Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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La famille des protéines THAP est caractérisée par la présence d'un motif protéique, le domaine THAP, conservé au cours de l'évolution et retrouvé dans une centaine de protéines chez l'homme et les organismes animaux modèles. La protéine THAP1 humaine est impliquée dans la régulation du cycle cellulaire dans la voie pRb/E2F et dans la prolifération cellulaire. Le domaine THAP de THAP1 est un motif de liaison à l'ADN de type C-X2-4-C-X35-50-C-X2-H, séquence-spécifique et dépendant du zinc. Nous avons déterminé la structure tridimensionnelle du domaine THAP de THAP1 par Résonance Magnétique Nucléaire en solution. Ce doigt de zinc atypique de ~ 80 résidus se distingue par la présence d'un long motif ΒΑΒ entre les deux paires de ligands de coordination au zinc C2CH. Nous avons étudié la liaison du domaine THAP de THAP1 à sa séquence ADN spécifiquement reconnue en déterminant une constante de dissociation spécifique par Résonance Plasmonique de Surface et en réalisant des expériences d'empreinte RMN de façon à identifier les résidus impliqués dans la liaison à l'ADN. La combinaison des données de variation de déplacement chimique avec des données de mutagénèse dirigée nous a permis de localiser l'interface de liaison à l'ADN du domaine, correspondant à une zone chargée positivement, et de construire un modèle d'interaction protéine-ADN rendant compte d'une reconnaissance originale.

Les dinoflagellés jouent un rôle très important dans l’écologie des océans en y réalisant une grande partie de la production primaire, en formant une association symbiotique avec les coraux et en ayant la capacité de produire des fleurs d’algues potentiellement toxiques pour les communautés côtières humaines et animales. Malgré tout, la biologie moléculaire des dinoflagellés n’a que très peu été étudiée dans les dernières années, les connaissances de processus de base comme la régulation de la transcription y étant fortement limitées. Une tentative pour élucider ce mécanisme a été réalisée chez les dinoflagellés photosynthétiques Lingulodinium polyedrum et Amphidinium carterae. Une expérience d’induction de la transcription du gène de la Peridinin chlorophyll-a binding protein, le complexe majeur de collecte de lumière, a été réalisée par une baisse de l’intensité lumineuse et a montré une faible augmentation (moins de 2 fois) du transcrit à court et long terme. Des expériences de simple-hybride et de retard sur gel (EMSA) ont été faits pour identifier de potentielles interactions protéine-ADN dans la région intergénique du gène PCP organisé en tandem. Ces essais ont été infructueux pour identifier de telles protéines. Une analyse du transcriptome de L. polyedrum a été effectuée, montrant une importante sous-représentation de domaines de liaison à l’ADN classique (comme Heat-shock factor, bZIP ou Myb) et une surreprésentation du domaine d’origine bactérienne Cold shock en comparaison avec d’autres eucaryotes unicellulaires. Ce travail suggère que les mécanismes de régulation transcriptionnelle des dinoflagellés pourraient différer substantiellement de ceux des autres eucaryotes. / Dinoflagellates are an important part of the ocean’s ecology due to their large contribution to global carbon fixation, the symbiotic association they can make with corals and by their ability to form algal blooms potentially toxic for humans and animals in coastal communities. However, the molecular biology of dinoflagellates has been poorly studied in the past. Basic knowledge, such as regulation of gene expression, is severely limited. An attempt at deciphering basic gene regulation has been undertaken in the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum and Amphidinium carterae using a reduction in available light intensity to induce the expression of the peridinin chlorophyll-a binding gene encoding the major light harvesting complex protein. A small increase in transcript abundance (less than 2 fold) was found in both short and long term experiments, yet neither yeast one-hybrid assays nor electrophoretic mobility shift assays (EMSA) showed any potential protein interactions with sequence derived from the intergenic spacer of the PCP tandem gene array. Interestingly, an analysis of the recently sequenced L. polyedrum transcriptome revealed an important under-representation of classic DNA-binding domains (such has Heat-shock factor, bZIP and Myb) and an over-representation of the bacterial cold-shock DNA-binding domain. This suggested that components of the transcription regulation machinery may be at least partially different in dinoflagellates.

