La chimie des foldamères est un domaine de recherche en pleine expansion où les chimistes explorent la construction d’architectures artificielles variées mimant les structures repliées des biopolymères naturels. Les foldamères d’oligoamides quinoline, constituent une branche importante des foldamères montrant de nombreuses caractéristiques attractives, incluant la stabilité et la prédictibilité de leurs conformations repliées, qui en font de bons candidats pour des applications biologiques. Jusqu’à présent, la plupart des études sur les foldamères d’oligoamides quinolines ont été menées dans des solvants organiques. Cette thèse a pour objectif d’étendre leur portée au milieu aqueux et présente plusieurs méthodologies pour parvenir à leur solubilité, leur repliement, la variation de leurs chaines latérales, leur agrégation et leur capacité à former des cristaux dans l’eau.Tout d’abord, une méthode de synthèse en phase solide a été développée permettant l’accès rapide aux foldamères hybrides α-amino acide/quinoline (X/Q). Leur étude dans l’eau montre que contrairement aux foldamères hybrides de type (XQ)n, ceux de type (XQ2)n sont capables d’adopter une conformation hélicoïdale présentant un alignement des chaines α-amino acides dans l’espace. Ensuite, plusieurs chaines latérales courtes ont été identifiées pour doter les foldamères aromatiques d’une solubilité et d’une capacité à cristalliser dans l’eau. Six oligoamides quinoline ont ainsi été synthétisés pour une étude modèle. Des cristaux ont été obtenus pour toutes les séquences sauf une, présentant une excessive solubilité dans l’eau. Enfin, des efforts ont été faits pour construire des faisceaux d’hélices auto-assemblés dans l’eau à base d’effets hydrophobes et d’interactions électrostatiques. Les études RMN et cristallographiques ont indiqué que les effets hydrophobes étaient plus faibles qu’attendu et ne provoquaient pas d’agrégation forte. / Foldamer chemistry is a rapidly expanding research field where chemists explore the construction of various artificial architectures that mimic the folded structures of biopolymers found in nature. Quinoline oligoamide foldamers, as an important branch of foldamers, have been shown to possess many desirable features, including stability and predictability of their folded conformations, and are promising candidates to achieve biological applications. Up to now, most investigations of quinoline oligoamide foldamers have been carried out in organic solvents. This thesis is aimed to expand their scope in aqueous medium and presents several methodologies to achieve solubility, folding, side-chain variation, aggregation and crystal growth ability in water.First, a solid phase synthesis method was developed to enable the fast access to α-amino acid/quinoline (X/Q) hybrid oligoamide foldamers. The study of these hybrid foldamers in water showed that contrary to (XQ)n-type foldamers the (XQ2)n-type foldamers could adopt aromatic helical conformations with α-amino acid side chains aligned in space. Then, several short side chains were identified to endow aromatic foldamers with both solubility in, and crystal growth ability from water. Six quinoline oligoamides displaying these side chains were synthesized as a case study. Crystals were obtained from aqueous medium in all cases but one, exceedingly soluble in water. At last, efforts were made to construct self-assembled aromatic helix bundles in water based on hydrophobic effects and electrostatic interactions. NMR and crystallographic studies indicated that hydrophobic effects are weaker than expected and not strongly conducive of aggregation.

Les comportements de dispersion, c'est-À-Dire les mouvements conduisant à des flux de gènes dans l'espace, jouent un rôle majeur dans de nombreux processus écologiques et évolutifs. Les Gastéropodes terrestres sont des hermaphrodites simultanés dont le mouvement est extrêmement coûteux, une combinaison de traits très intéressante pour étudier les liens entre dispersion et autres traits d'histoire de vie. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié (i) les relations complexes entre dispersion, croissance, reproduction mâle et femelle chez le petit-Gris Cornu aspersum, un escargot anthropophile, (ii) comment la dispersion et le comportement exploratoire de cette espèce varient en fonction de la compétition ressentie et de l'hétérogénéité environnementale, (iii) comment la propension à disperser coévolue avec d'autres traits à l'échelle interspécifique. Cornu aspersum passe par une phase subadulte mâle de durée variable avant de devenir adulte et hermaphrodite. Le comportement de dispersion s'exprime principalement pendant cette phase subadulte, et sa diminution chez les adultes est liée à l'accroissement de l'investissement dans la fonction femelle. Cette espèce disperse de façon très densité-Dépendante : les individus quittent les sites à haute densité et s'installent dans ceux peu peuplés, une stratégie qui facilite la colonisation et la persistance en environnements instables. La propension à explorer augmente en environnements urbains fragmentés, malgré les coûts plus élevés du mouvement. Au niveau interspécifique, dispersion et généralisme sont liés, ce qui rend les espèces spécialistes doublement vulnérables, mais facilite le succès des généralistes en milieux hétérogènes. Cette combinaison de traits a probablement joué un rôle majeur dans la colonisation de nombreux milieux anthropisés par cette espèce à travers le monde. / Dispersal behaviours, i.e. movements leading to gene flow in space, play a key role in many ecological and evolutionary processes. Terrestrial gastropods are simultaneous hermaphrodites and have an extremely high cost of locomotion, a seldom studied combination of traits which makes them very valuable to investigate the links between dispersal and other life-History traits. During this project, we investigated (i) the complex relationships and trade-Offs between dispersal behaviour, growth, male and female reproduction in the anthropophilous brown garden snail Cornu aspersum, (ii) how its dispersal and exploration vary as a function of competition and environmental heterogeneity, (iii) how dispersal ability coevolved with other traits at the interspecific level. This snail presents a male-Biased subadult phase of varying duration before reaching adulthood and hermaphroditism. Dispersal behavior was mostly expressed during this subadult stage, and its decrease in adults was linked to investment in the female function. Brown garden snail dispersal is highly density-Dependant: snails leave crowded sites and settle readily in low-Density patches, a strategy that facilitates colonization and persistence in spatio-Temporally variable environments. Their movement propensity increases in urban, fragmented habitats, despite the higher costs of movement. At the interspecific level, dispersal and ecological generalism are linked in a dispersal syndrome, which makes specialist species doubly vulnerable, but increases success odds of generalists in heterogeneous landscapes . This combination of traits is likely to have played a major role in the successful worldwide colonization of many anthropogenic landscapes by this species.

