Ce travail de thèse s'articule selon deux axes principaux et vise à modéliser, au moyen de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), des grandeurs spectroscopiques (Mössbauer, RPE et magnétisme) mesurées pour des systèmes bioinorganiques à base de fer. La première partie de ce travail est relative au calcul théorique de deux quantités caractéristiques issues de la spectroscopie Mössbauer : le déplacement isomérique Δ et de l'éclatement quadripolaire ΔEQ. Dans un premier temps, des corrélations calculs-expérience ont été mises en place pour l'étude de simples complexes de fer. Dans un second temps, nous nous sommes intéressée à l'étude d'un système biologique, la catalase, qui est un composé héminique à base de fer, afin d'en caractériser les différentes formes. La seconde partie de ce travail a été dédiée à la rationalisation des variations conjointes de deux grandeurs spectroscopiques RPE : la valeur moyenne de tenseur , gav (= (∑gi)/3), et la constante d'échange effective, Jeff. Nous avons considéré un ensemble d'agrégats de type [2Fe-2S] issus de systèmes biologiques (ferrédoxines, protéines Rieske, xanthine oxidases, etc) et nous avons modélisé ces derniers paramètres via un modèle phénoménologique mettant en compétition deux termes antagonistes : le terme B de double-échange traduisant la délocalisation électronique entre les sites de fer et le terme de piégeage ΔE.contribuant à la localisation préférentielle de l'électron réducteur sur l'un des deux sites de fer. Nous avons pu exprimer analytiquement gav et Jeff en fonction du ratio ΔE/B et expliquer la source des variations observées.

De nombreuses protéines possèdent des cofacteurs inorganiques contenant des métaux de transition. Les propriétés physico-chimiques de ces métaux permettent aux enzymes qui les portent de catalyser des réactions impossibles par l'utilisation des seules potentialités chimiques des vingt-deux acides aminés. Cependant, ces métaux sont toxiques pour la cellule lorsqu'ils sont libres. La synthèse et l'incorportion de ces cofacteurs dans les enzymes nécessitent alors des machineries protéiques complexes d'assemblage. Au cours de cette thèse, les mécanismes de synthèse des centres FeS par les machineries ISC (Iron-Sulfur Cluster) et Hyd (Hydrogenase) ont été étudiés. Le système ISC correspond à la machinerie primaire d'assemblage des centres FeS chez les bactéries, et un système équivalent existe chez les eucaryotes au niveau de la mitochondrie. Le système Hyd est la machinerie de maturation de l'hydrogénase à FeFe chez plusieurs eucaryotes inférieurs (algues et protistes) et dans une grande variété de bactéries. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la machinerie ISC d'Archaeoglobus fulgidus dont le coeur est composé de la cystéine désulfurase IscS et de la protéine échafaudage IscU ; IscS apportant le soufre nécessaire à l'assemblage du centre FeS sur IscU. Au cours de cette étude, il est apparu que IscS d'Archaeoglobus fulgidus ne possède pas d'activité cystéine désulfurase, mais qu'elle joue tout de même un rôle fondamental dans la synthèse du centre FeS sur le complexe IscSU en fournissant sa cystéine active en tant que ligand de l'agrégat. Dans un second temps, nous avons étudié la protéine à radical S-adénosyl-L-méthionine HydG, responsable de la synthèse des ligands CN- et CO du sous-agrégat à 2 Fe des hydrogénases à FeFe, qui était la seule maturase du système Hyd dont la structure n'était pas connue. Nos résultats structuraux et fonctionnels suggèrent que HydG synthétise successivement le ligand CN- dans un site actif basique, puis le ligand CO sur le cinquième Fe de son agrégat [5Fe-4S] C-terminal. Ce dernier pourrait être stabilisé par un ligand cystéine ou homocystéine. / Many proteins have inorganic cofactors containing transition metals. The physicochemical properties of these metals allow the enzymes, which carry them to catalyze reactions not possible when only using the chemical properties of the twenty-two amino acids. However, these metals are toxic to the cell when they are free. Consequently, the synthesis and incorporation of these cofactors into enzymes requires complex protein assembles. In this thesis, the FeS clusters synthesis mechanisms by the ISC (Iron-Sulfur Cluster) and Hyd (Hydrogenase) machineries were studied. The ISC system corresponds to the primary FeS clusters assembly machinery in bacteria, and a homologous system exists in mitochondria. The Hyd system is FeFe-hydrogenase active site maturation machinery found in several lower eukaryotes (algae and protists) and in a wide variety of bacteria. Initially, we studied the ISC machinery from Archaeoglobus fulgidus whose core is composed of the cysteine desulfurase IscS and the scaffold protein IscU; IscS delivers the sulfur needed for the FeS assembly to IscU. From this study we conclude that IscS from Archaeoglobus fulgidus has no cysteine desulfurase activity, but it still plays a fundamental role in FeS cluster synthesis by IscSU complex by providing a cysteine ligand to the nascent cluster. Secondly, we studied the radical S-adenosyl-L-methionine HydG, responsible for the synthesis of CN- and CO ligand of the active site [FeFe] subcluster, which was the only Hyd system maturase for which the structure was unknown. Our structural and functional results suggest that HydG successively synthesizes the CN- ligand at a basic site, and then the CO ligand at the unique fifth Fe ion of its C-terminal [5Fe-4S] cluster. The latter could be stabilized by either a cysteine or a homocysteine ligand.

