Les nanomatériaux posent de nouvelles questions en termes de toxicologie humaine et environnementale et représentent une nouvelle interface avec le milieu biologique aux propriétés spécifiques. De nombreuses inconnues demeurent, en particulier à l'échelle moléculaire, pour permettre d'expliquer certains mécanismes de toxicité. Lorsqu'elles entrent en contact avec le milieu biologique, les nanoparticules se couvrent d'une couche de protéines adsorbées. Celle-ci leur confère une nouvelle " identité biologique " qui contrôle la réponse cellulaire et leur devenir au sein de l'organisme. Nous avons étudié l'adsorption de protéines modèles sur la silice nanostructurée. Après avoir caractérisé la silice nanoporeuse et les nanoparticules de silice utilisées, l'adsorption de la myoglobine, de l'hémoglobine et des protéines d'un extrait cellulaire de levure a été étudiée afin de déterminer les paramètres physico-chimiques et thermodynamiques de l'adsorption des protéines sur la silice. Un enrichissement en résidus basiques, regroupés en clusters de charge, favorise l'adsorption des protéines grâce à la formation d'interactions électrostatiques avec la surface chargée de la silice, indépendamment de la charge globale de la protéine. A l'inverse, un enrichissement en résidus aromatiques est défavorable à l'adsorption car ces résidus forment des interactions π-π qui rigidifient la structure de la protéine. L'identification des protéines adsorbées et non adsorbées à partir d'un milieu complexe pourrait également être utilisée pour les études de toxicité cellulaire. A partir de l'étude de la structure, de la dynamique et de l'activité de la myoglobine et de l'hémoglobine adsorbées sur les nanoparticules de silice, nous avons cherché à définir l'état d'une protéine adsorbée. L'étude de la structure, réalisée par dichroïsme circulaire, spectroscopie UV-visible, d'absorption X, infrarouge, fluorescence et microcalorimétrie, montre une perte partielle de structure importante des protéines adsorbées associée à une grande hétérogénéité de conformations, sans modification majeure de la structure de l'hème. Deux sites potentiels d'interaction entre myoglobine et nanoparticules de silice ont été identifiés à l'aide d'une technique de cartographie de surface par irradiation. L'étude de la dynamique de la myoglobine adsorbée par diffusion élastique et inélastique de neutrons a permis de montrer que l'adsorption s'accompagnait d'une diminution importante de la flexibilité de la protéine. Malgré la perte de structure, la metmyoglobine adsorbée conserve une activité de fixation de ligands très proche de celle de la protéine libre. L'hémoglobine adsorbée présente de façon inattendue une augmentation de son affinité pour l'oxygène et une diminution de sa coopérativité, sans dissociation du tétramère. Cet effet est reproductible lors de l'adsorption de l'hémoglobine humaine, de l'hémoglobine pontée DCL et de l'hémoglobine mutée S. Deux effecteurs permettent par ailleurs de moduler l'affinité de l'hémoglobine adsorbée. Aussi importantes soient-elles, les modifications de structure et d'activité observées sont entièrement réversibles après désorption dans des conditions douces. L'adsorption des hémoprotéines sur les nanoparticules de silice représente véritablement un nouveau type de stress avec résilience pour les protéines en termes de relations entre structure, dynamique et activité.