Le 26RFa est un neuropeptide de la famille des RFamide initialement isolé à partir d’un extrait de cerveaux de grenouille par notre laboratoire grâce à des anticorps dirigés contre le motif Arg-Phe-NH2 du NPFF de boeuf. Simultanément, deux laboratoires pharmaceutiques ont identifié le GPR103, un récepteur couplé aux protéines G jusque là orphelin, comme étant le récepteur de ce neuropeptide. Depuis, le GPR103 a été renommé QRFPR pour Pyroglutamylated RFamide peptide receptor. L’ADNc du pro-26RFa a été cloné chez différentes espèces, de l’amphioxus Branchiostoma floridae jusqu’à l’homme, ce qui a permis d’identifier dans le précurseur plusieurs sites de clivage potentiels par les prohormone convertases susceptibles de générer, outre le 26RFa, une forme allongée en N-terminal, le 43RFa aussi dénommé QRFP, et un peptide situé à l’extrémité C-terminale des 26RFa et 43RFa, le 26RFa(20-26), dont la séquence (GGFSFRF-NH2) est hautement conservée des amphibiens aux mammifères. Des expériences menées in vivo ou ex vivo chez le rongeur ont montré que le 26RFa et/ou le QRFP augmentent de façon dose-dépendante la consommation de nourriture, stimulent la sécrétion de gonadotropines et d’aldostérone et modulent la libération d’insuline induite par le glucose. Par ailleurs, l’invalidation du gène codant le QRFPR chez la souris provoque une ostéoporose sévère. L’ensemble de ces données indique que le 26RFa pourrait exercer diverses activités biologiques chez les vertébrés telles que le contrôle de la prise alimentaire, de l’insulinémie, de la reproduction, de l’homéostasie hydrominérale et de l’ostéogenèse. Enfin, il avait été montré précédemment que le 26RFa(20-26) mime les effets orexigèniques, insulinostatiques et hypophysiotropes du peptide de référence. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes fixés comme objectifs de répondre aux questions suivantes (1) quel est l’impact de la variation de la longueur de la chaîne et de l’alkylation de la fonction guanidinium de l’Arg25 du 26RFa(20-26) sur l’activation du QRFPR ? (2) quel est l’effet d’analogues remarquables du 26RFa humain sur la prise alimentaire et l’homéostasie glucidique chez la souris ? et (3) la boucle extracellulaire reliant les domaines transmembranaires 4 et 5 (ECL2) du QRFPR présente-t-elle réellement une hélice-α dans le récepteur in cellulo et est-elle capable d’interagir avec l’hélice-α du 26RFa ? / 26RFa is a neuropeptide of the RFamide family, originally isolated from a frog brain extract by using antibodies raised against the Arg-Phe-NH2 motif. Concomitantly, two pharmaceutical companies have shown that 26RFa is the endogenous ligand of the former orphan G protein-coupled receptor GPR103 now renamed QRFPR. Analysis of the human 26RFa precursor indicates that pre-pro26RFa may generate several additional peptides including an N-terminally extended form (43RFa) and a truncated peptide 26RFa(20-26) (GGFSFRF-NH2) which is strictly conserved in mammals. In rodents, 26RFa and 43RFa induce a dose dependent increase in food intake, stimulate secretion of gonadotropins and aldosterone, as well as modulating glucose-induced insulin release. Furthermore, QRFPR-knockout mice suffer from osteopenia and exhibit the characteristic kyphotic hump of osteoporotic patients. Altogether these data indicate that 26RFa may exert diverse biological activities in vertebrates such as food intake control, reproduction and osteogenesis. It is important to note that the Cterminal heptapeptide, 26RFa(20-26), mimics the orexigenic and gonadotropic effects of 26RFa. The purpose of the present study was (1) to determine the impact of Arg25-modified 26RFa(20-26) analogues on the activation of the QRFPR (2) to evaluate the effect of remarkable analogues of hQRFPR, in vivo in a food intake and glucose homeostasis paradigm (3) to evaluate if the second extracellular loop (ECL2) of the QRFPR really presents a short α-helix and is able to interact with 26RFa α-helix?

