Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Les maladies à prion font partie des maladies neurodégénératives. L’agent responsable est la protéine prion PrPSc. La conversion de la forme cellulaire nativePrPC en forme pathologique PrPSc et son agrégation sous forme des fibres amyloïdeconstituent des éléments clés de la physiopathologie des maladies à prion. Pourtant,les mécanismes contrôlant/favorisant cette conversion sont très mal connus. Chez lalevure Saccharomyces cerevisiae, il n’existe pas d’homologue de la protéine PrP,mais des protéines se comportant comme des prions existent, telle que Sup35p quiest responsable du prion [PSI+] ou encore la protéine Ure2p qui est responsable duprion [URE3]. Lors d’études antérieures à cette thèse, le laboratoire a isolé la 6AP etle GA, des molécules actives contre les prions de levure [PSI+] et [URE3] et contre leprion de mammifère PrPSc dans des tests cellulaires ainsi que in vivo dans unmodèle murin pour les maladies à prion. Ces résultats démontrent au moins certainsdes mécanismes de prionisation sont conservés de la levure aux mammifères.L’équipe a ensuite montré que la 6AP et le GA étaient des inhibiteurs spécifiques etcompétitifs de l’activité chaperon de protéines du ribosome (ou PFAR pour ProteinFolding Activity of the Ribosome). Ces résultats suggéraient donc que l’activité PFARreprésente un nouveau mécanisme de prionisation conservé de la levure auxmammifères. Par ailleurs, la 6AP et le GA s’étant révélées actives dans des modèlespour d’autres maladies neurodégénératives à fibres amyloïdes, l’activité PFARpourrait également être un acteur physiopathologique majeur de ces protéinopathies.Ma thèse avait deux objets : tester l’implication de l’activité PFAR dans l’apparitionet/ou la propagation des prions et enfin identifier de nouvelles molécules antiprion etcomprendre leurs mécanismes d’action. Mes résultats montrent que l’activité PFARjoue bien un rôle dans la propagation des prions de levure. En effet, l’enrichissementen PFAR favorise l’apparition spontanée du prion [PSI+]. Il conduit également à uneinstabilité accrue de ce même prion. Ainsi, l’activité PFAR ressemble à celle duchaperon de protéine Hsp104p, une protéine indispensable au maintien et à lapropagation de tous les prions de levure, mais qui n’a pas d’homologue chez lesmammifères. Mes résultats suggèrent que les activités PFAR et Hsp104p sontpartiellement redondantes pour le maintien des prions chez la levure et que, chez lesmammifères, seule l’activité PFAR jouerait ce rôle. Parallèlement, nous avonsidentifié de nouvelles familles de molécules antiprion, actives tant contre les prionsde levure que de mammifères. Ces molécules inhibent toutes l’activité PFAR. Nosrésultats contribuent ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes deprionisation. Ils indiquent également que l’activité PFAR est une cible thérapeutiqueprometteuse pour les maladies à prion, mais aussi probablement pour d’autresprotéinopathies beaucoup plus fréquentes. / Prion diseases are considered neurodegenerative diseases. The incriminated agentis the prion protein PrPSc. The conversion of PrP from its native conformation PrPC tothe pathologic form PrPSc is the major element of the pathogenesis of prion diseases.However, the mechanisms involved in this conversion are poorly understood. In theyeast Saccharomyces cerevisiae, there is no counterpart of the PrP protein. Howeverproteins acting as prion do exist in yeast, such as the Sup35 protein responsible forthe prion [PSI+], or the Ure2 protein responsible for the prion [URE3]. In previousstudies, our team isolated two compounds, 6AP and GA, which are active against theyeast prions [PSI+] and [URE3 ] and against the mammalian prion PrPSc in cellbasedassays as well as in vivo in a mouse model for prion diseases. These resultsdemonstrated that the prionisation mechanisms are at least partially conserved fromyeast to mammals. 6AP and GA specific and competitive inhibitors of the ProteinFolding Activity of the Ribosome (PFAR) thereby showing that the PFAR is oneconserved mechanism of the prionisation. Moreover, 6AP and GA have been provenactive against other amyloid diseases thus placing the PFAR as a key player in thepathophysiology of protein folding diseases. My thesis aims were to test theinvolvement of the PFAR in the initiation and / or propagation of prion, to identify newantiprion molecules and to understand their mechanisms of action. My results showthat the PFAR plays a central role in the yeast prion propagation. Indeed, PFARenrichment promotes the spontaneous appearance of the prion [PSI+] and at thesame time leads to an increased instability of the same prion. Thus, PFAR activityresembles the yeast Hsp104p chaperone protein activity in the maintenance andpropagation of all yeast prions. My results suggest that the PFAR and Hsp104pactivity are partially redundant and that only the PFAR should play this role inmammals. Meanwhile, we have identified new antiprion drugs that are active againstboth yeast and mammal’s prions. These compounds are all inhibitors of the PFAR.Our results contribute to a better understanding of the prionisation mechanisms andindicate that the PFAR is a promising therapeutic target for prion diseases andprobably also for common protein folding diseases.Keywords: prion, yeast, ribosome, protein chaperon, Hsp104

