux élevés de glutathion qui ont altéré le repliement oxydatif des protéines dans le reticulum endoplasmique. Alors que le fer sauve partiellement la maturation des ISC et les défauts de croissance des cellules appauvries eh GSH, des expériences génétiques ont indiqué que, contrairement à la thiorédoxine, le glutathion ne peut pas assurer par lui-même les fonctions thiol-redox de la cellule. Nous proposons que le glutathion soit essentiel par son exigence dans l’assemblage des centres fer-soufre, mais ne serve comme backup que pour maintenir l’état thiol-redox de la cellule. Des niveaux physiologiques élevés de GSH sont ainsi destinés à isoler sa fonction dans le métabolisme du fer des variations de sa concentration pendant le stress redox, ce qui constitue un modèle contestant la vision traditionnelle du GSH comme acteur primordial du contrôle thiol-redox cytosolique.Nos données préliminaires sur la distribution de GSH dans les cellules recueillies par lasurveillance de l'état redox de rxYFP ciblée pour différents compartiments cellulaires (RE,Matrice, cytosol et IMS) dans les cellules HGT1 indiquent un transport spécifique du GSH vers le RE et l'exportation de GSSG de ce compartiment. Nous avons pu caractériser deuxtransporteurs ABC dont la suppression modifie le RE plus oxydant et entraîne une accumulation de GSSG par rapport aux cellules sauvages. Ces données ont été confirmées par le suivi de l'état redox de PDI1 et ERO1 (WT et hyper active). Elles suggèrent un rôle de ces transporteurs dans l'exportation du GSSG du la RE, et que le flux de GSH entre les différents compartiments est très régulé. / Cys residue oxidation is a widespread biochemical modification occurring in all eukaryotic cells compartments. It serves oxidative protein folding in the endoplasmic reticulum (ER), protein import in the intermembrane space of mitochondria (IMS), and it has a regulatory role in the mitochondrial matrix and in the cytosol where it controls enzymes and signaling regulatory proteins activity. In all these processes, reversibility of Cys residue oxidation is a crucial feature. Two potent oxidoreductase systems, the glutathione (GSH) and thioredoxin pathways, catalyze disulfide bond reduction, and presumably control most thiol-redox-dependent cellular processes. However, despite tremendous knowledge of their enzymology, little is known about the physiological features of these systems in eukaryotes. To determine the physiologic importance of these functions and sort out which of them accounts for the GSH requirement for viability, we performed a comprehensive analysis of yeast cells depleted of or containing toxic levels of GSH. Both conditions triggered an intense iron-starvation-like response and impaired the activity of extra-mitochondrial ISC enzymes, but did not impact thiol-redox maintenance, except high glutathione levels that altered oxidative protein folding in the endoplasmic reticulum. While iron partially rescued the ISC maturation and growth defects of GSH-depleted cells, genetic experiments indicated that unlike thioredoxin, glutathione could not support by itself the thiolredox duties of the cell. We propose that glutathione is essential by its requirement in ISC assembly but only serves as a thioredoxin back up in cytosolic thiol-redox maintenance. Glutathione high physiologic levels are thus meant to insulate its function in iron metabolism from variations of its concentration during redox stresses, a model challenging the traditional view of it as prime actor in cytosolic thiol-redox control.Our preliminary data on the distribution of GSH inside cells collected by monitoring the redox state of rxYFP targeted to different cell compartments (ER, Matrix, Cytosol and IMS) in HGT1 cells indicate a specific transport of GSH into the ER and export of GSSG out of it. We were able to characterize two ABC transporters on which their deletion modify the redox state of the ER to more oxidizing and result in accumulation of higher GSSG content compared to WT. These data were confirmed by looking to the redox state of the PDI1 and ERO1 (WT and hyper active), all together suggest a role of these transporters in GSSG export from the ER, and that GSH flux between the different compartments is highly regulated.

