Le docking moléculaire est une méthode permettant de prédire l'orientation d'une molécule donnée relativement à une autre lorsque celles-ci forment un complexe. Le premier algorithme de docking moléculaire a vu jour en 1990 afin de trouver de nouveaux candidats face à la protéase du VIH-1. Depuis, l'utilisation de protocoles de docking est devenue une pratique standard dans le domaine de la conception de nouveaux médicaments. Typiquement, un protocole de docking comporte plusieurs phases. Il requiert l'échantillonnage exhaustif du site d'interaction où les éléments impliqués sont considérées rigides. Des algorithmes de clustering sont utilisés afin de regrouper les candidats à l'appariement similaires. Des méthodes d'affinage sont appliquées pour prendre en compte la flexibilité au sein complexe moléculaire et afin d'éliminer de possibles artefacts de docking. Enfin, des algorithmes d'évaluation sont utilisés pour sélectionner les meilleurs candidats pour le docking. Cette thèse présente de nouveaux algorithmes de protocoles de docking qui facilitent la prédiction des structures de complexes protéinaires, une des cibles les plus importantes parmi les cibles visées par les méthodes de conception de médicaments. Une première contribution concerne l‘algorithme Docktrina qui permet de prédire les conformations de trimères protéinaires triangulaires. Celui-ci prend en entrée des prédictions de contacts paire-à-paire à partir d'hypothèse de corps rigides. Ensuite toutes les combinaisons possibles de paires de monomères sont évalués à l'aide d'un test de distance RMSD efficace. Cette méthode à la fois rapide et efficace améliore l'état de l'art sur les protéines trimères. Deuxièmement, nous présentons RigidRMSD une librairie C++ qui évalue en temps constant les distances RMSD entre conformations moléculaires correspondant à des transformations rigides. Cette librairie est en pratique utile lors du clustering de positions de docking, conduisant à des temps de calcul améliorés d'un facteur dix, comparé aux temps de calcul des algorithmes standards. Une troisième contribution concerne KSENIA, une fonction d'évaluation à base de connaissance pour l'étude des interactions protéine-protéine. Le problème de la reconstruction de fonction d'évaluation est alors formulé et résolu comme un problème d'optimisation convexe. Quatrièmement, CARBON, un nouvel algorithme pour l'affinage des candidats au docking basés sur des modèles corps-rigides est proposé. Le problème d'optimisation de corps-rigides est vu comme le calcul de trajectoires quasi-statiques de corps rigides influencés par la fonction énergie. CARBON fonctionne aussi bien avec un champ de force classique qu'avec une fonction d'évaluation à base de connaissance. CARBON est aussi utile pour l'affinage de complexes moléculaires qui comportent des clashes stériques modérés à importants. Finalement, une nouvelle méthode permet d'estimer les capacités de prédiction des fonctions d'évaluation. Celle-ci permet d‘évaluer de façon rigoureuse la performance de la fonction d'évaluation concernée sur des benchmarks de complexes moléculaires. La méthode manipule la distribution des scores attribués et non pas directement les scores de conformations particulières, ce qui la rend avantageuse au regard des critères standard basés sur le score le plus élevé. Les méthodes décrites au sein de la thèse sont testées et validées sur différents benchmarks protéines-protéines. Les algorithmes implémentés ont été utilisés avec succès pour la compétition CAPRI concernant la prédiction de complexes protéine-protéine. La méthodologie développée peut facilement être adaptée pour de la reconnaissance d'autres types d'interactions moléculaires impliquant par exemple des ligands, de l'ARN… Les implémentations en C++ des différents algorithmes présentés seront mises à disposition comme SAMSON Elements de la plateforme logicielle SAMSON sur http://www.samson-connect.net ou sur http://nano-d.inrialpes.fr/software. / Molecular docking is a method that predicts orientation of one molecule with respect to another one when forming a complex. The first computational method of molecular docking was applied to find new candidates against HIV-1 protease in 1990. Since then, using of docking pipelines has become a standard practice in drug discovery. Typically, a docking protocol comprises different phases. The exhaustive sampling of the binding site upon rigid-body approximation of the docking subunits is required. Clustering algorithms are used to group similar binding candidates. Refinement methods are applied to take into account flexibility of the molecular complex and to eliminate possible docking artefacts. Finally, scoring algorithms are employed to select the best binding candidates. The current thesis presents novel algorithms of docking protocols that facilitate structure prediction of protein complexes, which belong to one of the most important target classes in the structure-based drug design. First, DockTrina - a new algorithm to predict conformations of triangular protein trimers (i.e. trimers with pair-wise contacts between all three pairs of proteins) is presented. The method takes as input pair-wise contact predictions from a rigid-body docking program. It then scans and scores all possible combinations of pairs of monomers using a very fast root mean square deviation (RMSD) test. Being fast and efficient, DockTrina outperforms state-of-the-art computational methods dedicated to predict structure of protein oligomers on the collected benchmark of protein trimers. Second, RigidRMSD - a C++ library that in constant time computes RMSDs between molecular poses corresponding to rigid-body transformations is presented. The library is practically useful for clustering docking poses, resulting in ten times speed up compared to standard RMSD-based clustering algorithms. Third, KSENIA - a novel knowledge-based scoring function for protein-protein interactions is developed. The problem of scoring function reconstruction is formulated and solved as a convex optimization problem. As a result, KSENIA is a smooth function and, thus, is suitable for the gradient-base refinement of molecular structures. Remarkably, it is shown that native interfaces of protein complexes provide sufficient information to reconstruct a well-discriminative scoring function. Fourth, CARBON - a new algorithm for the rigid-body refinement of docking candidates is proposed. The rigid-body optimization problem is viewed as the calculation of quasi-static trajectories of rigid bodies influenced by the energy function. To circumvent the typical problem of incorrect stepsizes for rotation and translation movements of molecular complexes, the concept of controlled advancement is introduced. CARBON works well both in combination with a classical force-field and a knowledge-based scoring function. CARBON is also suitable for refinement of molecular complexes with moderate and large steric clashes between its subunits. Finally, a novel method to evaluate prediction capability of scoring functions is introduced. It allows to rigorously assess the performance of the scoring function of interest on benchmarks of molecular complexes. The method manipulates with the score distributions rather than with scores of particular conformations, which makes it advantageous compared to the standard hit-rate criteria. The methods described in the thesis are tested and validated on various protein-protein benchmarks. The implemented algorithms are successfully used in the CAPRI contest for structure prediction of protein-protein complexes. The developed methodology can be easily adapted to the recognition of other types of molecular interactions, involving ligands, polysaccharides, RNAs, etc. The C++ versions of the presented algorithms will be made available as SAMSON Elements for the SAMSON software platform at http://www.samson-connect.net or at http://nano-d.inrialpes.fr/software.