Le développement d’une économie basée sur l’hydrogène implique l’utilisation de catalyseurs efficaces et peu chers. Pour cela on peut s’inspirer de la nature qui a produit des métalloenzymes, les hydrogénases. On considère que la maturation est réalisée en deux étapes. Dans un premier temps, les clusters [4Fe–4S] sont assemblés par les systèmes ISC/SUF. Puis trois maturases, HydE/F/G réalisent la biosynthèse du 2Fe sous-cluster pour synthétiser le cluster-H. Seules quelques hydrogénases à [FeFe] ont été caractérisées montrant une grande diversité alors qu’elles possèdent le même centre catalytique, le cluster-H. Ainsi, une partie de cette thèse a porté sur l’utilisation de la «maturation chimique» pour activer de nouvelles enzymes apo-HydA. L’hydrogénase provenant de Megasphaera elsdenii, et sa version tronquée, MeH-HydA, contenant seulement le domaine du cluster-H ont été étudiées grâce à cette technique. La stratégie mise en œuvre a été la reconstitution des cofacteurs métalliques par l’assemblage des clusters [4Fe–4S] et la maturation des enzymes par le complexe biomimétique [Fe2(adt)(CO)4(CN)2]2–. Les hybrides HydF synthétisés en incubant la protéine contenant le cluster [4Fe–4S] avec les complexes biomimétiques [Fe2(xdt)(CO)4(CN)2]2– possèdent un centre à 6 fers similaire au cluster-H. Cette grande similarité amène au dernier point traité dans cette thèse: la possible activité catalytique d’HydF en tant que «hydrogénase artificielle». Les hybrides de HydF ont été caractérisés et leur activité d’hydrogénase a été évaluée. De plus, une structure RX de la protéine contenant son cluster [4Fe-4S] a été obtenue. / There is a general agreement that the building of a sustainable H2 economy relies on the availability of cheap, abundant and efficient catalysts. Nature has provided attractive solutions, hydrogenases. However, these enzymes are difficult to produce and so far only few HydAs have been completely characterized showing diversity despite the same active site. This core, H-cluster, is composed of a [4Fe–4S] cluster bound via a Cys to a diiron complex which has 3 CO, 2 CN and an azadithiolate ligands. Recently, it has been showed that hydrogenases can be easily produced through the insertion of a biomimetic [Fe2(adt)(CO)4(CN)2]2– complex inside the heterologously produced apo-enzyme, resulting in a full activation. Part of the PhD has been focused on the chemical maturation of new HydA from Megasphaera elsdenii and its truncated version, MeH-HydA, containing only the H-cluster. The assembly of all metal cofactors via the chemical reconstitution of the [Fe–S] clusters and the maturation through the [Fe2(adt)(CO)4(CN)2]2–complex has been carried out. Interestingly, HydF hybrids synthesized incorporating biomimetic [Fe2(xdt)(CO)4(CN)2]2– complexes onto the [4Fe–4S] cluster HydF protein, have a 6Fe core reminiscent of the H-cluster. HydFs from different organisms were purified and subsequently the [4Fe–4S] cluster has been reconstituted. For the first time, an X-ray structure of HydF with its [4Fe-4S] cluster has been obtained. The 6Fe cluster of HydF has been also prepared chemically with diiron complexes mimicking the active site of HydA. The metallo-cofactors have been spectroscopically characterized (EPR, FTIR, HYSCORE), hydrogenase activities evaluated.