Ectopic calcification can cause pain and limit mobility. Studies suggest that circadian genes may play a role in the calcification process. Core circadian genes Clock, Npas2, and Bmal1 are transcription factors that form CLOCK:BMAL1 or NPAS2:BMAL1 transactivator complexes that drive the rhythmic expression of circadian oscillator genes and output genes. Circadian oscillator genes Period1-3 and Cryptochrome1-2 encode proteins that form transcription repressor complexes that feedback to inhibit CLOCK/NPAS2:BMAL1 activity, thus completing the feedback loop that is the basis of the molecular circadian clockwork. Arrhythmic Bmal1-/- mice exhibit site-specific, age-dependent arthropathy. While studying the circadian phenotype of Clock-/-;Npas2m/m double mutant mice, we discovered that these double mutant mice develop site-specific arthropathy similar to the arthropathy described in Bmal1-/- mice. Based on the circadian clockwork mechanism, we hypothesized that CLOCK/NPAS2:BMAL1 transactivator complexes drive the expression of a gene (or genes) that prevents age-dependent arthropathy. To investigate Clock-/-;Npas2m/m double mutant mouse arthropathy, we evaluated mutant mice using X-ray, micro-computed tomography, and histology, and found that Clock-/-;Npas2m/m double mutant mice exhibit age-dependent, site-specific arthropathy that phenocopies that of Bmal1-/- mice. The costosternal junction and calcaneal tendon are most prominently affected, in that calcification of those tissues is detectable as early as 4-5 weeks and 11-12 weeks, respectively. The arthropathic lesions in these tissues consist of calcium phosphate vii deposits, and in Bmal1-/- costosternal junction calcifications, the deposits contain calcium pyrophosphate dihydrate crystals. Mechanical stress, disregulation of centrally-regulated circadian rhythms, and systemic serum mineral imbalances likely do not contribute to this pathology. In vitro micromass cultures generated from Clock-/-;Npas2m/m double mutant mouse embryonic fibroblasts do not exhibit irregular chondrocyte differentiation compared to wild-type cultures, suggesting that chondrocyte cell-autonomous mechanisms are insufficient to induce this arthropathy. Analysis of Clock-/-;Npas2m/m double mutant intersternebral tissue RNA did not reveal significant changes in chondrocyte or calcification-related gene expression. Histological stains showed an absence of osteoblasts and osteoclasts around costosternal junction calcifications, suggesting that these cell types are not contributing to this pathology. Instead, chondrocytes are localized to the costosternal junction but there were no significant changes in the distribution of chondrocyte markers in this tissue, as evaluated by immunohistochemistry. These findings suggest that Clock or Npas2, and Bmal1, regulate ectopic calcification through a combination of systemic and local factors, and that the cells affected by Clock and Npas2, or Bmal1, disruption are a subset of the cells distributed in specific tissues that develop age-dependent arthropathy. The significance of these findings is that “circadian genes” play a role in the regulation of ectopic calcification in a non-oscillator capacity. Understanding this new mechanism by which ectopic calcification is controlled could lead to novel approaches for the treatment of some human calcification diseases.

Collagen is one of the most abundant human proteins. It exists as a right-handed superhelix called the triple helix. The triple helix consists of three left-handed polyproline type II (PPII helices) that intertwine around a common axis. Each PPII helix has the repeating peptide sequence (Gly–Xaa–Yaa)n with a high content of (2S)-proline (Pro) in the Xaa position (ca. 28%) and (2S,4R)-hydroxyproline (Hyp) in the Yaa position (ca. 38%). Unique to the prolyl amide is the ease of cis-trans isomerization. Since the triple helix necessitates that all peptide bonds be in the trans conformation, isomerization is the rate-limiting step in collagen folding. However, eliminating isomerization with a trans-locked alkene isostere destabilizes collagen-like peptides. Collagen is stabilized by electronic interactions, namely the n→π* interaction. Halo-alkene isosteres may be used to recapture these electronic interactions and stabilize a collagen-like peptide. An in-depth conformational analysis was conducted at the MP2/6-311+G(2d,p) level of theory to determine the viability of conformationally-locked halo-alkene isosteres. Fluoro-alkenes and chloro-alkenes were modeled at both the Gly–Pro and Pro–Pro (as a Pro–Hyp mimic) amide positions. Compared to the collagen crystal structure PDB ID: 1K6F, we found the fluoro-alkenes were closer geometric matches to both Gly–Pro and Pro–Pro than the corresponding chloro-alkenes. The chloro-alkene was predicted to have stronger n→π* interactions. The trans-locked