Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs en anglais) représentent la famille de récepteurs intégrales de membrane plus vaste dans la majorité des cellules eucaryotes. Ils jouent un rôle clé dans la transduction de signal, ainsi que la compréhension de leur mécanisme de signalisation représente une des questions principales dans la biologie d'aujourd'hui. Dans la caractérisation du paysage énergétique de ces récepteurs à l'échelle atomique, les structures cristallographiques publiées pendant la décennie dernière par cristallographie aux rayons X représentent la percée scientifique majeure et donnent une contribution fondamentale dans la biologie structurelle de GPCRS. Ces structures représentent un point de départ précieux dans la compréhension du mécanisme de transduction de signal, en plaçant des structures dans l'ensemble conformationnel de ces récepteurs le long du processus d'activation. Pour compléter ce cadre de structures statiques qui correspondent aux états à basse l'énergie et fortement peuplés, une caractérisation de l'ensemble conformationnel et des barrières cinétiques qui sont associées est un point nécessaire et fondamentale. À ce but nous proposons une approche innovant avec la finalité d'observer le paysage conformationnel dynamique des GPCR et étudier la modulation de ces récepteurs par des ligands et des lipides, qui sont connus pour jouer un rôle clé dans la structure et les fonctions des protéines de membrane (e.g.). Un des outilles le plus approprié pour explorer les barrières cinétiques de GPCR c'est la résonance magnétique nucléaire (RMN) en solution. Pour tirer profit au mieux de cette technique, nous avons utilisé des sondes marqués 13CH3 immergées dans un environnement perdeuteré, qui constitue le marquage isotopique le plus approprié en RMN pour examiner les paysages conformationnels des protéines de grosses dimensionnes ou des complexes de protéines. Nous avons choisi Escherichia coli comme système d'expression pour sa capacité de pousser dans des conditions très hostiles comme des solutions 100%-D2O. Pour surmonter les difficultés habituellement rencontrées lors de l'expression des GPCRs, nous avons appliqué un protocole innovant qui cible l'expression de GPCRs directement aux corps d'inclusion. Ceci permet la production des bonnes quantités de protéines (jusqu’à 6 mg/litres de culture de pur 13CH3-u-2H-GPCRs). Une fois purifié, le récepteur est foldé en amphipols et transféré ensuite à une double couche lipidique appelée nanometric lipid bilayer ou nanodisc (NLB). De façon très important, les mesures pharmacologiques quantitatives indiquent que les récepteurs incorporés dans des NLBs après ce protocole sont stables et entièrement actifs dans les conditions des expériences de NMR.Les investigations par RMN conduites sur le GPCR en NLB ont donné lieu à une résolution jamais obtenue dans le domaine, grâce à la biochimie finement accordée et à la perdeuteration du récepteur. Selon les données obtenues, notre récepteur modèle, le récepteur 2 pour le leukotriene B4 (BLT2), est capable d'explorer plusieurs conformations différentes, même dans l'état pas lié aux ligands, y compris l'état actif. Ce paysage conformationnel est également modulé par des ligands et des lipides. Dans le cas spécifiques, nous avons observé que un incrément dans le contenu de stérol dans la membrane modifie la distribution des différents états conformationnels du récepteur, en favorisant l'état actif, qui indique une régulation allosteric positif du stérol sur l'activation de ce récepteur, comme confirmé aussi par les mesures de liaison du GTP à la protéine G. Cette propriété du stérol est probablement importante pour le contrôle de mécanisme de signalisation de GPCRs. / G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest family of integral membrane protein receptors present in most eukaryotic cells. They play a key role in signal transduction and understanding their signalling mechanism represents one of the main issues in biology today. In the characterization of the energy landscape of these receptors, at the atomic scale, X-ray crystal atomic structures published during the last decade represent the major breakthrough and contribution in the structural biology of GPCRs. They represent a precious starting point in the understanding of the mechanism of signal transduction by placing structures in the conformational ensemble of these receptors along the activation pathway. To complete these static snapshots that correspond to low energy and highly populated states, a characterization of the whole conformational ensemble and associated kinetic barriers is fundamental to complete the picture. To this aim we proposed an innovative approach to observe GPCRs dynamic conformational landscape and how it is modulated by ligands and lipids, that are known to play a key role in membrane protein structures and functions (e.g.). One of the most appropriate tool to explore GPCR kinetic barriers is solution state NMR. To do so, we used 13CH3 probes immersed in a perdeuterated environment, the most appropriate isotope-labelling scheme to investigate conformational landscapes of large proteins or protein complexes with this spectroscopy. We chose Escherichia coli as expression system for its ability to grow in very hostile conditions like 100%-D2O solutions. In order to overcome the usual expression issues concerning GPCRs, we applied an innovative protocol which targets the expression directly to inclusion bodies. This allows the production of high amounts of proteins (up to 6 mg/litre of culture of pure 13CH3-u-2H-GPCRs). Once purified, receptors are folded in amphipols and then transferred to nanometric lipid bilayers or nanodiscs. Importantly quantitative pharmacological measurements indicate that receptors embedded in NLBs following this protocol are stable and fully active in the conditions of the NMR experiments. NMR investigation of a GPCR in a NLB gave rise to a resolution never achieved in the field thanks to a fine tuned biochemistry and a perdeuteration of the receptor. According to our data, the prototypical receptor, the leukotriene B4 receptor (BLT2), is able to explore multiple different conformations, even in the unliganded state, including the active state. This conformational landscape is further modulated by ligands and lipids. In particular, we observed that an increment in the sterol content of the membrane modifies the distribution of the different conformational states of the receptor in favour of the active one, indicating a positive allosteric regulation of the sterol on the activation of this receptor, as confirmed by GTP-to-G protein binding measurements. This property of the sterol is likely important for the control of the signalling properties of GPCRs.