Les interactions intermoléculaires au sein des êtres vivants sont complexes et permettent de véhiculer l’information nécessaire à la survie de l’organisme à un moment donné. Il arrive même que certains intervenants soient impliqués à différents stades d’un même processus. Parmi les très nombreux processus biologiques présents au sein des cellules, la biogénèse des centres fer-soufre apparaît être très complexe. Cette complexité est probablement reliée à la toxicité cellulaire du fer libre et du soufre libre. Ainsi les différentes étapes de la création des centres fer-soufre doivent être étroitement régulées. Des études récentes montrent que les protéines BolA et les glutarédoxines de classe II sont impliquées dans l’homéostasie du fer en intervenant seules ou de manière concertée. Cependant, la fonction réelle de ces protéines notamment aux différents stades de la biogénèse des centres fer-soufre reste encore que très peu connue. Afin de mieux comprendre la capacité des protéines BolA et glutarédoxines à jouer leur fonction biologique, nous avons étudié à travers ce travail de thèse la capacité des protéines BolA et glutarédoxines d’Arabidopsis thaliana, à former des homodimères et des hétérodimères. Pour ce faire, la cristallographie des rayons X, la résonance magnétique nucléaire et d’autres méthodes spectroscopiques ont été utilisées pour caractériser structuralement les différents états oligomériques de ces deux protéines / Intermolecular interactions in living cells are complex and help convey the information indispensable to the survival of the organism at a given time. It even happens that various stakeholders are involved at different stages of the same process. Among many biological processes present within living cells, the biogenesis of iron-sulfur clusters appears to be very complex. This complexity is probably related to cellular toxicity of both free iron and free sulfur. Thus the different stages of iron-sulfur clusters biosynthesis must be tightly regulated. Recent studies highlight that BolA proteins and class II glutaredoxins are involved in iron homeostasis probably by acting alone or in a concerted manner. However, the current function of these proteins in the various steps of the iron-sulfur clusters biogenesis is yet unidentified. To better understand how BolA proteins and glutaredoxins fulfill their biological function, we studied throughout this PhD work the ability of Arabidopsis thaliana proteins to form homodimers and heterodimers. To do this, X-ray crystallography, nuclear magnetic resonance and other spectroscopic methods were used to structurally characterize the different oligomeric states of these two proteins

Ces vingt dernières années, les réactions d'insertion d'atomes ou de fragments moléculaires dans des liaisons C-H peu réactives ont fait l'objet de nombreuses études sans que les mécanismes de ces réactions aient pu être établis. Les enzymes de la superfamille « Radical-SAM » catalysent l'activation de leur substrat en utilisant un centre [4Fe-4S] et le co-substrat S-adénosylméthionine (SAM). Les enzymes d'insertion radicalaire constituent un sous-groupe de cette famille et contiennent un second centre fer-soufre impliqué, lui, dans l'activation du deuxième substrat rendant ainsi possible la réaction d'insertion par couplage radicalaire. Le travail présenté dans cette thèse concerne deux de ces enzymes, la première, RimO, est une méthylthiotransférase (MTTase) qui catalyse l'insertion d'un groupement thiométhyle en beta du résidu D89 de la protéine ribosomale S12 (β-ms-D89-S12). La seconde TYW1 ou 4-demethylwyosine synthase catalyse l'insertion d'un groupement acétyle dérivé du pyruvate dans une liaison C-H d'un groupement N-CH3 appartenant à une guanine spécifique de certains ARNt eucaryotes. Cette réaction d'insertion est suivie d'une cyclisation conduisant en plusieurs étapes à la wybutosine (yW), une base tricyclique importante pour la fidélité traductionnelle de la cellule. Dans ce travail il a été montré que les deux centres de cette famille d'enzyme coopèrent pour ces réactions et contrôlent l'utilisation des différents acteurs par des mécanismes redox originaux. / Over the last twenty years, the insertion reactions of atoms or molecular fragments into poorly reactive C-H bonds have been actively investigated but the details of their mechanisms remain largely unknown. Enzymes belonging to the "Radical-SAM" superfamily catalyze the activation of their substrate using a [4Fe-4S] in conjunction with the co-substrate S-adenosylmethionine (SAM). Radical insertion enzymes are a subgroup of this family and contain a second iron-sulfur cluster involved in the activation of the second substrate allowing the insertion reaction by radical coupling to take place. The work presented in this thesis is focusing on two enzymes, the first one, RimO is a methylthiotransferase (MTTase) that catalyzes the insertion of a thiomethyl group on the beta position of D89 residue of the ribosomal protein S12 (β-ms-D89-S12). The second one, TYW1, or 4-demethylwyosine synthase, catalyzes the insertion of the acetyl moiety of pyruvate into a C-H bond of a N-methyl group of a guanine derivative in some eukaryotic and archeal tRNAs. This insertion reaction leads to the formation of a tricyclic ring and through several steps to wybutosine (yW), a hypermodified nucleotide important for the translational fidelity of the cell. In this work we demonstrate that these radical inserting enzymes utilize the two iron-sulfur clusters to cooperate and that they control the different partners of the reaction by original redox mechanisms.