Les travaux réalisés portent sur la conception de ligands protéiques capables de cibler le site catalytique des métalloprotéases matricielles (MMPs) grâce à une méthode d’ingénierie développée au laboratoire qui repose sur le greffage de motifs fonctionnels. Le motif fonctionnel choisi correspond aux 4 résidus N-terminaux du TIMP-2, un inhibiteur naturel des MMPs. Des plates-formes protéiques possédant des motifs d’acides aminés dans une topologie similaire à celle du motif de référence dans le complexe TIMP-2/MMP-14 ont été identifiées par criblage systématique de la PDB à l’aide du logiciel STAMPS (Search for Three-dimensional Atom Motif in Protein Structure). Dix candidats ligands satisfaisant les contraintes topologiques, stériques et de similarité électrostatique avec le ligand naturel TIMP-2 ont été sélectionnés. Ces ligands ont été produits par synthèse chimique ou par voie recombinante puis leur capacité à inhiber une série de 6 MMPs a été évaluée. Les résultats indiquent que tous les ligands protéiques conçus in silico sont capables de lier les sites catalytiques des MMPs avec des constantes d’association allant de 450 nM à 590 mM, sans optimisation supplémentaire. La caractérisation structurale par diffraction X de 2 variants d’un de ces ligands protéiques a permis de montrer que les interactions établies par le motif 1-4 dans ces ligands étaient similaires à celles observées dans le complexe TIMP-2/MMP-14, avec cependant des différences dans la géométrie de certaines d’entre elles. Des études de simulation par dynamique moléculaire ont également permis de mettre en évidence de possibles différences dans la géométrie et la stabilité de certaines des interactions reproduites dans les 10 plates-formes, pouvant contribuer aux affinités modestes observées pour ces ligands. Cependant, les résultats obtenus montrent que la méthode de conception in silico utilisée est capable de fournir une série de ligands protéiques de 1ère génération ciblant de manière spécifique un site catalytique d’intérêt avec un bon rendement. Cette méthode pourrait constituer la 1ère étape d’une approche hybride de conception in silico de ligands combinée à des techniques de sélection expérimentales. / Artificial mini-proteins able to target catalytic sites of matrix metalloproteinases (MMPs) were designed using a functional motif grafting approach. The motif corresponded to the 4 N-terminal residues of TIMP-2, a broad-spectrum natural protein inhibitor of MMPs. Scaffolds able to reproduce the functional topology of this motif as described in the TIMP-2/MMP-14 complex were obtained by exhaustive screening of the Protein Data Bank (PDB) using the STAMPS software (Search for Three-dimensional Atom Motif in Protein Structure). Ten artificial protein binders satisfying all topologic, steric and electrostatic criteria applied for selection were produced for experimental evaluation. These binders targeted catalytic sites of MMPs with affinities ranging from 450 nM and 590 μM prior to optimization. The crystal structures of two artificial binders in complex with the catalytic domain of MMP-12 showed that the intermolecular interactions established by the functional motif in these artificial binders corresponded to those found in the TIMP-2/MMP-14 complex, albeit with some differences in their geometry. Molecular dynamics simulations of the 10 binders in complex with MMP-14 suggested that these scaffolds could allow reproducing in part the native intermolecular interactions, but some differences in geometry and stability could contribute to the lower affinity of the artificial protein binders as compared to the natural one. Nevertheless, these results show that the in silico design method used can provide sets of starting protein binders targeting a specific binding site with a good rate of success. This approach could constitute the first step of an efficient hybrid computational-experimental protein binder design approach.