Dans les cellules eucaryotes, il existe 3 ARN Polymérases nucléaires (Pol I, II et III), chacune ayant une fonction de synthèse d'ARN qui lui est propre. L'ARN polymérase I (Pol I) est responsable de la synthèse du précurseur des grands ARN ribosomiques (ARNr), ce qui correspond à une activité de transcription massive dans la cellule. Des données structurales sur cette enzyme de 14 sous-unités sont disponibles. Ceci permet une meilleure compréhension de son mode de fonctionnement, et a confirmé que l'ARN Pol I possède 3 sous-unités spécifiques, aussi appelées "Built-in Transcription Factors", responsables d'activités régulatrices. Deux d'entres elles, Rpa49 / Rpa34, forment un hétérodimère structuralement proche des facteurs de transcription TFIIF et TFIIE de la Pol II, impliqués tant dans l'initiation que dans l'élongation de la transcription. La dernière, Rpa12, est connue pour avoir un rôle dans la stabilité de l'ARN Pol I et l'activité de clivage du transcrit de la polymérase en cours de pause (via son extrémité C-terminale), comme son homologue TFIIS, facteur de transcription de l'ARN Pol II. Nous avons effectué des études génétiques sur des mutants de l'ARN Pol I dépourvus de la sous-unité Rpa49 (rpa49Δ). Cette délétion est viable mais entraîne des problèmes d'initiation et élongation. Nous étudions dans ce travail le clonage et la caractérisation de "suppresseurs" extragéniques correspondant à des mutations ponctuelles de trois sous-unité de la Pol I qui rétablissent une synthèse d'ARNr en l'absence de la sous-unité Rpa49. Toutes ces mutations suppressives identifiées ont été localisées premièrement dans les deux grandes sous-unités Rpa190 et Rpa135, structuralement très proches de Rpa12, mais également au sein même de Rpa12, indiquant une possible interaction entre les sous-unités Rpa49 et Rpa12 ou la région autour. Notamment, un élément spécifique de l'ARN Pol I dans Rpa190, le "DNA Mimicking Loop", est structuralement très proche de la région où l'on trouve ces mutations suppresseur. Les caractérisations génétiques, structurales, mais aussi biochimiques et fonctionnelles de ces suppresseurs nous permettent de proposer des hypothèses sur les rôles de Rpa49 et de Rpa12, mais aussi de cette petite région de Rpa190, en l'initiation de la transcription, ce qui n'a jamais été mis en évidence auparavant. / In eukaryotes cells, there are 3 nuclear RNA Polymerases (Pol I, II and III), each having a particular RNA synthesis function. The RNA Polymerase I (Pol I) produces a single transcript: the precursor of the large ribosomal RNA (rRNA), which correspond to a massive transcription activity in the cell. Structural data of this 14-subunits enzyme is now available. This allows a better understanding of its operating mode, and confirmed that the Pol I has 3 specific subunits, also called "Built-in transcription factors", capable of regulatory activities. Two of them, Rpa49/Rpa34, are forming a heterodimer structurally related to the Pol II transcription factors TFIIF and TFIIE, implicated in both initiation and elongation of the transcription. The last one, Rpa12, is known to have a role in Pol I stability and the cleavage activity of the paused Pol I (via its C-terminus part), like its homologous TFIIS in the Pol II. We performed extensive genetic studies of Pol I mutants lacking one of these subunits: Rpa49 (rpa49Δ). This depletion is viable, but results in initiation and elongation problems. Here, we report the cloning and characterization of extragenic suppressors mapping point mutations in three subunits of Pol I restoring efficient Pol I activities in absence of Rpa49. All suppressor mutations identified were structurally mapped firstly in the two largest subunits Rpa190 and Rpa135 very closed to Rpa12, and then in Rpa12 itself, indicating a possible interplay between the Rpa49 and Rpa12 subunits, and the area around. Notably, a RNA pol I specific element in Rpa190, called "DNA Mimicking Loop", is structurally very closed to the region in which we find all of our suppressor mutations. The genetic, structural but also biochemical and functional characterizations of these suppressors allow us to propose roles of these Rpa49 and Rpa12 subunits, but also of the small area of Rpa190, which has never been highlighted before.

