Les méthionine sulfoxyde réductases (Msr) sont des enzymes ubiquitaires impliquées dans la résistance au stress oxydant, les processus de vieillissement mais également dans la virulence de certaines bactéries pathogènes. Deux classes de Msr : MsrA et MsrB, structuralement distinctes, catalysent respectivement la réduction des stéréoisomères S et R de la fonction sulfoxyde de la méthionine sulfoxyde selon un même mécanisme catalytique en trois étapes impliquant la formation d’un intermédiaire acide sulfénique suivie de celle d’un pont disulfure intramoléculaire ensuite réduit par la thiorédoxine (Trx). Des études de relation structure-fonction, ont permis 1) de caractériser les résidus du site actif de la MsrB de Neisseria meningitidis (N. meningitidis) impliqués dans la reconnaissance du substrat, et dans la catalyse de l’étape réductase conduisant à la formation de l’intermédiaire acide sulfénique, et de proposer un scénario pour la catalyse de l’étape réductase dans lequel le résidu His 103 joue un rôle majeur de catalyseur acide / base; 2) de caractériser le mécanisme des autres sous-classes de MsrB, qui diffèrent de la sous-classe représentée par la MsrB de N. meningitidis par l’absence de la Cys de régénération en position 63, notamment celui de la MsrB de Xanthomonas campestris, qui possède une Cys de régénération en position 31 située dans une boucle flexible ; et 3) de caractériser la protéine PilB de N. meningitidis, protéine à trois domaines, localisée dans le périplasme portant non seulement les activités MsrA et MsrB mais aussi une activité disulfure oxydoréductase au niveau de son domaine N-terminal dont le rôle est de régénérer les activités Msr. / Ubiquitous enzyme methionine sulfoxide reductases (Msrs) are involved in oxidative stress resistance, aging process but also in bacteria pathogenicity like for Neisseria genius. The two Msrs classes: MsrA and MsrB structural-unrelated catalyze the reduction of the two stereoisomeric forms R and S of the sulfoxide function from the methionine sulfoxide. They share a similar three-step chemical mechanism including formation of a sulfenic acid intermediate following by intramolecular disulfide bond formation, reduced in the last step by the thioredoxin (Trx). The structure function studies are conduced to 1) characterization of active site amino acids involved in substrate recognition and reductase step catalysis leading to sulfenic acid formation in Neisseria meningitidis (N. meningitidis) MsrB, we have proposed a scenario for the reductase step with a major role of the acid / base catalyst His 103 2) characterization of different MsrB sub-classes mechanisms, Xanthomonas campestris MsrB present a Cys 31 located in a flexible loop compare to the Cys 63 from N. meningitidis MsrB also located in a flexible loop, the Mycoplasma pulmonis MsrB don’t posses recycling Cys; and 3) characterization of the N. meningitidis PilB, a three domains protein located in the periplasm, PilB possess MsrA and MsrB activities, and a oxydoreductase activity carried by the N-terminal domain, moreover this domain can reduced the oxidized MsrA and MsrB domains.

