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La communication cellulaire est un phénomène important pour le maintien de l’homéostasie des cellules. Au court des dernières années, cette sphère de recherche sur la signalisation cellulaire a connue des avancées importantes au niveau de l’identification des acteurs principaux impliqués dans la reconnaissance extracellulaire des signaux, ainsi que la compréhension des voies de signalisation engagées par les cellules pour répondre aux facteurs extracellulaires. Malgré ces nouvelles informations, les diverses interrelations moléculaires entre les acteurs ainsi que les voies de signalisation cellulaire, demeurent mal comprises. Le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) permet la mesure d’interactions protéiques et peut être utilisé dans deux configurations, le BRET480-YFP (connu aussi comme le BRET1) et le BRET400-GFP (connu aussi en tant que BRET2). Suite à l’oxydation de son substrat, la luciférase de renilla peut transférer son énergie à une protéine fluorescente, uniquement si elles sont à proximité l’une de l’autre (≤100Å). La combinaison dans un seul essai des BRET480-YFP et BRET400-GFP, a permis de suivre trois paires d’interactions, sur une même population cellulaire. Par contre, l’utilisation de deux substrats pour la réaction de bioluminescence rend impossible la mesure simultanée des différents signaux de BRET, pour ce trois nouvelles configurations de BRET ont été mises au point en utilisant des nouvelles protéines fluorescentes. Ainsi deux des nouvelles couleurs de BRET ayant des émissions résolues, le BRET400-BFP et le BRET400mAmetrine ont pu être combinées pour mesurer l’engagement par un RCPG d’une protéine G, ainsi que l’accumulation du second messager. La combinaison de ces BRET a également permis de révéler la formation d’un complexe entre le récepteur α2A adrénergique (α2AAR), Gαi1, le dimère Gβγ ainsi que la kinase des récepteurs couplés aux protéines G (GRK2), suite à l’activation du récepteur. De plus, seule l’entrée de GRK2 semble être en mesure de causer la désensibilisation du α2AAR, en s’intercalant entre Gαi1 et Gβγ. Par contre, la stabilisation de l’interaction entre α2AAR et la β-arrestine2 semble nécessiter l’activité kinase de GRK2. Une autre étude a révélé l’importance de différentes Gα pour la mobilisation du calcium, suite à l’activation du récepteur aux opioïdes de type delta (DOR). Suite à la surexpression de Gα de la famille Gαq, il a été possible de mesurer une influence de ces Gα sur la mobilisation du calcium. Toutefois, cette réponse calcique mesurée en présence des Gαq demeure sensible aux prétraitements à la toxine de Bordetella pertussis, qui inhibe sélectivement l’activité des Gαi. De plus, la co-expression de Gαi et Gαq permet de potentialiser la mobilisation de calcium, démontrant une interrelation entre ces deux familles de protéine Gα, pour la signalisation du DOR. Afin de démontrer l’interrelation directe, des expériences de BRET ont été réalisées entre différentes Gα. En plus de montrer la formation de complexes sélectifs entre les Gα, les expériences de BRET réalisées en parallèle d’analyses de séquences de Gα, ont également mis à jour un site de sélectivité d’interaction entre les Gα, l’hélice α4. Suite à la transposition de cette hélice α4 de Gα12 sur Gαi1, qui normalement n’interagissent pas, il a été possible de forcer l’interaction entre Gα12 et Gαi1, confirmant ainsi que cette hélice α contient l’information permettant une sélectivité d’interaction. Au cours de cette thèse, il a été possible de générer de nouvelles méthodes de mesure d’interactions protéiques qui permettent de multiplexer différents signaux, ce qui a permis de mettre à jour de nouvelles interactions entre divers effecteurs de la signalisation de RCGP / Cellular communication is an important phenomenon for the maintenance of cellular homeostasis. Recently, important progress has been made in the cell signalling research field concerning the identification of the major actors and the cellular pathways engaged in response to these extracellular factors. However, in spite of this new information, the interrelationships at the molecular level between the various cellular actors and the different signalling pathways remain badly understood. Bioluminescence resonance energy transfer (BRET) monitors interactions between proteins and can be used in two configurations, the BRET480-YFP (also known as BRET1) and the BRET400-GFP (also known as BRET2). Following oxidation of its substrate, renilla luciferase transfers its energy to a fluorescent protein, only if they are in close proximity (≤100Å). By combining the BRET480-YFP and BRET400-GFP in one assay, it