Les nanomatériaux posent de nouvelles questions en termes de toxicologie humaine et environnementale et représentent une nouvelle interface avec le milieu biologique aux propriétés spécifiques. De nombreuses inconnues demeurent, en particulier à l’échelle moléculaire, pour permettre d’expliquer certains mécanismes de toxicité. Lorsqu’elles entrent en contact avec le milieu biologique, les nanoparticules se couvrent d’une couche de protéines adsorbées. Celle-ci leur confère une nouvelle « identité biologique » qui contrôle la réponse cellulaire et leur devenir au sein de l’organisme. Nous avons étudié l’adsorption de protéines modèles sur la silice nanostructurée. Après avoir caractérisé la silice nanoporeuse et les nanoparticules de silice utilisées, l’adsorption de la myoglobine, de l’hémoglobine et des protéines d’un extrait cellulaire de levure a été étudiée afin de déterminer les paramètres physico-chimiques et thermodynamiques de l’adsorption des protéines sur la silice. Un enrichissement en résidus basiques, regroupés en clusters de charge, favorise l’adsorption des protéines grâce à la formation d’interactions électrostatiques avec la surface chargée de la silice, indépendamment de la charge globale de la protéine. A l’inverse, un enrichissement en résidus aromatiques est défavorable à l’adsorption car ces résidus forment des interactions π-π qui rigidifient la structure de la protéine. L’identification des protéines adsorbées et non adsorbées à partir d’un milieu complexe pourrait également être utilisée pour les études de toxicité cellulaire. A partir de l’étude de la structure, de la dynamique et de l’activité de la myoglobine et de l’hémoglobine adsorbées sur les nanoparticules de silice, nous avons cherché à définir l’état d’une protéine adsorbée. L’étude de la structure, réalisée par dichroïsme circulaire, spectroscopie UV-visible, d’absorption X, infrarouge, fluorescence et microcalorimétrie, montre une perte partielle de structure importante des protéines adsorbées associée à une grande hétérogénéité de conformations, sans modification majeure de la structure de l’hème. Deux sites potentiels d’interaction entre myoglobine et nanoparticules de silice ont été identifiés à l’aide d’une technique de cartographie de surface par irradiation. L’étude de la dynamique de la myoglobine adsorbée par diffusion élastique et inélastique de neutrons a permis de montrer que l’adsorption s’accompagnait d’une diminution importante de la flexibilité de la protéine. Malgré la perte de structure, la metmyoglobine adsorbée conserve une activité de fixation de ligands très proche de celle de la protéine libre. L’hémoglobine adsorbée présente de façon inattendue une augmentation de son affinité pour l’oxygène et une diminution de sa coopérativité, sans dissociation du tétramère. Cet effet est reproductible lors de l’adsorption de l’hémoglobine humaine, de l’hémoglobine pontée DCL et de l’hémoglobine mutée S. Deux effecteurs permettent par ailleurs de moduler l’affinité de l’hémoglobine adsorbée. Aussi importantes soient-elles, les modifications de structure et d’activité observées sont entièrement réversibles après désorption dans des conditions douces. L’adsorption des hémoprotéines sur les nanoparticules de silice représente véritablement un nouveau type de stress avec résilience pour les protéines en termes de relations entre structure, dynamique et activité. / Nanomaterials raise new questions in environmental and human toxicology and represent a novel interface with specific properties with the biological medium. Several unknown remain to explain all the mechanisms of toxicity, especially at the molecular lever. When they enter the biological medium, nanoparticles get covered by a protein corona. This corona yields to a new “biological identity” that controls the cellular response to nanoparticles and their fate in the organism. We studied the adsorption of model proteins on nanostructured silica. The first part is dedicated to the characterization of nanoporous silica and silica nanoparticles that we used. Then the adsorption of myoglobin, hemoglobin and protein mixture from yeast cells was studied to determine the thermodynamic and physical-chemical parameters of protein adsorption on silica. The enrichment of basic residues, gathered in charge clusters, favors the adsorption of proteins by the formation of electrostatic interactions with the charged surface of silica, independently of the global charge of the protein. On the contrary, the enrichment in aromatic residues is unfavorable to protein adsorption because they form π-π interactions that rigidify the protein structure. The identification of adsorbed and non-adsorbed proteins from a complex medium could also be used for cellular toxicity studies. From the study of the structure, the dynamics and the activity of myoglobin and hemoglobin adsorbed on silica nanoparticles, we tried to define the state of an adsorbed protein. The structural study, based on circular dichroism, fluorescence, infrared, X-ray and UV-visible spectroscopy and microcalorimetry, shows a substantial partial structure loss of adsorbed proteins together with a high conformational heterogeneity, without major modifications of the heme structure. Two potential interaction sites of myoglobin with silica nanoparticles have been identified by a footprinting technique. The study of adsorbed myoglobin dynamics by elastic and inelastic neutron scattering highlighted the important decrease of protein dynamics that occurs upon adsorption. However, despite the structure loss, adsorbed metmyoglobin retains almost all of its activity of ligand binding. Unexpectedly, adsorbed hemoglobin shows an increase of its oxygen affinity and a decrease of its cooperativity, without any dissociation of the tetramer. This effect can be reproduced on human hemoglobin, cross-linked DCL hemoglobin and variant S hemoglobin. Besides, two effectors allow modulating the affinity of adsorbed hemoglobin. Despite the extent of structural and activity changes, all these modifications are entirely reversible upon desorption in soft conditions. The adsorption of hemoproteins on silica nanoparticles depicts a new sort of stress with resilience for proteins in terms of structure, dynamics and activity relationship.