Parmi les différents acteurs impliqués dans le dogme de la biologie moléculaire, les protéines sont des unités biologiques fonctionnelles contribuant à de nombreux processus biologiques. Dans la compréhension de la relation génotype-phénotype, il est important d’étudier l'influence de gènes, ou de variants génétiques, sur des mécanismes moléculaires spécifiques, permettant d’expliquer la variance phénotypique de traits dits complexes. Dans cette thèse nous allons démontrer l’intérêt de proposer différentes stratégies bio-informatiques protéome-centrées pour l’étude de phénotypes complexes. Dans une première étude, nous mettons en avant comment l'utilisation de la génomique comparative, couplée à l'analyse de la propension d'agrégation des protéines, permet d'identifier certains groupes de protéines avec des différences significatives entre espèces dans leurs propriétés intrinsèques contribuant à la protéostase cellulaire. Ce mécanisme est proposé dans cette thèse comme hypothèse de travail pour étudier les différences d'espérance de vie chez les rongeurs: ce travail est réalisée sur deux espèces phylogénétiquement proches, le rat taupe-nu et la souris, mais possédant des différences phénotypiques dans le contexte du vieillissement. Dans une seconde étude, nous proposons une nouvelle méthodologie s'appuyant sur l'étude quantitative des réseaux d'interaction protéine-protéine afin d'identifier les déterminants génétiques qui seraient responsables de la variation de ces interactions, suite à une stimulation médicamenteuse dans une population de levures génétiquement diversifiées. Ces travaux de recherche étudient le protéome et ses interactions et permettent de proposer une abstraction originale des phénotypes complexes. / Among the different actors involved in the dogma of molecular biology, proteins are functional biological units contributing to many biological processes. In the understanding of the genotype-phenotype relationship, it is important to study the influence of genes, or genetic variants, on specific molecular mechanisms, allowing to explain the phenotypic variance of so-called complex traits. In this thesis we will demonstrate the interest of proposing different proteome-centric bioinformatics strategies for the study of complex phenotypes. In a first study, we highlight how the use of comparative genomics, coupled with the analysis of the aggregation propensity of proteins, allows to identify some groups of proteins with significant differences between species in their intrinsic properties contributing to cellular proteostasis. This mechanism is proposed in this thesis as a working hypothesis to study differences in life expectancy in rodents: this work is performed on two phylogenetically related species, the mole rat and the mouse, but with phenotypic differences in the context of aging. In a second study, we propose a new methodology based on the quantitative study of protein-protein interaction networks in order to identify the genetic determinants that would be responsible for the variation of these interactions, following a drug stimulation in a genetically diversified yeast population. This research studies the proteome and its interactions and proposes an original abstraction of complex phenotypes.

Les canaux potassiques sensibles à l’ATP (KATP) jouent un rôle primordial dans plusieurs processus cellulaires. La modulation de ces canaux par des molécules activatrices constituerait des applications pharmacologiques et médicinales très intéressantes. À cet effet nous avons conçu et synthétisé de nouvelles molécules hybrides cromakalim-diazoxide et diazoxide-amine/aminoacide. Nous avons également, évalué l’activité myorelaxante de ces composés sur l’aorte de rates. Les résultats obtenus ne montrent pas un effet myorelaxant significatif. Des études sur d’autres tissus, notamment les cellules β pancréatiques et le muscle utérin, sont envisagées afin d’explorer une éventuelle sélectivité tissulaire. Par ailleurs, les interactions protéine-protéine jouent un rôle fondamental dans presque tous les processus cellulaires. Elles sont fortement impliquées dans la formation de la structure dimérique de la protéase du VIH-1 et l’agrégation du peptide β amyloïde impliquée dans la maladie d’Alzheimer. L’inhibition de ces interactions serait donc d’un avantage thérapeutique pour le traitement du SIDA et de la maladie d’Alzheimer. Nous avons conçu et synthétisé d’une part, des pinces moléculaires à base de motifs carbonylhydrazides et oligohydrazides (Azatide), et d’autre part, des molécules pentapeptidiques avec un peudoaminoacide central alcoolfluoré. Enfin, nous avons testé la capacité des pinces moléculaires à perturber le feuillet β terminal de la PR du VIH-1 afin d'inhiber sa dimérisation et donc son activité. Nous avons réalisé de même une étude de relation structure-activité et d’après l’ensemble des résultats obtenus, il semblerait que la flexibilité est délétère pour l’activité inhibitrice. Nous avons également évalué la capacité des nouvelles molécules peptidomimétiques alcool fluorées à accélérer ou inhiber l’agrégation du peptide Aβ1-42 dans le but de diminuer la présence de petits oligomères neurotoxiques. Les résultats obtenus sont très prometteurs, nous avons réussi à développer d’une part un pentapeptide capable d’inhiber totalement l’agrégation de Aβ1-42, et d’autre part des pseudopentapeptides capables d’accélérer son agrégation. Nous avons aussi démontré l’influence de l’atome de fluor sur la structuration d’un pentapeptide. Des études par RMN et DC sont en cours. / ATP-sensitive potassium channels (KATP) play an important role in many cellular processes. The modulation of these channels by activating molecules may constitute very interesting pharmacological and medicinal applications. For this purpose, we have designed and synthesized new hybrid molecules cromakalim-diazoxide and diazoxide-amine/aminoacid. We also evaluated the relaxant activity of these compounds on aorta of rats. The obtained results do not show a significant relaxant effect. Studies on other tissues, including pancreatic  cells and uterine muscle, are envisaged to explore the potency of these compounds and their possible tissue selectivity.Otherwise, Protein-protein interactions play a fundamental role in almost all cellular processes. They are strongly involved in the formation of the dimeric structure of HIV-1 protease and β amyloid peptide aggregation involved in Alzheimer's disease. Inhibition of these interactions would be a therapeutic advantage for the treatment of AIDS and Alzheimer's disease. We designed and synthesized on one hand, molecular tongs based on carbonylhydrazide oligohydrazid (Azatide) fragments and in the other hand, pentapeptide molecules with a central fluorinated and hydroxylated aminoacid. Finally, we tested the ability of molecular tongs to disrupt the terminal β sheet of the HIV-1 PR to inhibit its dimerization and thus its activity. We have also conducted a structure-activity relationship study and According to the results it seems that flexibility is detrimental to the inhibitory activity. We evaluated as well the ability of new fluorinated and hydroxylated peptidomimetics to accelerate or inhibit the aggregation of Aβ1-42 peptide in order to reduce the presence of small toxic oligomers. The results are very promising that we succeeded in developing a pentapeptide able to completely inhibit the aggregation of Aβ1-42, and in the other hand pseudopentapeptides able to accelerate its aggregation. We also demonstrated the influence of fluorine on the structure of a pentapeptides. Studies by NMR and DC are in progress.