is possible to follow three pair-wise interactions in the same cellular population. However, using two bioluminescence reaction substrates limits the possibility of measuring the different BRET signals simultaneously. In order to measure multiple BRET signals simultaneously, three new BRET configurations, based on the BRET400-GFP, were developed using fluorescent proteins with different emission wavelengths. Two of the new BRET colors which have resolved emission wavelengths, the BRET400-BFP and BRET400mAmetrine, were combined for measuring the heterotrimeric G protein engagement by the vasopressin V2 receptor, as well as the accumulation of the second messenger. Combining these new BRET techniques reveals for the first time the formation of a complex between the α2A adrenergic receptor (α2AAR), Gαi1, the Gβγ dimer and G protein-receptor kinase (GRK2) following receptor activation. Moreover, only the entry of GRK2 into the receptor complex is required for the α2AAR desensitization, by inserting between Gαi1 and Gβγ. On the other hand, the stabilization of the interaction between α2AAR and β-arrestin2 requires the kinase activity of GRK2. Another study revealed the importance of multiple Gα subunits for calcium mobilization induced upon activation of the delta opioid receptor (DOR). Gαq subfamily member overexpression altered the DOR-induced calcium mobilization, but this Gαq calcium mobilization remained sensitive to pre-treatement pertussis toxin, through selective inhibition of the activity of Gαi members. Moreover, Gαi and Gαq co-expression potentiated calcium mobilization, suggesting an interrelationship between these two Gα families in DOR signaling. This Gαi and Gαq interrelationship could result from the formation of a complex close to the receptor. In order to test this hypothesis, BRET experiments were performed, with the aim of measuring the presence of complexes between different Gα. In addition to demonstrating complex formation between Gα subunits, the BRET experiments in parallel with sequence analysis, also revealed a selective interaction site between the Gα, the α4 helix. By swapping the a4 helix of Gαi with the α4 helix of Gα12, which doesn’t normally interact with Gα12, it was possible to force the interaction between Gα12 and Gαi to confirm that this α helix contains information concerning the selectivity of interactions between Gα subunits. During this thesis, new methods were to detect protein interactions and multiplexing these methods allowed the detection of novel interactions between signalling effectors of GPCRs.

Molecular biophysics is a rapidly evolving field aimed at the physics-based investigation of the biomolecular processes that enable life. In this thesis, we explore two such processes: the thermodynamics of DNA bending, and the mechanism of the RecQ DNA helicase. A computational approach using a coarse-grained model of DNA is employed for the former; an experimental approach relying heavily on single-molecule fluorescence for the latter. There is much interest in understanding the physics of DNA bending, due to both its biological role in genome regulation and its relevance to nanotechnology. Small DNA bending fluctuations are well described by existing models; however, there is less consensus on what happens at larger bending fluctuations. A coarse-grained simulation is used to fully characterize the thermodynamics and mechanics of duplex DNA bending. We then use this newfound insight to harmonize experimental results between four distinct experimental systems: a 'molecular vise', DNA cyclization, DNA minicircles and a 'strained duplex'. We find that a specific structural defect present at large bending fluctuations, a 'kink', is responsible for the deviation from existing theory at lengths below about 80 base pairs. The RecQ DNA helicase is also of much biological and clinical interest, owing to its essential role in genome integrity via replication, recombination and repair. In humans, heritable defects in the RecQ helicases manifest clinically as premature aging and a greatly elevated cancer risk, in disorders such as Werner and Bloom syndromes. Unfortunately, the mechanism by which the RecQ helicase processes DNA remains poorly understood. Although several models have been proposed to describe the mechanics of helicases based on biochemical and structural data, ensemble experiments have been unable to address some of the more nuanced questions of helicase function. We prepare novel substrates to probe the mechanism of the RecQ helicase via single-molecule fluorescence, exploring DNA binding, translocation and unwinding. Using this insight, we propose a model for RecQ helicase activity.