Ces dernières années ont vu un grand développement des biotechnologies blanches et de l'ingénierie métabolique avec l'objectif de remplacer les procédés de synthèse de molécules d’intérêt de l’industrie chimique classique par des voies de synthèse biologique. Dans ce contexte, les réactions anaplérotiques, qui produisent les acides dicarboxyliques, sont particulièrement intéressantes puisqu'au delà de la production de ces molécules d’intérêt elles permettent une fixation nette de carbone, réduisant ainsi l’impact environnemental des procédés. Ce travail de thèse a donc porté sur l'élaboration d'une stratégie d'ingénierie métabolique faisant appel à des réactions de fixation de carbone inorganique chez la levure pour la production d'acide malique, une molécule plateforme ayant de nombreuses applications industrielles. La levure Saccharomyces cerevisiae a été choisie comme hôte pour sa commodité d’utilisation dans les procédés industriels et ses nombreux outils génétiques. L'approche développée repose sur la mise en place d'une voie de production d'acide malique par surexpression de la phosphonéolpyruvate carboxylase d'Escherichia coli (PEPC), de la malate déshydrogénase peroxysomale de S. cerevisiae relocalisée dans le cytosol (MDH) et du transporteur d'acides dicarboxyliques de Schizosaccharomyces pombe. La souche de levure recombinante obtenue a été caractérisée lors d'essais en fioles, en présence notamment de carbonate de calcium pour assurer un apport de carbone inorganique. Ces essais ont permis de mettre en évidence un effet stimulant de l'apport de carbone inorganique sur la production de malate et d'obtenir des concentrations de malate de l'ordre de 2,5 g/L à partir de 50 g/L de glucose, pour un rendement maximal de 0,046 gramme de malate par gramme de glucose. Des essais en bioréacteur de 5 L en présence d'air ou d'air enrichi à 5% de CO2 ont montré un effet positif de l'apport de carbone inorganique sous forme de dioxyde de carbone sur la production de malate. La concentration maximale de malate obtenue est de 1,46 g/L à partir de 50 g/L de glucose, soit un rendement de 0,029 gramme de malate par gramme de glucose. Des souches intermédiaires exprimant la PEPC et la MDH obtenues pour la production de malate ont également été caractérisées pour la production d'éthanol, car elles semblaient présenter une augmentation du rendement de production d'éthanol par effet transhydrogénase par rapport à la souche sauvage. Les essais n'ont cependant pas permis de confirmer cette augmentation de rendement. / White biotechnologies have been developing quickly during the last decades, aiming at replacing chemical syntheses by biological processes for the industrial production of target compounds. In this context, the implementation of anaplerotic reactions in the metabolism is of great interest, since those reactions allow both production of dicarboxylic acids and direct fixation of inorganic carbon. This work is about the development of a metabolic engineering strategy using inorganic carbon fixation reactions to produce malic acid, a compound with various industrial applications. The yeast Saccharomyces cerevisiae was chosen as a host for its convenient use in industrial processes and the availability of genetic tools. The approach developed to produce malic acid is based on the overexpression of Escherichia coli phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), S. cerevisiae peroxysomale malate dehydrogenase relocated in the cytosol (MDH) and Schizosaccharomyces pombe dicarboxylic acid carrier. A recombinant yeast strain expressing those three genes was obtained and characterised in shake-flasks experiments, involving more specifically calcium carbonate as an inorganic carbon source. Those experiments showed an enhancement of the malate production in the presence of calcium carbonate and allowed to obtain a concentration of 2.5 g/L from 50 g/L glucose, for a maximal yield of 0.046 gram malate per gram glucose. Fermentation experiments were performed in a 5 L bioreactor in the presence of air or 5% CO2 enriched air; they confirmed the positive effect of inorganic carbon addition as CO2 on malate production. A malate concentration of 1.46 g/L from 50 g/L glucose was obtained, giving a yield of 0.029 gram malate per gram glucose. Intermediate recombinant strains expressing PEPC and MDH were also characterised, for ethanol production, as they seemed to give increased ethanol yields, probably due to a transhydrogenase effect. Shake flasks and bioreactors experiments did unfortunately not confirm the yield improvement.