Neisseria meningitidis (Nm) est un germe commensal du rhinopharynx ayant pour seul hôte l’homme. Malgré un portage asymptomatique largement répandu, et pour des raisons encore inconnues, elle peut échapper au système immunitaire de l’hôte et devenir pathogène provoquant ainsi méningite et septicémie pouvant être mortelles principalement chez les enfants. Au cours du processus infectieux, Nm alterne entre des phases de colonisation et de dissémination, et se retrouve alors confrontée à différents environnements. L’adaptation rapide à ces variations, par modulation de l’expression des gènes de virulence, représente un facteur important dans sa pathogénie. Les facteurs qui contribuent à la virulence de Nm sont essentiellement des structures présentes à la surface de la bactérie parmi lesquelles les pili et la capsule. Les gènes codant ces facteurs sont sous le contrôle de la protéine CrgA, régulateur transcriptionnel de la famille LysR qui intervient lors de l’adhésion de Nm aux cellules humaines. La protéine CrgA régule négativement sa propre expression ainsi de celle des gènes impliqués dans la synthèse de la capsule (sia) et des pili (pilE et pilC1). Par ailleurs, le PTS est un système de transduction du signal qui intervient, par phosphorylation ou via des interactions protéine/protéine, dans le transport des sucres et dans la régulation du métabolisme du carbone. Chez Nm, ce système est incomplet (constitué des protéines EI, HPr, et deux EIIA), il n’est donc pas fonctionnel pour le transport des sucres mais aurait pu conserver ses fonctions régulatrices. Nous avons montré que les protéines du PTS de Nm étaient actives in vitro et in vivo et que la cascade de phosphorylation du PTS était fonctionnelle. Nous avons également montré que l’inactivation du gène ptsH, codant la protéine HPr, entrainait une diminution significative de la synthèse de la capsule, une augmentation de l’adhésion du mutant aux cellules épithéliales humaines et une augmentation de l’expression de crgA. De ce fait, l’absence de l’HPr semble empêcher la répression de crgA et par conséquent celle des gènes sia. Par ailleurs, des expériences de co-immunoprécipitation, nous ont permis de mettre en évidence que l’HPr interagissait directement avec la protéine CrgA in vitro et in vivo. Ces résultats suggèrent que la protéine HPr interviendrait dans la régulation de l’expression des gènes de virulence de Nm via la régulation de l’expression de crgA. Ainsi, un lien entre métabolisme du carbone et virulence a été mis en évidence chez Nm. / Neisseria meningitidis (Nm) is a commensal bacterium of the nasopharynx, which only colonizes humans. Despite a large number of asymptomatic carriers, and for reasons so far unknown, Nm occasionally becomes virulent, escaping the host’s immune system and causing septicaemia and meningitis, the latter being potentially lethal, mostly in children.During the infectious process, Nm alternates between phases of colonization and dissemination, each time facing different environments. This rapid adaptation to the changing environment occurs via the modulation of the expression of virulence genes and represents an important factor of pathogenicity. The structures involved in virulence in Nm are mainly present at the surface of the bacterium, including the pili and the capsule. The genes coding for these structures are controlled by the CrgA protein, a transcriptional regulator of the LysR family, which is induced during the adhesion of Nm to human cells. CrgA negatively regulates its own expression as well as the expression of those genes implicated in the synthesis of the capsule (sia) and pili (pilE and pilC1).Moreover, the PTS is a signal transduction system, which is involved, via phosphorylation or protein/protein interactions, in the transport of sugars and the regulation of the carbon metabolism. In Nm, the PTS is incomplete (only composed of the proteins EI, HPr and two EIIA), thus not functioning in the transport of sugars but it may have conserved regulatory functions.In this work, we demonstrate that the PTS proteins in Nm are active in vitro and in vivo and that the phosphorylation cascade of the PTS is functional. We further show that the inactivation of the ptsH gene, coding for the HPr protein, significantly reduces the synthesis of the capsule, enhances the adhesion of the mutants to human epithelial cells and increases the expression of crgA. Thus, the absence of HPr seems to inhibit the repression of crgA and as a consequence also the repression of the sia genes. Furthermore, from co-immunoprecipitation experiments we provide evidence that HPr directly interacts with the CrgA protein in vitro and in vivo. These results suggest that the HPr protein in Nm regulates the expression of the virulence genes via the regulation of crgA expression. Thus, we provide evidence of a link between carbon metabolism and virulence in Nm.