Miz-1 est un facteur de transcription qui active la transcription de gènes cytostatiques tels que p15[indice supérieur 1NK4B] ou p21[indice supérieur CIP1]. Il s’agit d’une protéine de la famille BTB/POZ, qui possède un ensemble de 13 doigts de zinc de type Cys?His? dans sa portion C-terminale. L’activation de ces gènes par Miz-1 peut être régulée par les protéines SMAD. SMAD3 et 4 peuvent toutes deux se lier aux doigts de zinc 1 à 4 de Miz-1, et les autres doigts de zinc sont pressentis pour être responsables de la liaison à l’ADN. Les séquences reconnues par Miz-1 sur les promoteurs des deux gènes mentionnés ci-haut ont été identifiées, mais n’ont pas d’homologie entre elles. L’oncogène c-Myc a la possibilité de se lier à Miz-1, et cette interaction cause la répression des gènes normalement activés par Miz-1, favorisant ainsi la prolifération cellulaire. Cette interaction cruciale, de même que celle entre Miz-1 et l'ADN, est toutefois assez mal caractérisée. Le but du projet dont fait partie ce mémoire est d’éclaircir tout ce mécanisme de liaison. Ce mémoire étudie la structure et les propriétés dynamiques des doigts de zinc 5 à 8 de Miz-1, qui, selon l’hypothèse initiale, seraient impliqués dans la liaison au promoteur des gènes-cibles de Miz-1. La résonance magnétique nucléaire est la technique qui a été utilisée dans le but d’obtenir ces résultats, et une partie importante de ce mémoire est dévouée à la théorie derrière cette puissante technique. La détermination de la structure de ces doigts de zinc est en fait une seule des nombreuses étapes du projet de l’élucidation du mécanisme de transrépression par c-Myc/Miz-1. Suite à la présentation des structures de ces doigts de zinc, ce mémoire s’intéresse à leurs caractéristiques dynamiques très particulières pour ce type de domaine protéique. Nous avons en effet découvert que les doigts de zinc 5 à 8 présentaient un niveau très élevé d’échange conformationnel, et qu’une portion du doigt de zinc 6 ne peut être caractérisée structurellement à cause de mouvements dans l’échelle de la micro/milliseconde, eux-mêmes dus à des répulsions électrostatiques. En conclusion, nous proposons que le ZF 6 ait un rôle de charnière entre deux ensembles de ZFs dans Miz-1. Ces résultats permettent l’actualisation du modèle de liaison de Miz-1 au promoteur de p15[indice supérieur INK4B] qui avait été élaboré comme hypothèse, et ils nous rapprochent de la compréhension de la transrépression par c-Myc. [symboles non conformes]

Les domaines thymosineβ/WH2 sont une famille de protéines intrinsèquement désordonnées impliqués dans le remodelage du cytosquelette d’actine. Ces domaines de 20 à 50 acides aminés existent seuls ou au sein de protéines modulaires, isolés ou répétés. Ils exercent de nombreuses fonctions : ils séquestrent des monomères d’actine, promeuvent l’assemblage du filament, nucléent, fragmentent et coiffent les filaments. Tous les domaines WH2 interagissent de manière similaire avec l’actine via une hélice amphipathique N-terminale suivie d’un brin central et d’une région C-terminal plus ou moins longue et dynamique. Une étude antérieure a montré que la fonction des domaines βT/WH2 isolés était liée à la dynamique du complexe avec l’actine déterminée par une combinaison d’interactions intermoleculaires le long de l’ensemble de la séquence. Les mécanismes expliquant la multifonctionnalité des domaines WH2 répétés restent vagues. Ce travail de thèse présente tout d’abord la production d’actine recombinante, sauvage et mutée dans le système baculovirus/Sf9 pour la biologie structurale ainsi que le développement de stratégies de marquage isotopique en cellules d’insectes. La deuxième partie s’intéresse à la caractérisation structurale et dynamique de domaines WH2 seules en solution : deux domaines isolés et deux protéines contenant deux domaines WH2. Les hélices amphipathiques N-terminales sont partiellement repliées avec des populations variant selon les protéines. La préstructuration des régions C-terminales est plus variable, complètement désordonnée ou partiellement hélicoïdale selon les protéines. La dernière partie présente l’étude de l’interaction de ces protéines avec l’actine. / WH2 domains are a family of intrinsically disordered proteins involved in actin cytoskeleton remodeling. These short domains, isolated or repeated in various actin binding proteins display a low sequence identity and a large panel of functions such as sequestration of actin monomers, promotion of unidirectional assembly, nucleation, fragmentation, filament capping. All WH2 domains fold