Les espèces Neisseria gonorrhoeae et Neisseria meningitidis, sont des bactéries pathogènes obligatoires de l'Homme, qui ont acquis différents mécanismes de défense pour détecter et combattre le stress oxydant généré par les mécanismes de défense de l'hôte lors de l'infection. La protéine PilB périplasmique, ferait partie de ces mécanismes et serait de ce fait associée à leur pathogénicité. PilB est composée de trois domaines : un domaine N-terminal (Nter) à activité disulfure oxydoréductase, et les domaines central et C-terminal à activité Méthionine Sulfoxyde Réductase (Msr) respectivement de classe A et B. L'étude des domaines isolés de PilB avait montré que le domaine Nter réduit sélectivement le domaine MsrB. Par ailleurs, le domaine Nter présente un repliement de type DsbE. Les DsbE sont des disulfure oxydoréductases périplasmiques impliquées dans la maturation des cytochromes c. En particulier, la DsbE1 de N. meningitidis a été identifiée par le Dr Adeline Gand lors de son doctorat.Lors de ma thèse, l'étude des protéines PilB de N. meningitidis et de Fusobacterium nucleatum m'a permis de montrer que : 1) la sélectivité de réduction du domaine Nter pour le domaine MsrB n'est pas conservée, 2) la sélectivité de réduction des domaines Nter observée sur les domaines isolés n'est pas retrouvée sur les PilB entiers ; et 3) dans tous les PilB, la réduction du domaine MsrB par le domaine Nter peut se faire selon un mécanisme intramoléculaire. De plus, nous avons étudié in vivo l'effet de la délétion du gène pilB sur la survie d'une souche de N. meningitidis en présence d'agents oxydants. D'autre part, le domaine N-terminal de la protéine DsbD (nDsbD) de N. meningitidis a été identifié comme étant le réducteur périplasmique de PilB et de la DsbE1 de N. meningitidis. Enfin, la caractérisation de l'activité apocytochrome c réductase de la DsbE1 de N. meningitidis a été complétée par des approches in vitro et in vivo chez N. meningitidis / The Neisseria gonorrhoeae and Neisseria meningitidis species are human obligatory pathogenic bacteria, which acquired various defense mechanisms to detect and fight oxidative stress generated by mechanisms of host defense during infection. The periplasmic PilB protein, specific to these bacteria, would be part of such mechanisms and would be associated with their pathogenicity. PilB is composed of three domains: an N-terminal domain (Nter) with disulfide oxidoreductase activity, and central and C-terminal domains with Methionine sulfoxide reductase activity (Msr) of A and B class respectively. The study of isolated domains of PilB showed that the Nter domain selectively reduced MsrB domain. Moreover, this Nter domain presents a DsbE-fold. The DsbE are periplasmic disulfide oxidoreductases involved in the maturation of cytochrome c. In particular, Dr. Adeline Gand identified the DsbE1 from N. meningitidis during his PhD. During my PhD, the study of PilB proteins from N. meningitidis and Fusobacterium nucleatum allowed me to show that: 1) the selective reduction of Nter domain for the MsrB domain is not conserved, 2) the selective reduction of Nter domains observed on the isolated domains is not found in entire PilB, and 3) in all PilB, the MsrB domain reduction by Nter domain could be an intramolecular mechanism. Moreover, we studied the in vivo effect of the pilB gene deletion on the survival of a strain of N. meningitidis in the presence of oxidants. And, the N-terminal domain of DsbD protein (nDsbD) from N. meningitidis was identified as the reducing partner of periplasmic PilB and DsbE1 of N. meningitidis. Finally, the characterization of apocytochrome c reductase activity of DsbE1 N. meningitidis was complemented by in vitro and in vivo approaches in N. meningitidis

La protéine périplasmique PilB est décrite jouer un rôle in vivo dans la résistance des bactéries pathogènes du genre Neisseria au peroxyde d’hydrogène généré par les macrophages de l’hôte. PilB est composée de trois domaines : un domaine N-terminal (N-ter) à activité disulfure oxydoréductase, un domaine central à activité méthionine sulfoxyde réductase (Msr) de classe A, et un domaine C-terminal à activité Msr de classe B. Les MsrA et MsrB catalysent la réduction des méthionine sulfoxydes (MetSO) incluses dans des protéines, en méthionines (Met). Les deux classes A et B de Msr sont structuralement distinctes et réduisent respectivement l’isomère S et R de la fonction sulfoxyde du substrat. Elles présentent un mécanisme catalytique similaire à trois étapes impliquant la formation d’un intermédiaire acide sulfénique, suivie de celle d’un pont disulfure intramoléculaire, qui est ensuite réduit par la thiorédoxine (Trx) dans le cas des Msr cytoplasmiques et par le domaine N-ter dans le cas des domaines Msr de PilB. Le domaine N-ter présente un repliement de type DsbE. Les DsbE sont des disulfure oxydoréductases périplasmiques impliquées dans la maturation des cytochromes c. Les études réalisées au cours de ma thèse ont permis de caractériser