La communication cellulaire est un phénomène important pour le maintien de l’homéostasie des cellules. Au court des dernières années, cette sphère de recherche sur la signalisation cellulaire a connue des avancées importantes au niveau de l’identification des acteurs principaux impliqués dans la reconnaissance extracellulaire des signaux, ainsi que la compréhension des voies de signalisation engagées par les cellules pour répondre aux facteurs extracellulaires. Malgré ces nouvelles informations, les diverses interrelations moléculaires entre les acteurs ainsi que les voies de signalisation cellulaire, demeurent mal comprises. Le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) permet la mesure d’interactions protéiques et peut être utilisé dans deux configurations, le BRET480-YFP (connu aussi comme le BRET1) et le BRET400-GFP (connu aussi en tant que BRET2). Suite à l’oxydation de son substrat, la luciférase de renilla peut transférer son énergie à une protéine fluorescente, uniquement si elles sont à proximité l’une de l’autre (≤100Å). La combinaison dans un seul essai des BRET480-YFP et BRET400-GFP, a permis de suivre trois paires d’interactions, sur une même population cellulaire. Par contre, l’utilisation de deux substrats pour la réaction de bioluminescence rend impossible la mesure simultanée des différents signaux de BRET, pour ce trois nouvelles configurations de BRET ont été mises au point en utilisant des nouvelles protéines fluorescentes. Ainsi deux des nouvelles couleurs de BRET ayant des émissions résolues, le BRET400-BFP et le BRET400mAmetrine ont pu être combinées pour mesurer l’engagement par un RCPG d’une protéine G, ainsi que l’accumulation du second messager. La combinaison de ces BRET a également permis de révéler la formation d’un complexe entre le récepteur α2A adrénergique (α2AAR), Gαi1, le dimère Gβγ ainsi que la kinase des récepteurs couplés aux protéines G (GRK2), suite à l’activation du récepteur. De plus, seule l’entrée de GRK2 semble être en mesure de causer la désensibilisation du α2AAR, en s’intercalant entre Gαi1 et Gβγ. Par contre, la stabilisation de l’interaction entre α2AAR et la β-arrestine2 semble nécessiter l’activité kinase de GRK2. Une autre étude a révélé l’importance de différentes Gα pour la mobilisation du calcium, suite à l’activation du récepteur aux opioïdes de type delta (DOR). Suite à la surexpression de Gα de la famille Gαq, il a été possible de mesurer une influence de ces Gα sur la mobilisation du calcium. Toutefois, cette réponse calcique mesurée en présence des Gαq demeure sensible aux prétraitements à la toxine de Bordetella pertussis, qui inhibe sélectivement l’activité des Gαi. De plus, la co-expression de Gαi et Gαq permet de potentialiser la mobilisation de calcium, démontrant une interrelation entre ces deux familles de protéine Gα, pour la signalisation du DOR. Afin de démontrer l’interrelation directe, des expériences de BRET ont été réalisées entre différentes Gα. En plus de montrer la formation de complexes sélectifs entre les Gα, les expériences de BRET réalisées en parallèle d’analyses de séquences de Gα, ont également mis à jour un site de sélectivité d’interaction entre les Gα, l’hélice α4. Suite à la transposition de cette hélice α4 de Gα12 sur Gαi1, qui normalement n’interagissent pas, il a été possible de forcer l’interaction entre Gα12 et Gαi1, confirmant ainsi que cette hélice α contient l’information permettant une sélectivité d’interaction. Au cours de cette thèse, il a été possible de générer de nouvelles méthodes de mesure d’interactions protéiques qui permettent de multiplexer différents signaux, ce qui a permis de mettre à jour de nouvelles interactions entre divers effecteurs de la signalisation de RCGP / Cellular communication is an important phenomenon for the maintenance of cellular homeostasis. Recently, important progress has been made in the cell signalling research field concerning the identification of the major actors and the cellular pathways engaged in response to these extracellular factors. However, in spite of this new information, the interrelationships at the molecular level between the various cellular actors and the different signalling pathways remain badly understood. Bioluminescence resonance energy transfer (BRET) monitors interactions between proteins and can be used in two configurations, the BRET480-YFP (also known as BRET1) and the BRET400-GFP (also known as