similarly upon actin binding. They form an extended interface along actin, with an amphipathic N-terminal helix followed by an extended central strand and a more dynamic C-terminal region. Previous work on single βT/WH2 domains showed that function was linked to the dynamics of the complex with actin which is determined by a combination of intermolecular interactions throughout the sequence. The multifunctionality of WH2 tandem repeats is still elusive. The present work first describes production of recombinant wild-type and mutant actin in insect cells and isotopic 15N-labeling for NMR spectroscopy. As a first step to gain insight into the folding upon binding mechanism of functionally different WH2 repeats, we investigated the conformational behavior of two single domains and two tandem repeats free in solution by NMR. The N-terminal amphipatic helix is partially formed but with various propensities depending on the proteins while the C-terminal region that may form an helix in the complex may be either completely disordered or partially formed in absence of actin. Investigation of WH2:actin interaction for the same four proteins is described in the last chapter.

La fonction des protéines est intimement liée à leur structure et à leur dynamique. La Résonance Magnétique Nucléaire est une technique de choix permettant d'étudier ces deux aspects à une résolution atomique. La relaxation du spin des noyaux d'azote-15 permet de quantifier ces mouvements aux échelles de temps pico- nanosecondes grâce à la determination de la fonction de densité spectrale, décrivant les mouvements du vecteur NH amide. Il est essentiel de mesurer les vitesses de relaxation à des champs magnétiques faibles pour mieux décrire les mouvements nanoseconde. De telles mesures sont possibles grâce à la relaxométrie haute-résolution et ont été réalisées sur l'ubiquitine. Celles-ci ont permis la caractérisation de mouvements nanoseconde dans les parties flexibles de l'ubiquitine. L'interprétation des données de relaxation pour des protéines désordonnées requiert le développement de modèles spécifiques à ces protéines. Nous avons développé une approche, appelée IMPACT, permettant une reconstruction mathématique de la fonction de densité spectrale. Appliquée au facteur de transcription Engrailed 2, cette approche a permis d'accéder à la distribution d'échelles de temps ps-ns à partir de données de relaxation à haut champ. Cette approche, combinée à des mesures de relaxométrie sur la région C-terminale de la protéine Artemis, devrait permettre d'obtenir une représentation fidèle et précise de la dynamique d'une protéine désordonnée. De plus, nous avons étudié la cinétique et la thermodynamique de l'interaction entre Artemis et la Ligase IV. Nos travaux ont permis de développer de nouvelles approches pour l'analyse de larges ensembles de données de relaxation. / The intimate relation between the structure, dynamics and function of biomolecules is widely recognized. NMR is a unique technique to extract information on both structure and dynamics at atomic resolutions. Measurements of nitrogen-15 nuclear spin relaxation allow a quantitative description of motions on pico-nanosecond timescales through the characterization of the spectral density function (SDF), which describes the motions of amide bonds in proteins. The SDF has to be sampled at low magnetic fields, inappropriate for protein NMR, in order to obtain a better description of motions. Such measurements are possible by the use of high-resolution relaxometry. Such measurements on Ubiquitin highlight the sub- and low-nanosecond motions in flexible regions. The classical models for the interpretation of relaxation data in proteins are not well suited for intrinsically disordered proteins (IDPs) and require the development of new approaches. We developed a new approach, called IMPACT, based on a mathematical reconstruction of the distribution of correlation times from the experimental SDF. We have applied IMPACT to the transcription factor Engrailed 2. Our method allowed an unprecedented description of the distribution of pico- to nanosecond motions in IDPs. The IMPACT approach will be combined with high-resolution relaxometry measurements on the C-terminal region of the protein Artemis to provide information on an IDP. In addition, we have described the kinetics and thermodynamics of the interaction of Artemis with the DNA Binding Domain of Ligase IV.Overall, this work contributes to the development of new concepts for the interpretation of extensive nuclear spin relaxation data in proteins.