proteo-alkene was also analyzed to understand why it destabilized the triple helix. We found that these models had other local minima close to the desired PPII geometry, likely leading to enhanced backbone flexibility. This deleterious flexibility was not predicted for either fluoro-alkene or chloro-alkene models. The conformationally-locked halo-alkene isostere Fmoc–Gly–Ψ[(Z)CF=C]-Pro–Hyp(tBu)–OH was designed and synthesized as a (Z)-fluoro-alkene Gly–Pro isostere. We used the chiral catalyst, L-Thr, for asymmetric aldol addition to cyclopentanone, which inadvertently enhanced the yield of the wrong enantiomer, in contrast with aldol addition to cyclohexanone. A Mg2+-promoted Horner-Wadsworth-Emmons reaction afforded the (Z)-fluoro-alkene over the (E)-fluoro-alkene in about a 2:1 ratio. The two diastereomers, Fmoc–Gly–Ψ[(Z)CF=C]-L-Pro–Hyp(tBu)–OH and Fmoc–Gly–Ψ[(Z)CF=C]-D-Pro–Hyp(tBu)–OH were separated by supercritical CO2 chromatography. The collagen-like peptides Ac–(Gly–Pro–Hyp)3–Gly–Ψ[(Z)CF=C]-L-Pro–Hyp–(Gly–Pro–Hyp)4–Gly–Gly–Tyr–NH2, Ac–(Gly–Pro–Hyp)3–Gly–Ψ[(Z)CF=C]-D-Pro–Hyp–(Gly–Pro–Hyp)4–Gly–Gly–Tyr–NH2, and the control peptide Ac–(Gly–Pro–Hyp)8–Gly–Gly–Tyr–NH2 were synthesized on solid-phase resin. The CD spectra of all three peptides showed the characteristic collagen triple-helix signature. The folding stability was determined by thermal melting (Tm). The peptide with the fluoro-alkene guest, Gly–Ψ[(Z)CF=C]-L-Pro–Hyp, was found to have a Tm value of 42.2 °C. The Tm of the control peptide was found to be 49.0 °C, a difference in stability of only ΔTm –6.8. Thus, the (Z)-fluoro-alkene as a Gly–Pro isostere forms a relatively stable triple helix. The peptide with the Gly–Ψ[(Z)CF=C]-D-Pro–Hyp guest was shown to have a linear relationship between ellipticity and temperature, indicating that a stable triple helix did not form. The enhanced stability of the (Z)-fluoro-alkene compared to the (E)-alkene Gly–Pro isostere (Tm = 28.3 °C) may be due to a stabilizing n→π* interaction, as determined by NMR deshielding of the 19F nucleus in the collagen-like peptide. In biological systems, isomerization of the prolyl amide is catalyzed by enzymes called PPIases. The PPIase Pin1 specifically catalyzes isomerization of the pSer–Pro sequence from the cis-conformation to the trans-conformation. Pin1 plays a crucial role in the G2→M transition of the cell cycle, implying the importance of cis-trans isomerization. The dipeptides H–Ser–Ψ[(Z)CH=C]-Pro–OH, H–Ser–Ψ[(E)CH=C]-Pro–OH and native H–Ser–Pro–OH were synthesized by literature methods, and activated for aminoacylation of tRNACUA for in vitro transcription-translation. Aminoacylation by chemical methods required the synthesis of a pdCpA dinucleotide. Formation of the dipeptide-dinucleotide complex was not completed because protection of the Ser side chain was problematic. On the other hand, conversion of the dipeptide into the 3,5-dinitrobenzyl ester conjugate allowed for enzymatic aminoacylation using the dFx flexizyme, an RNA enzyme. The native dipeptide was successfully coupled to tRNACUA and is ready for incorporation into a full-length Bora protein by in vitro transcription-translation. Both cis- and trans-locked alkene mimics have been converted to their respective 3,5-dinitrobenzyl ester conjugates. / Doctor of Philosophy / The proline amide (Xaa–Pro) in peptides and proteins is unique in that it allows for cis-trans isomerization. The triple-helix region of human collagen consists mostly of the repeating sequence (Gly–Pro–Hyp)n. Xaa–Pro amide-bond isomerization is rate-limiting for triple-helix formation. We eliminated isomerization at one position in a collagen-like peptide with a locked alkene mimic of Gly–Pro to attempt to stablize the triple-helix. Our computational results predicted that a fluoro-alkene Gly–Pro isostere would be a close geometric match for the native amide. Experimental results showed that a collagen-like peptide with a fluoro-alkene Gly–Pro isostere has an unfolding temperature that is 6.9 °C lower than the native control peptide. 19F NMR data of the collagen-like peptide shows a surprising deshielding of the fluorine nucleus, suggesting its participation in a stabilizing n→π* electronic interaction, similar to the native amide. Isomerization also plays a key role in proper cell division. We followed established methods to synthesize the cis- and trans-locked alkene mimics of Boc–Ser–Pro–OH and converted them into the 3,5-dinitrobenzyl ester conjugates. The 3,5-dinitrobenzyl ester is recognized by the dinitrobenzyl flexizyme (dFx) for enzymatic aminoacylation of tRNA. Once the alkene isosteres are aminoacylated, they will be incorporated into a full-length cell cycle regulatory protein called Bora to determine whether the cis- or trans-Pro state is necessary for healthy human mitosis, and which results in cancerous human mitosis.