les résidus du site actif de la MsrA de N. meningitidis impliqués dans la reconnaissance du substrat sulfoxyde et la catalyse de l’étape réductase. L’étude des disulfure oxydoréductases périplasmiques de N. meningitidis a également été entreprise afin de caractériser in vitro la DsbE de N. meningitidis et de pouvoir identifier les facteurs structuraux et moléculaires impliqués dans la reconnaissance de leurs cibles et/ou partenaires. / The periplasmic protein PilB is described to be involved in vivo in the resistance of pathogens from Neisseria genus to hydrogen peroxide generated by the host macrophages. PilB is composed of three domains : the N-ter domain (N-ter) that display a disulfure oxidoreductase activity, the central and the C-terminal that display methionine sulfoxide reductase A and B activities. MsrA and MsrB catalyse the reduction of protein bound methionine sulfoxide (MetSO) back to methionine (Met). These two classes of Msr A and B are structurally unrelated and are specific for the reduction of the S and R isomer of the sulfoxide function respectively. They share a similar catalytic mechanism consisting of three steps that involve the formation of a sulfenic acid intermediate followed by the formation of an intramolecular disulfide bond that is then reduced by thioredoxin for cytoplasmic Msrs and by the N-ter domain for the Msrs domain of the PilB protein. The N-ter domain display a DsbE fold. These proteins are periplasmic disulfure oxidoreductases involved in the cytochrome c maturation pathway. The results obtained during my PhD have lead to the characterisation of residues of the actove site of Neisseria meningitidis involved in the recognition of the sulfoxide substrate and in the catalysis of the reductase step. The study of periplasmic disulfure oxidoreductases from N. meningitidis was undertaken in order to characterise in vitro the DsbE from N. meningitidis. The structural and molecular factors involved in the recognition of their targets and/or partners could then be determined.

Les thiol-disulfure oxydoréductases sont des protéines qui jouent un rôle majeur dans la cellule. Elles sont impliquées dans l'activité de nombreuses protéines cytoplasmiques, ainsi que dans la maturation et la stabilité des protéines extracytoplasmiques. Les particularités structurales conservées chez les TDORs, comme le repliement thiorédoxine et le motif CxxC, les propriétés physico-chimiques, leur environnement physiologique et leurs substrats sont autant de facteurs qui influencent la capacité de ces protéines à catalyser préférentiellement la réduction, l'oxydation, ou l'isomérisation des ponts disulfures in vivo.Je me suis intéressée aux TDORs atypiques cytoplasmiques pouvant présenter une activité thiol-oxydase ou disulfure-isomérase dans le cytoplasme des bactéries. J'ai caractérisées deux thiorédoxines atypiques, l'une provenant de l'organisme anaérobie Desulfovibrio vulgaris Hildenborough, Dtrx, et l'autre provenant de la bactérie pathogène Pseudomonas aeruginosa PAO1, PsTrx. Dtrx, possédant une séquence consensus thiol-oxydase CPHC, présente des propriétés in vitro en accord avec cette séquence. Nous avons proposé un mécanisme qui peut être appliqué de façon réversible dans le sens de la réduction et de l'oxydation des cystéines des substrats.PsTrx contient une séquence consensus CGHC dans son site actif, qui est généralement conservée chez PDI, protéine eucaryote. Les propriétés physico-chimiques, et la structure tridimensionnelle déterminées pour PsTrx par RMN, présentent des caractéristiques identiques à celles observées pour le domaine catalytique de PDI. / Thiol/disulfide oxidoreductases catalyze important redox reactions in the cell. They are implicated in the reduction of disulfide bonds in cytoplasm, and disulfide bond formation during folding of secreted proteins. All of the members of this family share the thioredoxin fold and an active site with two conserved cysteine residues that specify the biological activity of the protein in the reduction, oxidation or isomerisation of disulfide bond in vivo.In this work, I have studied atypical cytoplasmic TDORs catalyzing the oxidation or isomerisation of disulfide bond in bacteria. I have characterized two atypical thioredoxin proteins, one from the anaerobe Desulfovibrio vulgaris Hildenborough, Dtrx, and one from the pathogenic Pseudomonas aeruginosa PAO1, PsTrx.Dtrx, with the CPHC active site, presents important activities in the thiol-oxidation of proteins. We proposed a reversible mechanism for the disulfide-reduction or thiol-oxidation of substrate proteins.PsTrx presents the CGHC active site shown in the eukaryote PDI protein. Physico-chemical properties and tridimensional structure solved by NMR are the same that those of the catalytical domain of PDI.This work presents the properties of the two atypical thioredoxins, Dtrx and PsTrx. These proteins have similar functional and structural characteristics in vitro, but probably different redox functions in vivo.