Cette thèse traite de la RMN en phase liquide à champs multiples, pour la détermination de la structure et de la dynamique de petites molécules et de protéines. La dynamique ps-ns des chaînes latérales de la protéine ubiquitine a été étudiée par la relaxation du 13C des groupes méthyles δ1 des isoleucines, marqués sélectivement. Les vitesses de relaxation mesurées à plusieurs hauts champs magnétiques et les vitesses de relaxation longitudinale de 0.29 T à 9 T obtenues par relaxométrie haute résolution ont été analysées à l'aide du programme ICARUS, adapté à l’occasion pour les groupes méthyle. La matrice de relaxation a été calculée par un programme inédit, nommé RedKite. Un modèle de fonction de densité spectrale a été proposé pour prendre en compte les mouvements complexes des groupes méthyles. Nous avons ainsi pu accéder à une description de la dynamique des groupes méthyle sur trois ordres de grandeur d’échelles de temps. La spectroscopie RMN à deux champs magnétiques a été développée en collaboration avec Bruker. Le spectromètre à deux champs permet le contrôle des spins dans deux centres magnétiques avec une homogénéité suffisante et le transfert rapide de l’échantillon entre ces deux centres. Grâce à l'utilisation de cohérences à zéro-quantum, nous avons mesuré des spectres de corrélation homo- et hétéronucléaires à haute résolution dans lesquels les deux dimensions sont obtenues à deux champs très différents. Cette approche a été utilisée pour réduire considérablement la contribution de l’échange chimique à la relaxation transverse, permettant l’observation des signaux de noyaux en échange chimique invisibles à haut champ. / We present the development of multiple-field liquid-state NMR spectroscopy for the determination of the structure and dynamics of small molecules and proteins. Dynamics of proteins side-chains in the pico- to nanosecond range have been studied in the protein ubiquitin, by measuring the relaxation of carbon-13 nuclei in isoleucine-δ1 methyl groups, with site-specific isotope labelling. High-field relaxation rates and longitudinal relaxation rates obtained using high-resolution relaxometry have been analysed using a new version of the program ICARUS, adapted for methyl groups. The relaxation matrix has been calculated with a homemade program called RedKite. Models of spectral density function have been proposed to account for all motions of methyl groups. This unprecedented dataset allows for the description of motions in methyl groups over 3 orders of magnitudes of correlation times. Two-field NMR has been developed in collaboration with Bruker. The two-field NMR spectrometer allows for the control of nuclear spins in two magnetic centres with vastly different magnetic fields, coupled with a sample shuttle. Using zero-quantum coherences, homo and heteronuclear two-field high-resolution spectra have been obtained, where the two dimensions are acquired at very different magnetic fields. Such pulse sequences have been used to reduce the contribution of chemical exchange to transverse relaxation, even when this exchange makes signals invisible at high field. The reduced bandwidth of signals at low field has also been used to perform efficient isotropic mixing in a two-field TOCSY experiment. Correlations have been observed for carbon-13 signals separated by more than 150 ppm.