Die Assemblierung von Influenzaviren erfolgt an Rafts der apikalen Wirtszellplasmamembran mit denen das Hämagglutinin (HA) über Acylierungen im C-Terminus und hydrophobe Aminosäuren seiner Transmembrandomäne (TMD) interagiert. M2 besitzt eine cytoplasmatische amphiphile Helix (AH), die ebenso potenzielle Raft-Motive aufweist: Eine Acylierung und Cholesterol-Bindemotive. In dieser Arbeit wurde per Konfokalmikroskopie an polarisierten Zellen, die fluoreszenzmarkierte M2-Varianten exprimierten, gezeigt, dass diese M2-Motive nicht für den apikalen Transport, der vermutlich durch Raft-ähnliche Vesikel erfolgt, benötigt werden. Messungen des Förster-Resonanzenergietransfers über Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie (FLIM-FRET) in der Plasmamembran lebender Zellen, die fluoreszenzmarkiertes HA und M2 koexprimierten, ergaben, dass diese Motive auch nicht für die Interaktion mit den durch HA, in Abhängigkeit von dessen Raft-Motiven, stabilisierten Raft-Domänen notwendig sind. Mittels reverser Genetik konnten infektiöse WSN-Viren mit fehlender Acylierung am Ende der HA-TMD, nicht jedoch Viren ohne die zwei cytoplasmatischen Acylierungen hergestellt werden. Weiterhin ergaben Wachstumsanalysen, dass die Acylierung von HA und M2 für den gleichen Schritt des viralen Replikationszyklus von Bedeutung sind. Für die M2-AH wurde postuliert, dass sie die Membrankrümmung detektiert und durch Insertion in die Wirtszellmembran die Virusabschnürung bewirkt. Infektiöse Viren ohne M2 oder ohne die AH konnten ebenso wie Viren mit M2 mit einer Helix mit reduzierter Amphiphilität in dieser Arbeit nicht hergestellt werden. Allerdings führte die Substitution der AH durch typische krümmungsdetektierende oder modulierende Helices zu Viren, deren Wachstum um zwei bis vier Titerstufen im Vergleich zum Wildtyp reduziert war. Die Helix-Amphiphilität scheint wichtig zu sein, aber auch die Sequenz oder bestimmte Aminosäuren sind offenbar für eine effiziente Virusreplikation notwendig. / The assembly of influenza virus particles occurs at the apical plasma membrane of the host cell at membrane rafts which the hemagglutinin (HA) interacts with via acylations in its C-terminal region and via hydrophobic amino acids in the transmembrane domain (TMD). M2 possesses a cytoplasmic amphiphilic helix (AH) that also contains potential raft motifs: an acylation and cholesterol-binding motifs. In this work, confocal microscopy of polarised cells, which were expressing fluorescently labelled M2-variants, demonstrated that these motifs of M2 are not required for apical transport, which is assumed to be mediated by raft-like vesicles. Furthermore, FLIM-FRET (Förster resonance energy transfer measured via fluorescence lifetime imaging microscopy) analyses, performed in the plasma membrane of living cells coexpressing fluorescently labelled HA and M2, revealed that these M2-motifs are not required for association with the large coalesced raft phase organised by HA. In contrast, deleting HA’s raft-targeting features clearly reduced clustering with M2. While the removal of the two cytoplasmic acylations prevented the rescue of infectious virus by reverse genetics, a mutant virus without acylation in the HA-TMD could be rescued. Moreover, growth analyses revealed that the acylations of HA and M2 are important for the same step in the viral replication cycle. It has been postulated that the M2-AH detects membrane curvature and accomplishes membrane scission by inserting into the host cell membrane. Viruses without M2, without the M2-AH or with M2 containing a helix with reduced amphiphilicity could not be produced in this work. However, substituting the AH by typical curvature-sensing or -generating helices led to viruses with two to four orders of magnitude reduced growth as compared to wildtype virus. The amphiphilicity of the helix seems to be important, but also the sequence or specific amino acids appear to be necessary for an efficient virus replication.