BRET2). Following oxidation of its substrate, renilla luciferase transfers its energy to a fluorescent protein, only if they are in close proximity (≤100Å). By combining the BRET480-YFP and BRET400-GFP in one assay, it is possible to follow three pair-wise interactions in the same cellular population. However, using two bioluminescence reaction substrates limits the possibility of measuring the different BRET signals simultaneously. In order to measure multiple BRET signals simultaneously, three new BRET configurations, based on the BRET400-GFP, were developed using fluorescent proteins with different emission wavelengths. Two of the new BRET colors which have resolved emission wavelengths, the BRET400-BFP and BRET400mAmetrine, were combined for measuring the heterotrimeric G protein engagement by the vasopressin V2 receptor, as well as the accumulation of the second messenger. Combining these new BRET techniques reveals for the first time the formation of a complex between the α2A adrenergic receptor (α2AAR), Gαi1, the Gβγ dimer and G protein-receptor kinase (GRK2) following receptor activation. Moreover, only the entry of GRK2 into the receptor complex is required for the α2AAR desensitization, by inserting between Gαi1 and Gβγ. On the other hand, the stabilization of the interaction between α2AAR and β-arrestin2 requires the kinase activity of GRK2. Another study revealed the importance of multiple Gα subunits for calcium mobilization induced upon activation of the delta opioid receptor (DOR). Gαq subfamily member overexpression altered the DOR-induced calcium mobilization, but this Gαq calcium mobilization remained sensitive to pre-treatement pertussis toxin, through selective inhibition of the activity of Gαi members. Moreover, Gαi and Gαq co-expression potentiated calcium mobilization, suggesting an interrelationship between these two Gα families in DOR signaling. This Gαi and Gαq interrelationship could result from the formation of a complex close to the receptor. In order to test this hypothesis, BRET experiments were performed, with the aim of measuring the presence of complexes between different Gα. In addition to demonstrating complex formation between Gα subunits, the BRET experiments in parallel with sequence analysis, also revealed a selective interaction site between the Gα, the α4 helix. By swapping the a4 helix of Gαi with the α4 helix of Gα12, which doesn’t normally interact with Gα12, it was possible to force the interaction between Gα12 and Gαi to confirm that this α helix contains information concerning the selectivity of interactions between Gα subunits. During this thesis, new methods were to detect protein interactions and multiplexing these methods allowed the detection of novel interactions between signalling effectors of GPCRs.

[ES] El calcio (Ca2+) es un catión esencial que juega un papel fundamental en todos los organismos vivos. Desde el punto de vista funcional, el Ca2+ actúa como un segundo mensajero que regula distintos procesos celulares. Trabajos anteriores indican que la señalización mediante Ca2+ podría estar implicada en las primeras etapas de la inducción de la embriogénesis in vitro de las plantas, pero el verdadero papel del Ca2+ en este proceso es aún desconocido. Por eso, el principal objetivo de la presente Tesis es el estudio del papel del Ca2+ en la embriogénesis in vitro mediante dos sistemas in vitro: la embriogénesis somática y la embriogénesis de microsporas. Para determinar la importancia de la homeostasis del Ca2+ en la inducción de la embriogénesis y las dinámicas de los niveles de Ca2+ durante la inducción y el establecimiento de embriones somáticos y derivados de microsporas, se utilizaron tratamientos químicos y se detectaron los niveles de Ca2+ mediante sondas fluorescentes y sensores cameleon codificados genéticamente, visualizados con microscopía fluorescente y confocal. Observamos que el aumento de Ca2+ es un marcador temprano en la inducción de la embriogénesis in vitro y que los niveles de Ca2+ durante la embriogénesis in vitro son dinámicos en todos los sistemas estudiados. Además, las oscilaciones en los niveles de Ca2+ podrían estar relacionadas con los procesos de diferenciación que ocurren en las células inducidas una vez une el Ca2+ a la calmodulina. Mostramos que un aumento de Ca2+ dentro de un rango definido de concentración tiene un efecto positivo, dependiendo del sistema, en la producción de embriones, siendo