Cette thèse porte sur le développement de nouvelles approches par marquage de spin suivi par spectroscopie RPE. Cette technique est bien adaptée pour suivre la dynamique structurale des protéines. Son principe repose sur l'insertion d'un radical nitroxyde, en un (ou plusieurs) site(s) choisi(s) d'une protéine et permet de sonder localement la structure de la protéine étudiée grâce aux différentes techniques de RPE (en onde continue et impulsionnelle).Dans une première partie, cette technique a été appliquée à la caractérisation de la dynamique structurale de l'IF1 de levure, un peptide inhibiteur de l'ATP-synthase. L'utilisation des spectroscopies de RPE et de dichroïsme circulaire a permis de montrer qu'IF1 de levure dimérise par sa partie médiane et que la partie C-terminale est désordonnée.La seconde partie est plus méthodologique et a pour but d'étudier et de caractériser un marqueur nouvellement synthétisé afin d'élargir les potentialités du marquage de spin. En effet, cette technique est notamment limitée par la faible diversité spectrale offerte par les sondes disponibles (trois raies). Le nouveau marqueur donne un spectre RPE à six raies grâce à la présence d'un noyau magnétique dans l'environnement du radical. Greffé sur une protéine modèle, nous avons montré que ce nouveau marqueur est tout autant capable de rendre compte de variations structurales qu'un marqueur classique. La superposition des signatures spectrales (trois raies + six raies) montre qu'il est possible de différencier les deux signatures spectrales et de sonder simultanément deux sites d'une protéine et de son partenaire. / This thesis focuses on the development of new approaches for site-directed spin labeling followed by EPR spectroscopy. This technique is well suited to monitor the structural dynamics of proteins. The insertion of a nitroxide radical, in one (or several) selected site(s) of a protein, allows probing the structure of the protein using different EPR spectroscopy approaches (continuous wave and pulsed).In a first part, this technique has been applied to characterize the structural dynamics of the yeast IF1, an inhibitory peptide of the ATP-synthase. Using EPR and circular dichroïsm spectroscopies we showed that yeast IF1 dimerizes by its central part and that the C-terminal part remains disordered.The second part is more methodological and the aim is to study and characterize a newly synthesized spin label in order to expand the potential of site-directed spin labeling. In particular, the technique is limited by the poor spectral diversity offered by the available labels (three lines). The new label gives a six lines EPR spectrum thanks to the presence of a magnetic nucleus in the environment of the radical. Grafted on a model protein, we demonstrated that this new label is as able as classical ones to report on structural variations. The superposition of the spectral signatures (three lines + six lines) showed that it is possible to differentiate the two spectral signatures and to probe two sites of a protein and its partner simultaneously.

Les chaperons moléculaires, une famille de protéines diverses en structure et taille, sont dédiés à accompagner, replier et protéger d’autres protéines afin qu’elles atteignent leur conformation finale et leur emplacement dans la cellule. Dans ce but, les chaperons moléculaires doivent être hautement spécialisés dans l’exécution de tâches spécifiques, telles que le repliement, le transport ou la désagrégation, et polyvalents dans leur motifs de reconnais- sance, afin de pouvoir interagir avec un grand nombre de protéines di érentes. Di érents chaperons moléculaires collaborent au sein de la cellule, formant ainsi un réseau complexe qui assure le contrôle de la qualité du protéome. Les interactions entre les di érents partenaires de ce réseau et entre les chap- erones et leurs substrats sont souvent dynamiques, ce qui rend leur obser- vation structurale particulièrement di cile pour les techniques de biologie structurale. Par conséquent, il y a à ce jour peu d’information sur les struc- tures et mécanismes d’interaction au sein des complexes chaperon-substrate. Dans cette thèse, je présente des études sur la structure, la dynamique et les interactions entre les substrats de deux chaperons moléculaires, en utilisant diverses méthodes biophysiques et in vivo.Dans la première partie, je montre que la chaperone TIM910, située dans l’espace inter-membranaire des mitochondries, lie ses substrats, des protéines membranaires destinées aux deux membranes mitochondriales, d’une manière très dynamique. Non seulement le complexe TIM910 est en échange constant entre les espèces monomèriques et hexameriques, mais aussi le substrat lié échange entre mulitples conformations à une échelle de millisecondes. Sur la base de la résonance magnétique nucléaire (RMN), de small-angle X-ray scat- tering (SAXS), de l’ultracentrifugation analytique (AUC) et des expériences mutationnelles in vivo et des tests fonctionnels d’import dans les mitochon- dries, je propose un modèle structurale de l’interaction entre le chaperon et la protéine membranaire. TIM910 lie ses substrats dans une poche hydrophobe à l’extérieur du chaperon. Cette interaction est modulaire et se fait avec un ou deux hexamères de TIM910, en fonction de la longueur du substrat.Dans la deuxième partie, nous avons étudié le comportement du récepteur N-terminal du unfoldase ClpC1 de M. tuberculosis en présence d’antibiotiques et de ligands di érents. Le domaine N-terminal de ClpC1 est le site de liai- son