Le vin est un milieu peu propice à la croissance de la levure mais il est néanmoins possible de la faire croître sur base de vin enrichit en nutriments et dilué pour diminuer la concentration en éthanol. En vue de l’élaboration des vins effervescents par une seconde fermentation, produire la levure Saccharomyces cerevisiae dans ces conditions est indispensable pour l’acclimater mais il s’agit d’un enjeu complexe qui doit prendre en compte de nombreux paramètres physico-chimiques mais aussi économiques. En effet, les paramètres opératoires peuvent induire des conditions de croissance pouvant affecter le développement de la levure. Seule la levure S. cerevisiae (Fizz+) a été utilisée car elle est spécialement sélectionnée pour cette seconde fermentation en vase clos. Le principal enjeu était donc d’obtenir une bonne adaptation de la levure à croître dans un milieu hydro-alcoolique, conditions contraignantes pour elle, mais aussi d’obtenir une production maximale.Nous avons tout d’abord étudié en fioles Erlenmeyer (250 mL) l’influence de divers paramètres : conditions physico-chimiques, concentrations en nutriments, concentration minimale en levure sèche active nécessaire à une bonne activité ainsi que son temps de réhydratation.Dans un deuxième temps, nous avons effectué des propagations en mode batch dans un bioréacteur (5 L) pour valider les conclusions réalisées à la suite de l’étude en Erlenmeyer et ainsi étudier l’influence de différentes aérations sur la production de S. cerevisiae. Les données obtenues ont servi de base pour comparer les améliorations apportées par le procédé développé en mode fed-batch. Les concentrations en levures obtenues suite à l’optimisation des conditions du milieu de culture en cinq litres sont supérieures d’un facteur cinq à celles obtenues dans la pratique en cave.Ensuite l’étude s’est concentrée sur le développement d’un nouveau procédé d’alimentation en nutriments pour cultiver S. cerevisiae en métabolisme respiratoire dans des cuves réalisées par la société partenaire du projet, OEno Concept. La nouveauté réside dans la façon de réguler la température de la culture qui se fait simultanément à l’apport des nutriments suite au dégagement de chaleur lors de la croissance de S. cerevisiae. Un brevet a été déposé sur cette technologie. Ce nouveau procédé a permis une augmentation de la productivité cellulaire, d’un facteur supérieur à quatre, car il a permis aux levures de s’adapter à cet environnement stressant et a favorisé l’oxydation du glucose au détriment de la fermentation. / Wine is an aggressive/stressful growth medium; it is depleted of micronutrients, rich in ethanol and very poor in assimilable nitrogen. Despite all these difficulties, it is possible to grow yeast in a medium largely based on wine by diluting the ethanol concentration and enriching the medium with micronutrients, a carbon source and assimilable nitrogen. It is, desirable to propagate Saccharomyces cerevisiae in such environment in order to produce a culture of yeast adapted to a second fermentation of alcoholic beverages. Production of microorganism in wine growing environment, is a complex issue that must take into account many, physicochemical and economic parameters. Indeed, the operating parameters can affect the development of yeast in a bioreactor. Therefore, it is important to know the most influential parameters on growth. The strain S. cerevisiae (Fizz+), a commercial strain that has been selected for the second fermentation in bottles, was used during this project. The propagation process served to increase the amount of yeast as well as to adapt the yeast to grow in an alcoholic environment. We first studied in shake-flasks cultures various physicochemical conditions such as nutrients concentration, the rehydration time and the minimum concentration of active dry yeast necessary for good yeast activity.In a second step, we performed batch fermentations in bioreactors (5 L) to confirm the conclusions from the shake-flask cultures and additionally to study the influence of aeration on S. cerevisiae production. The data obtained served as a basis for performing fed-batch cultures. The yeast concentrations obtained as a result of the optimization of the conditions of the culture medium in five liters were five times greater than those obtained in actual industrial production processes. The next step was to develop an automated fed-batch culture to grow S. cerevisiae respiratively in partnership with the industrial partner of the project, OEno Concept. The novelty of the process is the way in which the growth medium feed-rate is linked to the heat produced by the growing S. cerevisiae.This research has allowed an increase in cell productivity, by a factor greater than four, thanks to the novel process in stressful growth environment promoting respiration with regard to fermentation.