más sensibles aquellos sistemas basados en suspensiones de células aisladas que aquellos que usan tejidos como explantes. Finalmente, estudiamos el papel de la calosa durante la embriogénesis somática, observando que la inhibición de la deposición de calosa impide el desarrollo embrionario, lo que sugiere una relación entre la formación de una barrera de calosa y el establecimiento de la identidad embrionaria en las células somáticas. / [CAT] El calci (Ca2+) és un catió essencial que juga un paper fonamental en tots els organismes vius. Des del punt de vista funcional, el Ca2+ actua com a un segon missatger que regula diferents processos cel·lulars. Treballs anteriors indiquen que la senyalització mitjançant el Ca2+ podria estar implicada en les primeres etapes de la inducció de l'embriogènesi in vitro de les plantes, però el paper real del Ca2+ en aquest procés encara és desconegut. Per això, el principal objectiu de la present Tesi és l'estudi del paper del Ca2+ en l'embriogènesi in vitro mitjançant dos sistemes in vitro: l'embriogènesi somàtica i l'embriogènesi de micròspores. Per tal de determinar la importància de l'homeòstasi del Ca2+ en la inducció de l'embriogènesi i les dinàmiques dels nivells de Ca2+ durant la inducció i l'establiment d'embrions somàtics i derivats de micròspores, es van utilitzar tractaments químics i es van detectar els nivells de Ca2+ mitjançant sondes fluorescents i sensors de cameleon codificats genèticament, visualitzats amb microscòpia fluorescent i confocal. Vam observar que l'augment de Ca2+ és un marcador primerenc en la inducció de l'embriogènesi in vitro i que els nivells de Ca2+ durant l'embriogènesi in vitro són dinàmics en tots els sistemes estudiats. A més, les oscil·lacions en els nivells de Ca2+ podrien estar relacionades amb els processos de diferenciació que tenen lloc en les cèl·lules induïdes una vegada uneix el Ca2+ a la calmodulina. Vam mostrar que un augment de Ca2+ dins d'un rang definit de concentració té un efecte positiu, depenent del sistema, en la producció d'embrions, essent més sensibles aquells sistemes basats en suspensions de cèl·lules aïllades que aquells que usen teixits com a explants. Finalment, vam estudiar el paper de la cal·losa durant l'embriogènesi somàtica, i vam observar que la inhibició de la deposició de cal·losa impedeix el desenvolupament embrionari, la qual cosa suggereix una relació entre la formació d'una barrera de cal·losa i l'establiment de la identitat embrionària en les cèl·lules somàtiques. / [EN] Calcium (Ca2+) is an essential cation that plays fundamental roles in all living organisms. From a functional point of view, Ca2+ acts as a second messenger that regulates different cellular processes. Previous works point to the fact that Ca2+ signaling may be involved in the early stages of induction of in vitro plant embryogenesis, but the actual role of Ca2+ in this process remained unveiled. Thus, the main goal of the present Thesis is to study the role of Ca2+ in in vitro embryogenesis using two in vitro systems: somatic embryogenesis and microspore embryogenesis. Chemical treatments and detection of Ca2+ with fluorescent probes and genetically-encoded cameleon sensors imaged by fluorescence and confocal microscopy were performed to determine the importance of Ca2+ homeostasis for induction of embryogenesis and the dynamics of Ca2+ levels during the induction and establishment of somatic and microspore-derived embryos. We observed that Ca2+ increase is an early marker of induction of in vitro embryogenesis and Ca2+ levels during in vitro embryogenesis are dynamic in all the systems we studied. Moreover, Ca2+ oscillations might be related to the differentiation processes that take place in the induced cells upon binding to calmodulin. We showed that Ca2+ increase within a defined range has system-specific positive effects in embryo yield, being more sensitive those systems using isolated cell suspensions rather than those using tissues as explants. Finally, we studied the role of callose during somatic embryogenesis, and we observed that inhibiting callose deposition prevents embryo development, which suggests a relationship between the formation of a callose barrier and the establishment of embryo identity in somatic cells. / Calabuig Serna, A. (2023). Multidisciplinary study of the role of calcium in plant in vitro embryogenesis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196022