de divers antibiotiques nouveaux contre M. tuberculosis. L’antibiotique Cyclomarin A supprime complètement la dynamique induite par le ligand arginine-phosphate. Nous proposons que cette suppression de la dynamique soit le principe fondamental du mécanisme d’action de cet antibiotique.Dans les deux cas, les structures X-ray des chaperons dans leur état apo et la structure de ClpC-NTD liée à des antibiotiques étaient disponibles, mais ces structures statiques ne su sent pas pour expliquer le mécanisme d’action. La structure X-ray de TIM910 n’a pas fourni d’ indication sur l’endroit ou la façon dont les substrats sont liés. De même, les structures X-ray du domaine N-terminal de apo et de Cyclomarine A de ClpC1 ne présentent que des di érences de structure mineures. Les deux exemples montrent que les données structurelles statiques souvent ne permettent pas d’expliquer le fonctionnement d’un système moléculaire, donc la combinaison de di érentes techniques et le développement de nouvelles méthodes pour étudier les complexes chaperon-substrat sont primordiaux pour comprendre leur fonction. / The diverse group of molecular chaperones is dedicated to accompany, fold and protect other proteins until they reach their final conformation and loca- tion inside the cell. To this end, molecular chaperones need to be specialized in performing specific tasks, like folding, transport or disaggregation, and versatile in their recognition pattern to engage many di erent client pro- teins. Moreover, molecular chaperones need to be able to interact with each other and with other components of the protein quality control system in a complex network. Interactions between the di erent partners in this network and between the substrate and the chaperone are often dynamic processes, which are especially di cult to study using standard structural biology tech- niques. Consequently, structural data on chaperone/substrate complexes are sparse, and the mechanisms of chaperone action are poorly understood. In this thesis I present investigations of the structure, dynamics and substrate- interactions of two molecular chaperones, using various biophysical and in vivo methods.In the first part I show that the mitochondrial membrane protein chap- erone TIM910 binds its substrates in a highly dynamic manner. Not only is the TIM910 complex in constant exchange between monomeric and hex- americ species, but also the bound substrate samples multiple conformations on a millisecond timescale. Based on nuclear magnetic resonance (NMR), small-angle X-ray scattering (SAXS), analytical ultracentrifugation (AUC) and in vivo mutational experiments I propose a structural model of the chap- erone/membrane protein interaction. TIM910 binds its substrates in a hy- drophobic pocket on the exterior of the chaperone in a modular fashion, where the number of TIM910 complexes bound depends on the length of the substrate.In the second part I studied the behavior of the N-terminal receptor do- main of the ClpC1 unfoldase from M.tuberculosis in the presence of di erent antibiotics and ligands. The N-terminal domain of ClpC1 is the binding site for various new antibiotics against M.tuberculosis. The antibiotic cyclomarin completely abolishes dynamics induced by the ligand arginine-phosphate. We propose that this suppression of dynamics is the underlying principle for the mechanism of action of this antibiotic.In both cases X-ray structures of the apo or antibiotic bound form were available, but not su cient to explain the mechanism of action. The X- ray structure of TIM910 provided no evidence on where or how substrates are bound. Likewise, X-ray structures of the apo and cyclomarin-bound N-terminal domain of ClpC1 show only minor di erences in structure.Both examples show that static structural data is often not enough to explain how a molecular system works, and only the combination of di er- ent techniques, including newly developed methods enable the atomic-level understanding of chaperone/substrate complexes.

Près de 40% des protéines présentes dans les cellules sont prédites partiellement ou complètement désordonnées. Ces protéines dépourvues de structure tridimensionnelle à l'état natif sont impliquées dans de nombreux mécanismes biologiques, la flexibilité jouant un rôle moteur dans les mécanismes de reconnaissance moléculaire. La prise en considération de l'existence de flexibilité au sein des protéines et des interactions protéines-protéines a nécessité le renouvellement de nos connaissances, de notre appréhension des fonctions biologiques ainsi que des approches pour étudier et interpréter ces phénomènes. La méthode retenue pour étudier ces transitions conformationnelles est la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Elle dispose d'une sensibilité unique, d'une résolution à l'échelle atomique et permet par diverses expériences d'accéder à l'ensemble des échelles de temps définissant les mouvements de ces protéines. Nous combinons ces mesures expérimentales à un modèle statistique représentant l'ensemble du paysage énergétique des protéines désordonnées : la description par ensemble explicite de structures. Ce modèle est une représentation discrète des différents états échantillonnés par ces protéines. Il permet, combinant les déplacements chimiques, les couplages dipolaires et la relaxation paramagnétique, de développer une description moléculaire de l'état déplié en caractérisant à la fois l'information locale et l'information à longue portée présente dans les protéines intrinsèquement désordonnées.