Die pflanzliche Light-harvesting complex-Proteinfamilie besteht aus Proteinen mit vielfältigen Funktionen. Dabei ist die Funktion der Light-harvesting-like 3-Proteine (LIL3) sowie der One-helix-Proteine (OHPs) weitestgehend unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass LIL3 nicht nur mit der Geranylgeranyl-Reduktase (CHLP), sondern auch mit der Protochlorophyllid-Oxidoreduktase (POR) interagiert. Sowohl CHLP als auch POR werden über die Interaktion zu LIL3 an die Thylakoidmembran gebunden und dadurch stabilisiert. Beide Enzyme liefern die direkten Vorstufen für den von der Chlorophyll-Synthase (CHLG) katalysierten finalen Chlorophyll-Syntheseschritt. Neben der Bestätigung der bereits früher gezeigten Chlorophyllbindung von LIL3 konnte eine Affinität zu den späten Intermediaten der Chlorophyllbiosynthese Proto IX, MgP, MgPMME und Pchlid nachgewiesen werden. Die größte Affinität bestand dabei gegenüber dem Substrat von POR, Pchlid. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird LIL3 als Regulator der späten Chlorophyllbiosynthese-Schritte vorgeschlagen: LIL3 transportiert Substrate zwischen den Enzymen und ermöglicht durch die Bindung von CHLP und POR die Synthese der Chlorophyll-Edukte in räumlicher Nähe. Dadurch wird die Versorgung von CHLG mit dessen Edukten favorisiert. Beide OHP-Varianten (OHP1/2) bilden ausschließlich Heterodimere und binden Chlorophyll sowie Carotinoide im Verhältnis 3:1. Die Pigmentbindung basiert auf den konservierten Aminosäuren im Chlorophyllbindemotiv. An das OHP1-OHP2-Dimer bindet der PSII-Assemblierungsfaktor HCF244 und wird dadurch an der Membran verankert. HCF244 stabilisiert das OHP-Heterodimer und beide OHPs stabilisieren sich gegenseitig. Der heterotrimere OHP1-OHP2-HCF244-Komplex ist für die D1-Synthese wesentlich. Es wird vermutet, dass die OHPs an der co-translationalen Beladung von (p)D1 mit Pigmenten beteiligt sind sowie frühe Assemblierungsintermediate von PSII vor überschüssiger Anregungsenergie schützen. / The plant light-harvesting complex protein family comprises different members with a variety of functions. However, the function of the light-harvesting-like 3 proteins (LIL3) as well as the one-helix proteins (OHPs) is largely unknown. In this thesis, an interaction of LIL3 not only with geranylgeranyl-reductase (CHLP), but also with protochlorophyllide-oxidoreductase (POR) could be established. LIL3 tethers CHLP and POR to the thylakoid membrane, thereby conferring stability to both enzymes. Both CHLP and POR are synthesizing the direct chlorophyll precursors which are combined to chlorophyll by the subsequent chlorophyll synthase (CHLG). In addition to the chlorophyll binding ability of LIL3 reported earlier, an affinity of LIL3 towards the chlorophyll biosynthesis intermediates Proto IX, MgP, MgPMME, and Pchlide could be shown. Interestingly, the highest affinity of LIL3 was exerted towards Pchlide which is the substrate of POR. Therefore, LIL3 is postulated to shuffle the intermediates between enzymes and brings CHLP and POR in close proximity, which may help to supply CHLG with its substrates. Regarding the function of the OHPs an exclusive heterodimer formation of both the OHP1 and OHP2 variants could be shown. The OHP1-OHP2-heterodimer is able to bind chlorophyll and carotenoids in an approximate 3:1 ratio and pigment binding depends on dimer formation as well as the presence of the conserved amino acids in the chlorophyll binding motif. The PSII-assembly factor HCF244 is anchored to the thylakoid membrane by binding to both OHPs, thereby stabilizing the OHP-heterodimer. The heterotrimeric OHP1-OHP2-HCF244-complex is essential for D1 biosynthesis, although the exact molecular function of HCF244 is still unknown. It is suggested that the OHP-dimer is responsible for co-translational loading of (p)D1 with pigments as well as photoprotection of early PSII assembly intermediates.

Integral membrane proteins of the DP1 and reticulon families are responsible for maintaining the high membrane curvature required for both smooth ER tubules and the edges of ER sheets. Mutations in these proteins lead to motor neurone diseases such as hereditary spastic paraplegia. Reticulon/DP1 proteins contain Reticulon Homology Domains (RHD) that have unusually long (≈30 aa) hydrophobic segments and are proposed to adopt intramembrane helical hairpins that stabilise membrane curvature. I have uncovered the secondary structure and dynamics of the DP1 protein Yop1p and identified a C-terminal conserved amphipathic helix that on its own interacts strongly with negatively charged membranes and is necessary for membrane tubule formation. Analyses of DP1 and reticulon family members indicate that most, if not all, contain C-terminal sequences capable of forming amphipathic helices. Together, these results indicate that amphipathic helices play a previously unrecognised role in RHD membrane curvature stabilisation. This work paves the way towards full structure determination of Yop1p by solution state NMR and marks the first high structural resolution study on an RHD protein.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un projet à long terme concernant le développement de nouvelles réactions de contraction de cycle originales afin d'accéder à des édifices moléculaires organisés à activités biologiques potentielles. Généralement découvertes de manière fortuite, les réactions de contraction de cycle sont des réarrangements offrant l'avantage de modifier rapidement le squelette des molécules et permettant donc un accès facile à des analogues structurels, une propriété intéressante et utile aussi bien en chimie de synthèse qu'en chimie médicinale. Dans cette optique, trois réactions de contraction de cycle différentes ainsi que leurs applications seront rapportées dans ce manuscrit. La première décrit la réactivité particulière des bis-Boc 2,5-dicétopipérazines (DKPs) en milieu basique et leur conversion en hydantoïnes, deux squelettes hétérocycliques d'intérêt pharmacologique. Ce nouveau réarrangement a été appliqué à