En bioinformatique structurale, une partie des méthodes computationnelles qui calculent les structures de protéines à l'aide de données expérimentales, effectuent une optimisation de la position des atomes sous les contraintes expérimentales mesurées sur le système étudié, ainsi que sous des contraintes provenant de la connaissance générique de la stéréochimie organique. Ces méthodes d'optimisation présentent l'inconvénient de ne pas garantir la détermination de la meilleure solution. De plus, la validation de l'optimisation se fait en comparant les résultats obtenus pour des calculs répétés, et le résultat d'un calcul est accepté dans la mesure où le même résultat est obtenu plusieurs fois. Par cette approche, on rend plus difficile la détection de conformations alternatives de protéines, qui sont pourtant le sujet d'un vif intérêt dans la littérature. En effet, le développement de la sensibilité des techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) a permis de mettre en évidence plusieurs cas d'échange conformationnel reliés à la fonction des protéines. Dans ce projet de thèse, nous avons étudié une nouvelle approche pour le calcul de structures des protéines et l'exploration de leurs espaces conformationnels, basée sur la résolution du problème de Géométrie de Distance associé aux contraintes de distances dans une protéine par l'algorithme "interval Branch and Prune". Le logiciel implémentant cette méthode est appelée iBPprot, il incarne l'une des premières tentatives d'échantillonnage exhaustive des espaces conformationnels des protéines. Dans un premier temps, on s'est intéressé à l'application de la méthode en utilisant exclusivement des constraintes de distances exactes. Les résultats ont démontré que iBPprot était capable de reconstruire des structures références en s'appuyant seulement sur quelques contraintes à courte portée. De plus, la reconstruction a été d'une précision telle que la conformation générée présentait un RMSD de 1 Angstrom maximum avec la structure référence. L'exploration exhaustive de l'espace conformationnel a été possible pour une bonne partie des protéines cibles. Les temps de calcul pour l'exploration des espaces conformationnels ont été très variables allant de quelques secondes pour quelques protéines jusqu'à des semaines pour d'autres. L'évaluation de la qualité des structures obtenues a démontré qu'au moins 68% des valeurs de phi et psi sont localisées dans la zone 'core' du diagramme de Ramachandran. Cependant, des clash stériques ont été détectées dans plusieurs conformations mettant en jeu jusqu'à 7% d'atomes dans quelques unes de ces conformations. Dans un deuxième temps, on s'est intéressé à l'application de la méthode en incluant des intervalles de distances comme contraintes dans les calculs. Dans ce cas de figure, la méthode a réussi a reconstruire des structures références avec un RMSD inférieur à 5 Angstrom pour plus de la moitié des protéines cibles. En contre partie, le parcours complet de l'espace conformationnel n'a été possible que pour la plus petite protéine de l'ensemble des protéines étudiées. Pour la moitié des autres protéines, plus de 70% des atomes ont vu leurs positions échantillonnées. La qualité des structures obtenues a regressé en comparaison avec les simulations faites avec des distances exactes. En effet, seulement 53% des valeurs de phi et psi étaient localisées dans la zone 'core' du diagramme de Ramachandran, et le pourcentage d'atomes impliqués dans un clash stérique s'élevait jusqu'à 22% pour quelques protéines. Concernant le temps de calcul, le taux de génération de conformations a été déterminé pour chaque protéine cible, et il s'est avéré que globalement sa valeur etait compétitive par rapport aux valeurs des taux observables dans la littérature... / Structural biology has allowed us expand our knowledge of living organisms. It is defined as the investigation of the structure and function of biological systems at the molecular level. Studying a biomolecule's structure offers insight into its geometry, as angles and distances between the biomolecule's atoms are measured in order to determine the biomolecular structure. The values of these geometrical parameters may be obtained from biophysical techniques, such as X-ray crystallography or nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. One of the most used methods to calculate protein structures from geometric restraints is simulated annealing. This method does not guarantee an exhaustive sampling of protein conformational space, which is a shortcoming as one protein may adopt multiple functional conformations, and it is important to determine them exhaustively. In this PhD project, the efficiency of a new method - derived from operations research and computational geometry - is studied in order to answer this question: How does this method explore the conformational spaces of small proteins? This method - implemented within the iBPprot software framework - treats protein structure determination as a distance geometry problem, which the interval branch-and-prune algorithm tries to solve by the full exploration of its solutions space. The results obtained by iBPprot on a set of test proteins, with sizes ranging from 24 to 120 residues and with known structures, are analyzed here. Using short-range exact distance restraints, it was possible to rebuild the structure of all protein targets, and for many of them it was possible to exhaustively explore their conformational spaces. In practice, it is not always possible to obtain exact distance restraints from experiments. Therefore, this method was then tested with interval data restraints. In these cases, iBPprot permitted the sampling of the positions of more than 70% of the atoms constituting the protein backbone for most of the targets. Furthermore, conformations whose r.m.s. deviations closer than 6 Angstrom to the target ones were obtained during the conformational space exploration. The quality of the generated structures was satisfactory with respect to Ramachandran plots, but needs improvement because of the presence of steric clashes in some conformers. The runtime for most performed calculations was competitive with existing structure determination method...