Le but de cette thèse est d’étudier les modifications biochimiques mitochondriales liées à un défaut de lipoylation des protéines dans les fibroblastes de 14 patients. Ces patients sont porteurs d’une mutation dans un gène codant une des protéines impliquées soit dans la synthèse de l’acide lipoïque (LIPT1, LIPT2) soit dans la voie de biogenèse des centres Fe-S mitochondriale (FDX1L, ISCA1, ISCA2, IBA57, NFU1, BOLA3). La voie de biogenèse des centres Fe-S est nécessaire à la maturation des protéines Fe-S mitochondriales, dont la lipoic acid synthase (LIAS).Ces travaux ont permis d’étudier notamment un deuxième cas de déficit en FDX1L ainsi qu’un patient porteur d’une nouvelle mutation dans ISCA1. Les déficits dans la voie de la biogenèse des centres Fe-S observés chez les patients étudiés affectent principalement la maturation des protéines mitochondriales à centre [4Fe-4S] dont l’aconitase mitochondriale, les complexes I et II de la chaîne respiratoire et la LIAS, induisant ainsi un défaut de lipoylation d’enzymes clés du métabolisme énergétique (PDHc, KGDHc). Aucune atteinte du réseau mitochondrial ni de variations du stress oxydatif n’ont pu être mises en évidence. Finalement, l’ajout d’acide lipoïque exogène n’améliore pas les déficits observés.Les profils d’expression des protéines dans les fibroblastes des patients suggèrent que les protéines NFU1, BOLA3 et IBA57 ainsi que ISCA1, ISCA2 et IBA57 coopèrent entre elles de manière complexe. / The aim of this work is to study mitochondrial dysfunctions related to a defect of protein lipoylation in fibroblasts of 14 patients. These patients carry a point mutation in a gene encoding for a protein involved either in lipoic acid biosynthesis (LIPT1 or LIPT2) or in the mitochondrial pathway devoted to iron-sulfur cluster biogenesis (FDX1L, ISCA1, ISCA2, IBA57, NFU1, BOLA3) essential for maturation of mitochondrial Fe-S proteins such as lipoic acid synthase (LIAS). This work describes the second case of FDX1L deficiency and a patient with a new mutation in ISCA1 gene.We found that mitochondrial [4Fe-4S] proteins (mitochondrial aconitase, complexes I and II of the respiratory chain and LIAS) are mainly affected in fibroblasts of patients with defect in the mitochondrial Fe-S maturation pathway. Secondary, LIAS dysfunction leads to decreased lipoylation of PDHc and KGDHc, complexes involved in energy metabolism. Neither mitochondrial network nor oxidative stress biomarkers was modified in our study. Addition of exogenous lipoic acid did not rescue the mitochondrial deficiency.Protein expression profiles obtained in fibroblasts of patients suggest that NFU1, BOLA3 and IBA57 and also ISCA1, ISCA2 and IBA57 could function and interact together to form protein complexes.

L'étude des membranes biologiques nécessite l'examen des différentes propriétés de ses composantes principales: les lipides et les protéines. Dans ce manuscrit, l'interaction lipide- lipide et lipide-protéine ont été suivies par spectroscopie vibrationnelle (Raman, Infrarouge). Nous sommes intéressés en premier lieu à l'étude de la structure et l'organisation des phospholipides dans leur phase gel et leur phase cristalline liquide en utilisant la spectroscopie moyen infrarouge. En outre, l'effet de la composition du groupement hydrophiles des lipides sur le comportement de la liaison hydrogène des mélanges lipidiques a été sondé en utilisant la spectroscopie lointain infrarouge. Dans la seconde partie, l'interaction de la protéine NADH ubiquinone oxydoréductase et du mutant NuoL (D563N) avec le zinc ont été étudiés par spectroscopie différentielle et les changements conformationnels induits par la liaison du zinc avec les protéines ont été examinés. Enfin, les vibrations métal-ligand des groupements fer-soufre dans le mutant de NuoB (C64A G100C) à différents pH ont été analysées par spectroscopie Raman. / The study of biological membranes involves the examination of the different properties of its main components: as lipids and proteins. In this manuscript, the lipid-lipid interaction and the lipid-protein interaction were monitored by vibrational spectroscopy (Raman and Infrared). We have been interested in the first part in studying the structure and organization of phospholipids in the gel phase and the liquid crystalline phase using mid infrared spectroscopy. In addition, the effect of the head group composition on the hydrogen bonding behaviour of lipid mixtures was probed using far infrared spectroscopy. In the second part, the interaction of the NADH ubiquinone oxidoreductase protein and NuoL mutant (D563N) with zinc was investigated through FTIR difference spectroscopy where the conformational changes upon zinc binding were monitored. Finally, the metal-ligand vibrations of the iron- sulfur clusters in NuoB mutants (C64A G100C) at different pH were analysed using Raman spectroscopy.