différentes DKPs avec des rendements satisfaisants et de bons excès énantio- ou diastéréoiso-mériques. L'intérêt des bis-Boc DKPs en tant que plateforme de départ dans la construction de structures complexes a ensuite été démontré lors de l'obtention de spirolactames grâce à l'utilisation de la réaction de réarrangement transannulaire de lactames activés (TRAL) et la mise au point d'une stratégie de cyclisation rapide et efficace. Après dimérisation de ces bicycles, les études par dichroïsme circulaire, RMN et modélisation moléculaire ont mis en évidence un comportement similaire à celui d'hélices de polyproline II (PPII), des structures peptidiques secondaires largement impliquées dans les interactions protéine-protéine et dans des processus pathogènes. Afin de valider le potentiel de mimes de nos dimères, une fonctionnalisation de ces substrats s'est avérée nécessaire, qui a été en partie réalisée grâce à la découverte d'une nouvelle réaction de contraction de cycle. Effectuée à chaud dans plusieurs solvants et en présence d'un catalyseur de type triflate, ce réarrangement permet la conversion de quelques bicycles accolés en spirocycles avec de bons rendements. L'intérêt de ces travaux réside ainsi sur l'utilisation de 2,5-dicétopipérazines activées comme substrat de départ et démontre la gamme d'applications multiples des réactions de contraction de cycle. / This work is part of a long-term project aiming to develop new and original ring contraction reactions to access organised molecular edifices with potential biological activities. Ring contraction reactions are usually discovered in a fortuitous manner and present the advantage of rapid and efficient modifications of the molecular skeletons, allowing thus an easy access to structural analogues, a useful and interesting property both in terms of synthetic and medicinal chemistry. With this aim in mind, three different ring contraction reactions, as well as their uses, are reported in this manuscript. The first one describes the particular reactivity of bis-Boc 2,5-diketopiperazines (DKPs) in a basic medium and their conversion into hydantoins, two heterocyclic skeletons with pharmacological interest. This new rearrangement has been applied to several DKPs with acceptable yields and good enantio- or -diasteroiso-meric excesses. The interest of bis-Boc DKPs as starting platforms for the construction of complex structures has later been demonstrated with the obtaining of spirolactams thanks to the use of the transannular rearrangement of activated lactams (TRAL) reaction followed by a fast and efficient ring-synthesis strategy. The studies by circular dichroism, NMR and molecular modelling performed after the dimerisation of those bicycles showed a similar behaviour to the one of polyproline II (PPII) helix, a secondary peptidic structure involved in protein-protein interactions and in pathogenic processes. A functionalization of our dimer then turned out to be necessary in order to validate the mimic potential of our dimers, which was done in part thanks to the discovery a new ring contraction reaction. In the presence of a triflate catalyst in various solvents under high temperatures this rearrangement allows a clean conversion of some fused bicycles into spirocycles with good yields. The interest of this work thus lies in the use of activated 2,5-diketopiperazines as starting materials and demonstrates the wide range of applications of ring contraction reactions.

La communication entre les différentes organelles se fait par l’intermédiaire du trafic vésiculaire, un processus qui nécessite un remodelage continu des membranes. Les vésicules fortement courbées bourgeonnent d'un compartiment donneur et fusionnent avec un compartiment accepteur. Les protéines impliquées dans le bourgeonnement et fusion des vésicules ont été largement étudiées. Récemment, la découverte de détecteurs de courbure membranaire a révélé que le trafic membranaire pourrait être régulé à un niveau supplémentaire, par la détection de la forme de la membrane. Le premier détecteur de courbure membranaire identifié était le motif ALPS (Amphipathic Lipid Packing Sensor), qui a été trouvé dans un certain nombre de protéines de la voie sécrétoire précoce et l'enveloppe nucléaire. La protéine d’arrimage GMAP-210 localisé au niveau du cis-Golgi, est composée d’une longue superhélice (coiled-coil) et d’un motif ALPS à l'extrême N-terminale. Il a été démontré in vitro, que ce motif se replie et forme une hélice amphipathique capable de se fixer sur des petits liposomes. Toutefois, l'identité des vésicules, reconnues par ce détecteur de courbure dans la cellule, reste inconnue. α-Synucléine est une autre protéine qui se lie préférentiellement à des membranes très courbées. Cette protéine localisée sur les vésicules synaptiques, est impliquée dans la régulation du taux de vésicules au niveau des terminaisons nerveuses pré-synaptiques. Connue pour son rôle central dans le développement de la maladie de Parkinson, α-synucléine contient une région non structurée en solution, mais qui forme une hélice amphipathique au contact de petits liposomes in vitro. Les hélices amphipathiques formées par le motif ALPS et α-synucléine sont très différentes aussi bien sur le plan chimique que sur le plan conformationel. Le motif ALPS possède une face hydrophobe bien développée, mais un coté polair pauvre avec très peu de résidus chargés. α-Synucléine, en revanche, a un côté hydrophobe modéré, et une face polaire zwitterionique riche en résidus chargés. L'objectif principal du projet était de comparer les propriétés de liaison aux membranaires in vivo et in vitro de ces deux hélices amphipathiques de structure opposée. L’expression de ces deux sondes chez la levure, favorise l'accumulation de structures vésiculaires de propriétés différentes. L'extrémité N-terminale de la protéine GMAP-210 contenant son motif ALPS (GMAPN) co-localisé spécifiquement avec des marqueurs de la voie sécrétoire précoce, alors une sonde contenant une portion de l’hélice amphipathique d’α-synucléine