Les protéines intrinsèquement désordonnées sont caractérisées par un manque de structure 3D stable et sont biologiquements actives dans cet état. La spectroscopie RMN est la méthode de choix pour leurs études à une résolution atomiques, car la cristallographie aux rayons X ne permet pas leur étude en raison de leur caractère hautement dynamique.Cependant, l'étude par spectroscopie RMN de ces protéines est difficiles à cause du grand nombre de recouvrement entre les signaux dans le spectre résultant de l'absence d'un réseau de liaison hydrogène qui pourrait stabiliser la structure et permettre d'obtenir une dispersion des signaux plus élevé. Un autre problème est la sensibilité expérimentale car souvent le temps de mesure est limité en raison de leur prédisposition à la dégradation protéolytique. Dans la première partie de cette thèse les protéines intrinsèquement désordonnées sont introduites. La deuxième partie porte sur la spectroscopie RMN des protéines intrinsèquement désordonnées, des expériences RMN de type BEST-TROSY sont présentées et sont montrées comme étant bien adapté pour l'étude de protéines intrinsèquement désordonnées, en particulier pour celle avec une grande étendue de structure résiduelle. Des expériences 3D BEST-TROSY sont présentées pour leur attribution, une version proline-éditée permet d'aider à l'identification de ce type d'acide aminé et enfin l'expérience HETex-BEST-TROSY qui permet une mesure rapide des taux de change de solvants. Dans la troisième partie de cette thèse ces expériences RMN sont appliquées pour l'étude de la région intrinsèquement désordonnés (domaines 2 et 3) de la protéine NS5A du virus de l'hépatite C (VHC). La structure secondaire résiduel présente dans le fragment de la protéine est analysée. La comparaison des données RMN sur trois constructions de la protéine de différentes longueurs ainsi que les données de SAXS permettent l'identification des interactions transitoires à longue portée entre les différentes régions de cette protéine. En outre, les modes de liaison de ce fragment de protéine à Bin1 domaine SH3 sont analysés. Enfin, les résultats préliminaires obtenus sur l'étude de la phosphorylation de NS5A du VHC par certaines kinases, qui ont été montrées comme biologiquement pertinents, sont présentés. / Intrinsically disordered proteins are characterized by a lack of a stable, 3D structure and fulfill their biological role as such. NMR spectroscopy is the method of choice for their atomic resolution studies, as X-ray crystallography is not amenable to them due to their highly dynamic character.However, NMR spectroscopic studies of these proteins are challenging, because of the high extent of signal overlap in the spectra, resulting from the absence of a hydrogen-bonding network that would lead to structuring and higher signal dispersion. A further problem is experimental sensitivity as often measurement time is limited due to their predisposition for proteolytic degradation. In the fist part of this thesis intrinsically disordered proteins are introduced. The second part focuses on NMR spectroscopy of IDPs, BEST-TROSY-type NMR methods are presented and are shown to be well suited for large IDPs, especially for those with high extent of residual structure. 3D BEST-TROSY experiments are presented for assignment, a proline-edited version for aiding amino acid-type identification, and the HETex-BEST-TROSY experiment that allows rapid measurement of solvent exchange rates. In the third part of this thesis NMR methods are applied for study of the entire intrinsically disordered region (domains 2 and 3) of NS5A protein of hepatitis C virus. The residual secondary structure in this protein fragment is analyzed. Comparison of NMR data on three protein constructs of different lengths together with SAXS data allows identification of transient long range interactions between different regions of this protein. Furthermore, the binding modes of this protein fragment to Bin1 SH3 domain are analyzed. Finally, the preliminary results obtained on investigation of phosphorylation of NS5A of HCV by certain kinases, reported to be biologically relevant, are presented