Les glucane-saccharases (GS) de la famille GH70 sont des enzymes produites par certaines bactéries lactiques. A partir de saccharose, substrat renouvelable et peu coûteux, elles sont capables de catalyser la synthèse d’α-glucanes, homopolysaccharides dont les propriétés diffèrent suivant la spécificité de l’enzyme (taille, type de liaisons α-osidiques, degrés de branchement). Les glucanes contenant une très grande majorité de liaisons α-(1,6), appelés dextranes, présentent de nombreuses applications industrielles qui dépendent principalement de leur taille. Cependant, la synthèse directe de dextranes de taille contrôlée (de 1 à plusieurs millions de kg/mol) avec une faible polydispersité et en utilisant une seule enzyme n’est encore pas envisageable. En effet, les mécanismes moléculaires mis en jeu pour le contrôle de la taille des polymères produits n’ont encore été que peu explorés. Dans ce contexte, deux GSs ont été sélectionnées. La première, DSR-M synthétise uniquement des dextranes de faible masse molaire (MM) (28 kg/mol) exclusivement composés de liaisons α-(1,6). A contrario, le second modèle, DSR-OK produit le plus long dextrane décrit à ce jour (>109 g/mol). La caractérisation biochimique et structurale ainsi que la construction de mutants ont permis l’exploration du mode d’action de ces deux candidats. Plusieurs structures 3D de DSR-M2 (forme tronquée de DSR-M) - sans ou en complexe avec son substrat ou ses produits (isomaltotetraose) - ont été résolues. C’est la première fois que de tels complexes sont décrits et l’une de ces structures présente le domaine V le plus complet décrit à ce jour. L’analyse de ces structures couplée au suivi cinétique de la synthèse du polymère ont montré que la spécificité de DSR-M pour la synthèse de dextranes courts s’explique par un mode d’élongation distributif dû à la faible affinité de deux poches à sucre de son domaine V envers la chaîne en cours de synthèse. Des analyses RMN (15N1H – HSQC) – jamais réalisées auparavant sur une protéine si grosse – ont également étayé l’importance de la présence de résidus aromatiques dans le domaine catalytique pour la synthèse de dextranes supérieurs à 2 kg/mol. En comparaison, la synthèse de dextranes de haute MM par DSR-OK est principalement due au plus grand nombre de poches à sucre de son domaine V, permettant d’assurer une meilleure interaction avec la chaîne en cours d’élongation. L’implication de ces poches dans la détermination de la taille du dextrane a été montrée pour les deux candidats. Leur fonctionnalité est fortement liée à la présence d’un résidu aromatique de stacking, et leur répartition le long du domaine V a aussi une influence. L’ensemble de ces résultats démontre la coopération du domaine V avec le domaine catalytique pour l’élongation des dextranes, tout en offrant de nouvelles perspectives pour approfondir la compréhension de ce mécanisme. Ils offrent également des stratégies prometteuses pour l’ingénierie d’enzyme de la famille des GH70 pour la modulation de la taille des glucanes. / Glucansucrases (GS) from glycoside hydrolase family 70 (GH70) are -transglucosylases produced by lactic acid bacteria. From sucrose, an economical and abundant agro resource, they catalyze the polymerization of glucosyl residues. Depending on the enzyme specificity, α-glucans vary in terms of size, types of glucosidic bonds and degree of branching and have found multiple industrial applications mainly related to their molar mass (MM). However synthesizing polymers of controlled size with average MM ranging from 1 kg/mol to several millions g/mol and low polydispersity using one single enzyme remains challenging. Indeed, the molecular mechanisms underpinning the control of polymer size have been scarcely explored. To tackle this question, two GSs producing dextran (glucan composed of a majority of α-(1,6) linkages) were selected, and their mode of action explored via biochemical and structural analyses coupled to mutagenesis. The first enzyme selected, called DSR-M synthesizes only low molar mass (LMM) dextran (28 kg/mol) exclusively composed of -(1→6) linkages without any trace of HMM dextran (105 to 108 g/mol). In contrast, DSR-OK (second model), produces the highest MM dextran (>109 g/mol) described to date. Several 3D crystallographic structures of a truncated form of DSR-M (DSR-M2), either free or in complex with its substrate or product (isomaltotetraose) in the domain V or in the active site were solved. Such complexes were never obtained before. Noteworthy, one structure encompassed the most complete domain V reported to date. Analyses of these structures coupled to dextran synthesis monitoring, showed that the LMM dextran specificity of DSR-M2 is explained by a distributive elongation mode due to the weak affinity of its two sugar binding pockets in the domain V which interact with the growing dextran chains and allow the synthesis of dextran longer than 16 kg/mol. 15N1H NMR analyses (HSQC), for the first time performed with such a big protein, further revealed the crucial role of aromatic residues in the catalytic domain for the production of dextran from 2 to 16 kg/mol. In comparison, synthesis of HMM dextran by DSR-OK was shown to be mainly due to the sugar binding pockets of its domain V, ensuring much stronger interactions with growing dextran chains. The role of these pockets was evidenced for both enzymes, their functionality proposed to be linked to the presence of one aromatic stacking residue. Their positioning along domain V relatively to the active site is also important to promote efficient binding. All these findings highlight the cooperation between domain V and the catalytic domain for dextran elongation, offer new perspectives to acquire a deeper knowledge on this interplay and open promising strategies for GH70 enzyme engineering aiming at modulating glucan size.