co-localise avec des marqueurs endocytiques et post-Golgiens. La mutagenèse du motif ALPS et l'inversion de la séquence de ALPS dans GMAPN confirment que ce détecteur de courbure membranaire se fixe spécifiquement aux vésicules via des interactions directes protéines-lipides, plutôt que les interactions protéines-protéines. Notre analyse a montré que ces détecteurs de courbure mammifères, exprimés dans la levure préservent leur capacité à cibler des vésicules spécifiques, vésicules de la voie sécrétoire précoce pour les motifs ALPS, et vésicules d’endocytose/post-Golgi pour α-synucléine. La composition membranaire de ces vésicules correspond à la composition des liposomes fixés par le motif ALPS et α-synucléine in vitro. Les propriétés biochimiques opposées du motif ALPS et α-synucléine, sont parfaitement adaptés à chacun de ces deux environnements membranaires dans la cellule. Le programme HeliQuest est conçu pour identifier des hélices amphipathiques capables de se lier sur les membranes, y compris les motifs ALPS. Un nouveau module conçu pour identifier les hélices amphipathiques avec des propriétés similaires à α-synucléine a été récemment élaboré. Les recherches effectuées dans les bases de données de protéines de levure et humaines ont permis d’identifier des hélices amphipathiques candidats qui ont des propriétés similaires à α-synucléine, dans de nombreuses protéines. Nous avons préparé un ensemble de sondes, dans lequel ces hélices sont insérées à la fin de la superhélice de GMAPN. Une première étude de leur co-localisation dans les cellules de levure avec un ensemble de marqueurs démontre une localisation spécifique, ce qui suggère que ces hélices peuvent avoir la capacité de cibler des membranes de manière spécifique. D'autres travaux seraient nécessaires pour confirmer ou pas si ces hélices amphipathiques font partie d'une nouvelle classe de détecteurs de courbure ayant les mêmes propriétés que α-synucléine. / Communication between membrane-bound organelles is mediated by vesicular trafficking, a process which requires continual membrane remodeling. Highly curved vesicles bud from a donor compartment through functioning of different coat protein complexes, and fuse with an acceptor compartment thanks to proteins of the membrane fusion machinery. The proteins involved in vesicle budding and fusion have been extensively studied. Recently, the discovery of membrane curvature sensors revealed that membrane trafficking could be regulated at an additional level, through detection of the shape of a membrane. The first membrane curvature sensor identified was the ALPS (Amphipathic Lipid Packing Sensor) motif, which has been found in a number of proteins that function in the early secretory pathway and nuclear envelope. One example is GMAP-210, a long coiled-coil tether localizing to cis-Golgi membranes, which has an ALPS motif at its extreme N-terminus. This ALPS motif was found to fold into an amphipathic helix and bind to small liposomes in vitro. However, the identity of the vesicles that this curvature sensor binds to in cells is not known. Another protein - α-synuclein - has also been reported to bind preferentially to highly curved membranes. This neuronal protein localizes to synaptic vesicles and is involved in maintaining the reserve pool of vesicles in pre-synaptic nerve terminals. α-Synuclein, known for its central role in the development of Parkinson’s disease, contains a region that is unstructured in solution, but forms an amphipathic helix upon binding to small liposomes in vitro. The chemistry and geometry of the amphipathic helices formed by ALPS motifs and α-synuclein are very different. The ALPS motif has a well-developed hydrophobic face but a poor polar side with few charged residues. α-Synuclein, in contrast, has a restrained hydrophobic side, and a zwitterionic polar face rich in charged residues. The main goal of the project was to compare the in vivo and in vitro membrane binding properties of these two amphipathic helices of opposite structure. When expressed in yeast cells, these two curvature sensors promoted the accumulation of vesicular structures possessing different characteristics. The N-terminus of GMAP-210 containing its ALPS motif (GMAPN) co-localized specifically with early secretory pathway markers, whereas a probe containing a portion of the amphipathic membrane-binding helix of α-synuclein co-localized with endocytic and post-Golgi markers. Mutagenesis of the ALPS motif and the inversion of the ALPS sequence in GMAPN support the conclusion that this membrane curvature sensor is targeted to specific vesicles in cells through direct protein-lipid, rather than protein-protein interactions. Our analysis has shown, remarkably, that mammalian curvature sensors expressed in yeast cells preserve their capacity to target specific vesicles, those of the early secretory pathway for ALPS motifs, and endocytic/post-Golgi vesicles for α-synuclein. The membrane composition of these vesicles corresponds to the preferred in vitro liposome binding properties of these membrane curvature sensors. The contrasting chemistries of ALPS motifs and α-synuclein are well adapted to each of these two major membrane environments in the cell. The HeliQuest algorithm is designed to search databases for membrane-binding amphipathic helices, including ALPS motifs. A new module designed to identify amphipathic helices with properties similar to α-synuclein has recently been developed. Searches of both yeast and human protein databases has identified candidate α-synuclein-like amphipathic helices in numerous proteins. We prepared a set of probes, in which these helices are displayed at the end of the GMAPN coiled-coil. An initial study of their co-localization in yeast cells with a set of organelle markers demonstrates specific localization patterns, suggesting that these helices may have specific membrane targeting capacities. Further work will explore the question of whether these amphipathic helices are part of a novel class of α-synuclein-like curvature sensors.