Différentes translocations génomiques sont fréquemment associées à l'apparition de leucémies myéloïdes aiguës (LMA). Ces translocations génomiques résultent de l’assemblage de deux gènes conduisant à la production d'une protéine de fusion. C'est le cas de la translocation t (3; 5) (q25.1; q34) impliquant le suppresseur tumoral NPM et l'oncogène MLF1 donnant naissance à la protéine de fusion NPM-MLF1. Généralement, les gènes impliqués dans ces translocations contrôlent la croissance cellulaire, la différenciation ou la survie cellulaire. Cependant, pour NPM-MLF1 les causes du gain ou de la perte de fonction associée à la translocation demeurent inconnues car nous ne savons pas comment cette translocation peut favoriser ou participer à l'avènement de la LMA. Le but de ce travail est d’analyser le rôle de NPM-MLF1 dans le cancer et d’examiner comment son activité contribue à la leucémie en faisant des études d’interactions protéine/protéine. En effet, l’étude de la fonction d’une protéine implique souvent de connaître ses partenaires d’interactions. Pour ce faire, la technique de double hybride dans la souche de levure AH109 a été utilisée. Tout d’abord, les ADN complémentaires (ADNc) de MLF1, NPM1 et de NPM-MLF1, MLF1-Like (une partie de MLF1 de l’acide aminé 94 à 157) normaux et mutés du domaine MTG8-Like constitué des acides aminés (a.a.) 151 à 164 de MLF1 (excepté NPM) ont été clonés dans un vecteur d'expression de levure pGBKT7. Les ADNc de GFI-1, mSin3A, PLZF, HDAC1 et HDAC3 ont été clonés dans le plasmide pGADT7 de façon à créer des protéines de fusion synthétiques avec le domaine de liaison à l'ADN et de trans-activation de la protéine GAL4. Le plasmide pGBKT7 possède un gène TRP1 et pGADT7 un gène LEU2 qui permettent la sélection des clones insérés dans la levure. Aussi, le pGBKT7 a un épitope c-myc et pGADT7 un épitope HA qui permet de voir l’expression des protéines par buvardage de type Western. Après la transformation des levures les interactions protéine/protéine ont été observées en vérifiant l’expression des gènes rapporteurs HIS3, LacZ, MEL1, ADE2 de la levure en utilisant des milieux de sélection YPD/-Leu/-Trp, YPD/-Leu/-Trp/-His, YPD/-Leu/-Trp/-His/-Ade, YPD/-Leu/-Trp/+ X-Gal, YPD/-Leu/-Trp/ + X-α-Gal. Ensuite, les interactions trouvées par double-hybride ont été vérifiées dans les cellules érythroleucémiques K562 par immuno-précipitation (IP) de protéines suivies de buvardages Westerns avec les anticorps appropriés. NPM-MLF1, MLF1, MTG8, MLF1-Like surexprimés dans les cellules K562 ont été clonés dans le plasmide pOZ-FH-N. pOZ-FH-N possède un récepteur IL-2 qui permet de sélectionner les cellules qui l’expriment ainsi qu’un tag Flag-HA qui permet de voir l’expression des protéines par buvardage-Western. Les résultats du double-hybride suggèrent une interaction faible de NPM-MLF1 avec HDAC1, HDAC3 et mSin3A ainsi qu’une interaction qui semble plus évidente entre NPM-MLF1 et PLZF, GFI-1. NPM interagit avec GFI-1 et mSin3A. Aussi, MLF1 et MLF1-Like interagissent avec HDAC1, HDAC3, GFI-1, PLZF mais pas avec mSin3A. Les IP suggèrent que NPM-MLF1 interagit avec HDAC1, HDAC3, mSin3A et PLZF. MLF1 et MLF1-Like interagissent avec HDAC1, HDAC3 et mSin3A. L’interaction de NPM-MLF1 avec GFI-1, MLF1 et MLF1-Like avec PLZF et GFI-1 n’a pas encore été vérifiée par IP. Ainsi, nos observations permettent de suggérer que NPM-MF1, MLF1 et NPM pourraient jouer un rôle dans la transcription et la régulation de l’expression de certains gènes importants dans l’hématopoïèse et une variété de processus cellulaires parce qu’ils interagissent avec différents corépresseurs. En déterminant les partenaires protéiques de MLF1, NPM et NPM-MLF1, leurs fonctions et comment NPM-MLF1 influence et modifie le fonctionnement cellulaire normal; il sera possible de renverser le processus de LMA favorisé par la t (3; 5) NPM-MLF1 par la technologie d’interférence à l’ARN. / Abstract Different genomic translocations are frequently associated with the development of acute myeloid leukemia (AML). Genomic translocations can result in the fusion of two genes leading to the formation of a fusion protein. This is the case of the T (3; 5) (q25.1; q34) translocation that implicates the tumour suppressor NPM1 and the oncogene MLF1, giving rise to the fusion protein NPM-MLF1. Generally the genes implicated in these translocations control cell growth, differentiation and survival. However, for NPM-MLF1 the reasons behind the gain or loss of function associated with the translocation are still unknown as we still ignore how this translocation can enhance or take part in the AML development. The goal of my master degree project was to analyse in part the role of NPM-MLF1 in cancer and to examine how its activity can contribute in leukemia through protein/protein interaction assays. The usual study of a protein function implicates the investigation of interacting