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Les dinoflagellés jouent un rôle très important dans l’écologie des océans en y réalisant une grande partie de la production primaire, en formant une association symbiotique avec les coraux et en ayant la capacité de produire des fleurs d’algues potentiellement toxiques pour les communautés côtières humaines et animales. Malgré tout, la biologie moléculaire des dinoflagellés n’a que très peu été étudiée dans les dernières années, les connaissances de processus de base comme la régulation de la transcription y étant fortement limitées. Une tentative pour élucider ce mécanisme a été réalisée chez les dinoflagellés photosynthétiques Lingulodinium polyedrum et Amphidinium carterae. Une expérience d’induction de la transcription du gène de la Peridinin chlorophyll-a binding protein, le complexe majeur de collecte de lumière, a été réalisée par une baisse de l’intensité lumineuse et a montré une faible augmentation (moins de 2 fois) du transcrit à court et long terme. Des expériences de simple-hybride et de retard sur gel (EMSA) ont été faits pour identifier de potentielles interactions protéine-ADN dans la région intergénique du gène PCP organisé en tandem. Ces essais ont été infructueux pour identifier de telles protéines. Une analyse du transcriptome de L. polyedrum a été effectuée, montrant une importante sous-représentation de domaines de liaison à l’ADN classique (comme Heat-shock factor, bZIP ou Myb) et une surreprésentation du domaine d’origine bactérienne Cold shock en comparaison avec d’autres eucaryotes unicellulaires. Ce travail suggère que les mécanismes de régulation transcriptionnelle des dinoflagellés pourraient différer substantiellement de ceux des autres eucaryotes. / Dinoflagellates are an important part of the ocean’s ecology due to their large contribution to global carbon fixation, the symbiotic association they can make with corals and by their ability to form algal blooms potentially toxic for humans and animals in coastal communities. However, the molecular biology of dinoflagellates has been poorly studied in the past. Basic knowledge, such as regulation of gene expression, is severely limited. An attempt at deciphering basic gene regulation has been undertaken in the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum and Amphidinium carterae using a reduction in available light intensity to induce the expression of the peridinin chlorophyll-a binding gene encoding the major light harvesting complex protein. A small increase in transcript abundance (less than 2 fold) was found in both short and long term experiments, yet neither yeast one-hybrid assays nor electrophoretic mobility shift assays (EMSA) showed any potential protein interactions with sequence derived from the intergenic spacer of the PCP tandem gene array. Interestingly, an analysis of the recently sequenced L. polyedrum transcriptome revealed an important under-representation of classic DNA-binding domains (such has Heat-shock factor, bZIP and Myb) and an over-representation of the bacterial cold-shock DNA-binding domain. This suggested that components of the transcription regulation machinery may be at least partially different in dinoflagellates.