Le présent mémoire est subdivisé en deux principaux sujets. Le premier porte sur le développement d’une hydrolyse de thiazolidines assistée par micro-ondes en vue d’obtenir des cystéines a-substituées. Le second est axé sur le développement d’une méthodologie pour la synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs. Dans un premier temps, les rôles et les utilités des acides aminés quaternaires, plus spécifiquement des cystéines a-substituées, seront abordés, puis une revue des différentes méthodes énantiosélectives pour accéder à ces unités sera effectuée. Par la suite, le développement d’une méthode rapide et efficace d’hydrolyse sous irradiation aux micro-ondes de thiazolines sera présenté. Finalement, les études menant à l’application de cette méthode à la synthèse de cystéines -substituées sur grande échelle au moyen de réacteurs en écoulement dynamique et à haut criblage seront détaillées. Dans la seconde partie, les applications ainsi que les synthèses générales des alkylidènecyclopropanes en synthèse organique seront décrites. Plus particulièrement, les applications spécifiques des alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs ainsi que leurs synthèses seront traitées de manière exhaustive. Par la suite, le développement d’une méthodologie énantiosélective catalytique pour la synthèse d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs sera présenté. L’extension de cette méthodologie à la synthèse de dérivés cyclopropanes et cyclopropènes, ainsi que l’application de réactions stéréospécifiques pour les alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs seront brièvement discutées. / The present M.Sc. thesis will be divided into two main subjects. The first part will be focused on the development of an efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines for the synthesis of a-substituted cysteines. The second part will be on the development of methodology for the asymmetric synthesis of 1,1-di-acceptor alkylidenecyclopropanes. First, the role and the importance of quaternary amino acids, more specifically of a-substitued cysteines, will be described, then a review of the available enantioselective methods for their syntheses will be reported. Afterward, the development of a fast and efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines will be presented. Finally, the studies toward the applicability of the methodology for the multi-gram synthesis of -substituted cysteines using flow and high-throughput reactors will be detailed. In the second part, the general applications and syntheses of alkylidenecyclopropanes will be described. More specifically, the applications of 1,1-di-acceptor alkylidenecycloproanes as well as their syntheses will be exhaustively covered. Then, the development of a catalytic enantioselective methodology for the synthesis of di-acceptor alkylidenecyclopropanes will be presented. The extension of this methodology for the synthesis of cyclopropane and cyclopropene derivatives, as well as the applications of 1,1-diacceptor alkylidenecyclopropane in stereospecific derivatizations will be briefly discussed.

Le présent mémoire est subdivisé en deux principaux sujets. Le premier porte sur le développement d’une hydrolyse de thiazolidines assistée par micro-ondes en vue d’obtenir des cystéines a-substituées. Le second est axé sur le développement d’une méthodologie pour la synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs. Dans un premier temps, les rôles et les utilités des acides aminés quaternaires, plus spécifiquement des cystéines a-substituées, seront abordés, puis une revue des différentes méthodes énantiosélectives pour accéder à ces unités sera effectuée. Par la suite, le développement d’une méthode rapide et efficace d’hydrolyse sous irradiation aux micro-ondes de thiazolines sera présenté. Finalement, les études menant à l’application de cette méthode à la synthèse de cystéines -substituées sur grande échelle au moyen de réacteurs en écoulement dynamique et à haut criblage seront détaillées. Dans la seconde partie, les applications ainsi que les synthèses générales des alkylidènecyclopropanes en synthèse organique seront décrites. Plus particulièrement, les applications spécifiques des alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs ainsi que leurs synthèses seront traitées de manière exhaustive. Par la suite, le développement d’une méthodologie énantiosélective catalytique pour la synthèse d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs sera présenté. L’extension de cette méthodologie à la synthèse de dérivés cyclopropanes et cyclopropènes, ainsi que l’application de réactions stéréospécifiques pour les alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs seront brièvement discutées. / The present M.Sc. thesis will be divided into two main subjects. The first part will be focused on the development of an efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines for the synthesis of a-substituted cysteines. The second part will be on the development of methodology for the asymmetric synthesis of 1,1-di-acceptor alkylidenecyclopropanes. First, the role and the importance of quaternary amino acids, more specifically of a-substitued cysteines, will be described, then a review of the available enantioselective methods for their syntheses will be reported. Afterward, the development of a fast and efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines will be presented. Finally, the studies toward the applicability of the methodology for the multi-gram synthesis of -substituted cysteines using flow and high-throughput reactors will be detailed. In the second part, the general applications and syntheses of alkylidenecyclopropanes will be described. More specifically, the applications of 1,1-di-acceptor alkylidenecycloproanes as well as their syntheses will be exhaustively covered. Then, the development of a catalytic enantioselective methodology for the synthesis of di-acceptor alkylidenecyclopropanes will be presented. The extension of this methodology for the synthesis of cyclopropane and cyclopropene derivatives, as well as the applications of 1,1-diacceptor alkylidenecyclopropane in stereospecific derivatizations will be briefly discussed.