partners. For this purpose, we used the yeast AH109 to conduct a two-hybrid screen assay. The MLF1, MLF1-Like (amino acid 94 to 157 of MLF1), NPM1 and NPM-MLF1 cDNAs, normal and mutated in the MTG8-Like domain from the amino acid (a.a.) 151 to 164 of MLF1 (with the exception of NPM1) were cloned into the yeast expression vector pGBKT7. The GFI-1, mSin3A, PLZF, HDAC1 and HDA3 cDNAs were cloned into the vector pGADT7. These clones were developed to creat synthetic fusion proteins with the DNA binding or trans-activation domain(s) of the protein Gal4. The pGBKT7 vector contains the TRP1 gene and the pGADT7 the LEU2 gene. These genes were used for the selection of the yeast clones transformed with the plasmids mentioned above. In addition, the pGBKT7 vector has c-myc-tag and the PGADT7 vector the HA-tag allowing the assessment of protein expression through Western Blot analysis. After yeast transformation, the protein/protein interaction were studied while verifying the expression of the reporter genes HIS, LacZ, MEL1, ADE while using the following selective medias YPD/-Leu/-Trp, YPD/-Leu/-Trp/-His, YPD/-Leu/-Trp/-His/-Ade, YPD/-Leu/-Trp/+ X-Gal, YPD/-Leu/-Trp/ + X-α-Gal. The interactions determined by the two-hybrid screening were verified in the erythroleukemic cells K562 using immuno-precipitation (IP) of the proteins followed by western blot using the appropriate antibodies. To achieve this, NPM-MLF1, MLF1, ETO, MLF1-Like cDNAs were cloned into the pOZ-FH-N vector that possess an IL2 receptor, which allows the selection of the positive transformed clones in the cell and a Flag-HA tag that permit the verification of protein expression through Western-blot. The two-hybrid screen results suggest that NPM-MLF1 interacts with HDAC1, HDAC3, PLZF, GFI and mSin3A. NPM interacts with GFI-1 and mSin3A. This has not been yet verified using the IP method. As in the case of MLF1, MLF1-Like interacts with HDAC1, HDAC3, GFI-1 and PLZF. However, no interaction was observed with Sin3A. The IP experiments suggest that NPM-MLF1 interacts with HDAC1, HDAC3, mSin3A and PLZF. MLF1 and MLF1-Like interact with HDAC1, HDAC3 and mSin3A. The interaction of NPM-MLF1 with GFI1 as well as MLF1 and MLF1-Like with PLZF and GFI-1 are not yet verified by IP. Therefore, our observations led to the suggestion that NPM-MLF1, MLF1 and NPM can play a role in the transcription and the regulation of the expression of certain genes that are important for hematopoiesis and a variety through the determination of the protein partners of MLF1, NPM and NPM-MLF1, their functions and how NPM-MLF1 influence/modify the normal cellular function, and by focusing on this study, it might become possible to reverse the AML process that is by the t(3;5) NPM-MLF1 while using the RNA interference technology.

L'objectif de cette thèse est de développer des outils de prédiction d'interactions entre protéines qui puissent être appliqués en particulier chez l'homme, sur les protéines qui constituent un réseau avec la protéine CFTR. Cette protéine, lorsqu'elle est défectueuse, est impliquée dans la mucoviscidose. Le développement de méthodes de prédiction in silico peut s'avérer utile pour suggérer aux biologistes de nouvelles cibles d'interaction et pour mieux expliquer les fonctions des protéines présentes dans ce réseau. Nous proposons une nouvelle méthode pour le problème de la prédiction de liens dans un réseau. Afin de bénéficier de l'information des données non étiquetées, nous nous plaçons dans le cadre de l'apprentissage semi-supervisé. Nous abordons ce problème de prédiction comme une tâche d'apprentissage d'un noyau de sortie, appelée régression à noyau de sortie. Un noyau de sortie est supposé coder les proximités existantes entre les noeuds du graphe et l'objectif est d'approcher ce noyau à partir de descriptions appropriées en entrée. L'utilisation de l'astuce du noyau dans l'ensemble de sortie permet de réduire le problème d'apprentissage à partir de paires à un problème d'apprentissage d'une fonction d'une seule variable à valeurs dans un espace de Hilbert. En choisissant les fonctions candidates pour la régression dans un espace de Hilbert à noyau reproduisant à valeur opérateur, nous développons, comme dans le cas de fonctions à valeurs scalaires, des outils de régularisation. Nous établissons en particulier des théorèmes de représentation dans le cas supervisé et dans le cas semi-supervisé, que nous utilisons ensuite pour définir de nouveaux modèles de régression pour différentes fonctions de coût, appelés IOKR-ridge et IOKR-margin. Nous avons d'abord testé l'approche développée sur des données artificielles, des problèmes test ainsi que sur un réseau d'interaction protéine-protéine chez la levure S. Cerevisiae et obtenu de très bons résultats. Puis nous l'avons appliquée à la prédiction d'interactions entre protéines dans le cas d'un réseau construit autour de la protéine CFTR.