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le transport et la traduction localisée des ARN messagers sont observés chez plusieurs organismes et sont requis pour de multiples phénomènes tels la mémoire, la division cellulaire asymétrique et l’établissement des axes durant le développement. Staufen, une protéine liant l’ARN double-brin, a été identifié dans un premier temps chez la mouche à fruits Drosophila melanogaster. Il a été montré, chez cet organisme, que Staufen est requis pour la localisation des messagers bicoid et oskar aux pôles antérieur et postérieur de l’ovocyte, respectivement. Également, Staufen est requis afin que la répression traductionnelle du messager oskar soit levée une fois qu’il est bien localisé. Chez les mammifères, Stau1 est une protéine ubiquiste qui est présente dans des complexes prenant la forme de granules dans les dendrites des neurones. Également, Stau1 peut interagir de façon indépendante de l’ARN avec le ribosome et cofractionner tant avec la sous-unité 40S qu’avec la sous-unité 60S du ribosome dans un gradient de saccharose. L’implication de Stau1 dans un mécanisme permettant la dérépression traductionnelle de certains ARNm chez les mammifères était donc une voie d’investigation intéressante. Nous avons donc décidé de vérifier si Stau1 mammifère avait la capacité de stimuler la traduction d’un ARNm cellulaire via un mécanisme régulé. Au moment où cette thèse a été entreprise, aucun ARNm cellulaire lié par Stau1 n’avait été identifié chez les mammifères. Des structures d’ARN double-brin ont donc été employées afin de réprimer la traduction d’un ARNm rapporteur. C’est ainsi que nous avons montré que Stau1 peut stimuler la traduction d’un ARNm lorsqu’il lie celui-ci dans sa région 5’ non-traduite. Par la suite, en employant des micropuces d’ADN, nous avons identifié des messagers cellulaires dont la distribution dans les polysomes lourds est modifiée par Stau1. En effet, un groupe de messagers est enrichi dans les polysomes lourds suite à une surexpression de Stau1, ce qui suggère que Stau1 stimule la traduction de cette population d’ARNm. Afin d’identifier un mécanisme potentiel de régulation de l’activité traductionnelle de Stau1, nous nous sommes intéressés à la capacité d’auto-association de cette protéine. Nous avons montré que Stau1, tout comme plusieurs protéines liant l’ARN double-brin, est en mesure de s’associer à lui-même, et ce, d’une façon indépendante de l’ARN. Nous avons identifié les déterminants impliqués mettant ainsi au jour un nouveau mécanisme pouvant influencer les activités cellulaires de Stau1. Les résultats présentés dans cette thèse suggèrent donc que Stau1 est en mesure de stimuler la traduction d’une sous-population précise d’ARN messagers au sein de la cellule permettant ainsi de jeter un regard nouveau sur l’implication de cette protéine dans divers phénomènes au sein de l’organisme. / Transport and local translation of RNA are found in several organisms and are required for multiple phenomena such as memory, asymmetric cell division and establishment of the axis during development. Staufen, a double-stranded RNA binding protein, was first identified in Drosophila melanogaster. In the fruitfly, it was shown that Staufen is required for the proper localization of the bicoid and oskar transcripts to the anterior and posterior ends of the oocyte, respectively. It was also found that Staufen is important for the translational derepression of oskar once it is adequately localized. In mammals, Stau1 is a ubiquitous protein found in granules in the dendrites of neurons. Also, Stau1 can bind the ribosome in a RNA-independent manner and cofractionates with both ribosomal subunits in a sucrose gradient. The implication of Stau1 in a mechanism allowing translational derepression of certain RNAs in mammals was therefore an interesting path to explore. Accordingly, we decided to verify if mammalian Stau1 had the capacity to stimulate the translation of cellular RNAs through a regulated mechanism. When this thesis was initiated, no cellular RNA target of Stau1 had been identified in mammals. Therefore, double-stranded RNA structures were used to repress the translation of a reporter mRNA. With this model, we showed that Stau1 can stimulate the translation of a transcript when it is bound to its 5’ UTR. With the use of DNA microarrays, we identified cellular mRNAs which distribution in heavy polysomes was altered by Stau1. When Stau1 is overexpressed, this group of mRNAs is enriched heavy polysomes, suggesting a translational stimulation of this population by Stau1. To identify a regulatory mechanism that could influence Stau1’s translational activity, we studied the self-association capacity of this protein. We showed that Stau1, like several double-stranded RNA binding proteins, can self-associate in a RNA-independent manner. We have identified the determinants required for this interaction that as the potential to be important for the regulation of the cellular activities of Stau1. The results presented in this thesis suggest that Stau1 can stimulate the translation of a specific subset of mRNAs in the cell, letting us look at Stau1’s implication in different processes from a new point of view.