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Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Protein-protein interactions are an integral component of signal transduction pathways. The interactions are mediated by modular domains which are present within the structure of the signalling molecule. These domains include PDZ, SH2, SH3, WW, PTB and LIM domains. hPTP1E is a protein-tyrosine phosphatase which contains within its primary structure a region with homology to Band 4.1 proteins, five PDZ domains and a catalytic domain. While the function of this PTPase remains unknown, the structure of hPTP1E suggest it may recruit several proteins into a multiprotein complex. In order to understand the role of hPTP1E, the protein interactions within its signalling cascade were examined. hPTP1E interacts with ZRP-1 and GEF-5.1 via its second PDZ domain and tuberin via its fourth PDZ domain in the yeast two-hybrid system. In order to characterize these proteins and their interactions, antibodies were generated against ZRP-1 and GEF-5.1. The antibodies which detected the antigen expressed in bacteria were purified by affinity chromatography. The antibodies raised against ZRP-1 and hPTP1E detected proteins of appropriate molecular weights in total cell extracts. HPTP1E is ubiquitously expressed whereas ZRP-1 is restricted to HeLa and MCF-7 cells among the cells tested. Unfortunately, antibodies against GEF-5.1 did not detect a protein of the predicted molecular weight in any of the cell extracts. Immunoprecipitation of hPTP1E fi-om cells overexpressing regions of ZRP-1 and tuberin with a hemaglutinin tag demonstrated the presence of an interaction between the phosphatase and tuberin in vivo. However, ZRP-1 and hPTP1E did not interact under these experimental conditions. Confirmation of the yeast two-hybrid results provides further support for a possible role of hPTP1E in the regulation of endocytosis. Additional molecules involved in the signalling pathways involving hPTP1E were identified by interaction trap. In one study, the proline rich amino terminus of ZRP-1 interacted with several clones encoding a segment of hCDC47 and NtZRP-p33, a clone containing an SH3 domain. The significance of these findings is unknown. HCDC47 is a minichromosome maintenance protein wich regulate DNA replication. Further, a clone called KIAA0769 containing the sequence of NtZRP-p33 depicts the typical structure for a scaffolding protein. Another yeast-two hybrid cDNA library screening using the CDC25 homology domain of GEF-5.1 did not detect an interaction with any GTPase but with 14-3-3E. 14-3-3 proteins are regulatory molecules which interact with various types of proteins by means of a phosphorylated serine residue. Mutational analysis demonstrated that the interaction is dependent on the second serine residue within the consensus sequence RSLSQG found in GEF-5.1. The primary structure of the open reading frame of GEF-5.1 was analyzed using profilescan. The software predicted the presence of several domains including a cNMP binding domain, a LTE domain, a PDZ domain, a rasassociated domain and a CDC25 homology domain. A family of guanidine nucleotide exchange factors may exist as clones KIAA0313 and T14G10 have the same structure. These results indicate a role for GEF-5.1 in Ras signalling pathways. Further, its activity may be regulated by the binding of cNMP molecules and 14-3-3E. The identification of ZRP-1 and GEF-5.1 interacting proteins as well as the analysis of the primary structure of GEF-5.1 have provided additional information about the function of hPTP1E. This cytoplasmic phosphatase may be involved in the regulation of processes such as transcription, DNA replication and. Further, an interaction between tuberin and hPTP1E suggests a role for this PTPase in the regulation of endocytosis. / La phosphorylation des protéines est une modification post-traductionelle fréquemment employée pour moduler la transmission des signaux intracellulaires. Il est nécessaire qu'un équilibre du niveau de phosphorylation soit maintenu pour le fonctionnement normal de la cellule sinon des maladies comme le cancer peuvent apparaître. Les enzymes responsables de la phosphorylation des protéines sont les protéines kinases tandis que les protéines phosphatases enlèvent les groupements phosphate. Les résidus phosphorylés dans les protéines sont certains résidus sérines, thréonines et/ou tyrosines. Les différentes enzymes sont classées en deux familles selon leur spécificité. Les protéine-tyrosine phosphatases (PTPase) sont elles-même regroupées dans deux familles selon leur localisation intracellulaire: les PTPases de type récepteur et les phosphatases cytoplasmiques. La structure des phosphatases de type récepteur inclus un domaine extracellulaire, un domaine transmembranaire et un (ou deux) domaine(s) catalytique(s). Les PTPases cytoplasmiques contiennent un domaine catalytique unique et généralement un/ ou des domaine(s) responsable(s) de leur localisation intracellulaire ou impliqué(s) dans des interactions protéine-protéine. Dans notre laboratoire, une phosphatase cytoplasmique dénommée liPTP1E par nous (et PTPL1, PTPBAS, FAP par d'autres) a été isolée. En plus de son domaine catalytique, cette protéine-tyrosine phosphatase contient 1 domaine de type "Band 4.1" qui est impliqué dans la localisation de la protéine à la membrane cellulaire via une interaction avec le cytoskelette, et 5 domaines PDZ. Ces domaines PDZ sont en général impliqués dans les interactions protéineprotéine. Plusieurs études récentes ont tenté de définir la fonction de hPTP1E. Sato et ses collègues ont isolé hPTP1E lors d'un criblage d'une librairie d'ADNc en utilisant le système des deux-hybrides dans la levure avec la partie cytoplasmique du récepteur Fas, comme appât. Ils ont aussi démontré que hPTP1E peut inhiber l'effet apoptotique de Fas. L'apoptose des cellules cibles qui est induit par les lymphocytes T cytotoxiques utiliserait le système Fas. De plus, Fas pourrait être associé à des maladies auto-immunes. En plus, hPTP1E pourrait jouer un rôle dans l'apparition de cellules resistantes aux effets de Fas tel que retrouvées dans les sarcomes de Kaposi chez les sidéens. Malgré des données convaincantes, il reste quand même des doutes quant à l'importance de hPTP1E dans ces maladies. Ainsi une étude publiée n'a pu démontrer une interaction entre les homologues de Fas et hPTP1E chez la souris. Depuis d'autres groupes étudiant les interactions de hPTP1E ont découvert plusieurs protéines qui interagissent avec celle-ci. La première, PARG, est membre de la famille des Rho-GAP, des protéines impliquées dans l'activation des GTPases de type Rho. L'interaction aurait lieu avec le 4ième domaine PDZ de hPTP1E. De plus, le domaine LEVI de RIL interagirait avec hPTP1E via ses 2ième et 4ième domaines PDZ. La fonction biologique de ces interactions n'a toutefois pas été déterminée à ce jour. Pour caractériser la fonction biologique de hPTP1E, nous avons utilisé le système des deux-hybrides de la levure pour identifier des protéines qui interagiraient avec les domaines PDZ de hPTP1E. J'ai ainsi identifié deux protéines nommés ZRP-1 et GEF-5.1, qui se lient à hPTP1E. ZRP-1 possède une structure semblable à celle de zyxin.Ces deux dernières protéines contiennent une région amino-terminale riche en résidus proline et 3 domaines de type LEM à l'extrémité carboxyl terminale. GEF-5.1, d'autre part démontre une homologie marquée aux GEFs de la famille CDC25 impliquées dans l'activation des GTPases de la famille Ras. Des anticorps ont été générés contre ZRP-1, GEF-5.1 et hPTP1E afin de fournir les outils nécessaires pour mieux caractériser ces différentes protéines. Ainsi, j'ai exprimé et purifié le troisième domaine LIM de ZRP-1 ainsi que le domaine PDZ de GEF-5.1, sous forme de protéines de fusion avec la glutathioneS-transferase (GST). Ces protéines ont servis d'antigène pour générer des anticorps chez le lapin. Des anticorps dirigés contre le deuxième domaine PDZ de hPTP1E étaient déja disponibles dans le laboratoire. Ces anticorps ont été purifiés sur une colonne d'affinité GST. Les anticorps anti-ZRP-1 et anti-hPTP1E détectent tous les deux des protéines du poids moléculaire attendu. HPTP1E est exprimé d'une facon ubiquitaire tandis que l'expression de ZRP-1 est plus restrainte parmi les cellules testées. Toutefois, les immunoglobulines dirigées contre GEF-5.1 ne détectent aucune protéine du poids moléculaire attendu dans un extrait cellulaire brut. Parallèlement, d'autres membres du laboratoire ont démontré une interaction entre la tuberine, le produit du gène TSC2, un oncogène impliqué dans la sclérose tubéreuse, et le quatrième domaine PDZ de hPTP1E. Afin de caractériser ces interactions in vivo, des immunoprécipitations de hPTP1E à partir de cellules dans lesquelles une région de ZRP-1 et/ou de la tuberine étaient surexprimé ont été conduites. Sous les conditions expérimentales utilisées, ZRP-1 n'a pas co-immunoprécipité avec hPTP1E. Cependant une interaction avec la tuberine a été détectée utilisant cette stratégie suggérant que HPTP1E pourrait jouer un rôle dans la modulation de l'endocytose. La structure de ZRP-1 inclus un domaine riche en proline qui n'est pas nécessaire pour son interaction avec hPTP1E mais qui pourrait interagir avec d'autres protéines en particulier avec des protéines contenant un/ ou des domaine(s) SH3. La moitié amino-terminale de ce domaine a été utilisé pour cribler une librairie d'ADNc par le système des deux-hybrides. Un clone appelé NtZRP-p33 contenant un domaine SH3 a été identifié. La conséquence biologique de cette interaction reste toutefois a être déterminée. Cependant, NtZRP-p33 possède une structure suggérant son implication dans la signalisation intracellulaire. Un deuxième criblage de la librairie d'ADNc a été initié pour caractériser les protéines impliquées dans le mécanisme de signalisation de hPTP1E. En utilisant le domaine de GEF-5.1 homologue à CDC25, des clones correspondants à la protéine 14-3-3 ont été isolés. Les protéines 14-3-3 forment une famille de protéines qui régularisent la fonction de plusieurs protéines. Leurs interactions se font via un residu sérine qui est phosphorylé. Des mutations du domaine catalytique ont démontré que l'interaction entre 14-3-3s et GEF-5.1 est dépendante du deuxième sérine de la séquence RSLSQG qui se retrouve immédiatement du coté carboxyl terminale du domaine GEF de la protéine GEF-5.1. Ces résultats suggèrent que l'activité de GEF-5.1 pourrait être modulée par la 14-3-38. En conclusion, les résultats expérimentaux présentés dans ce mémoire indique un rôle potentiel de hPTP1E dans plusieurs fonctions cellulaires. En s'associant à la tuberine, hPTP1E pourrait régulariser l'endocytose. Aussi, cette PTPase pourrait être impliquer dans le cycle cellulaire. Ras étant un activateur de la mitose, HPTP1E pourrait moduler l'activité de Ras par voie de GEF-5.1. Ainsi, hPTP1E pourrait agir comme proto-oncogène ou un gène suppresseur des tumeurs. Zyxin est une protéine qui se retrouve près des sites membranaires en association avec le cytoskelette. Puisque la structure de ZRP-1 et zyxin est semblable, ce dernier sert de modèle pour la fonction de ZRP-1. En collaboration avec hPTP1E, ces deux protéines pourrait régulariser la structure du cytoskelette.