La levure S. cerevisiae est la seule espèce capable de terminer la fermentation alcoolique du jus de raisin qui est l’étape principale de la vinification. A cause de la forte variabilité technologique retrouvée chez cette espèce, des travaux de sélection sont réalisés dans le but d’utiliser des levains performants pour l’industrie. Ces souches montrent des différences importantes à la fois dans leurs cinétiques fermentaires et leur bilans en métabolites, ce qui impacte la qualité des vins. La réponse phénotypique des levures varie également de manière considérable et non homogène face aux variations environnementales. La compréhension des mécanismes génétiques expliquant cette réponse différenciée est une question scientifique non triviale. Elle revêt une importance particulière en oenologie, où les conditions de vinifications sont très changeantes (millésimes, cépages, terroirs, conduites de vinifications…). Afin de pouvoir proposer des levains garantissant le succès des fermentations dans un large éventail de conditions, nous proposons ici de mieux comprendre ces mécanismes d’interaction Gène x Environnement dans un contexte oenologique. L’identification de locus génétiques (Quantitative Trait Loci (QTL)) contrôlant des caractères quantitatifs est rendue possible par des approches de cartographie de QTLs. Celles-ci nécessitent l’étude d’une vaste descendance en ségrégation qui doit être caractérisée sur le plan génétique et phénotypique. L’établissement d’un lien statistique entre des marqueurs génétiques et un phénotype permet la localisation de QTLs influant les caractères étudiés. Au cours de cette thèse, une méthode de phénotypage pour suivre les fermentations de plusieurs centaines d’individus a été mise au point. Grâce à elle, les performances fermentaires de deux descendances génotypées par séquençage à haut débit ont été mesurées en faisant varier les conditions de fermentations. Cela a permis l’identification de nombreux QTLs et d’estimer leur impact sur la robustesse des souches. L’implication des allèles de trois gènes qui montrent une forte interaction avec l’environnement et qui possèdent des effets pléiotropiques liés au métabolisme du SO2 a été prouvée moléculairement. Les résultats obtenus font l’objet d’une discussion générale sur l’utilisation de QTLs pour la sélection de levures plus performantes. / The yeast S. cerevisiae is the only species able to complete the alcoholic fermentation of grape must which is the main step of the wine-making process. Because of the high technological variability found in this species, selection work is carried out with the aim of using efficient yeasts for the industry. These strains show important differences both in their fermentation kinetics and their metabolite yield which affects the wines quality. In addition to these important phenotypic variations, the phenotypic response of yeasts varies considerably and not homogeneously against environmental variations. Understanding the genetic mechanisms that explain these differentiated responses to environmental variations is a non-trivial scientific question. This is of particular importance in oenology, where the winemaking conditions are highly variable (vintages, grape variety, terroirs, oenological practices...). In order to obtain yeasts ensuring the success of the fermentations under a wide range of conditions, we propose here to better understand these mechanisms of interaction Gene x Environment in an oenological context. The identification of genetic locus (Quantitative Trait Loci (QTL)) controlling quantitative characters is made possible by QTL mapping approaches. These approaches require the study of a large progeny in segregation that must be characterized genetically and phenotypically. The establishment of a statistical link between genotype and phenotype allows the localization of QTLs that have an impact on phenotyped characters. During this thesis a phenotyping method that allows us to follow the fermentations of several hundred individuals has been developed. Thanks to it, two progenies genotyped by whole genome sequencing have been phenotyped in different environmental conditions. This lead to the identification of many QTLs and to the estimation of their impact in strain robustness. The implication of the alleles of 3 genes showing a strong interaction with environment and pleiotropic effects linked to the SO2 metabolism has been proved molecularly. The results achieved are discussed in the context of QTL exploitation for the selection of more efficient yeast.

Le métabolisme de l'oxygène conduit à la formation d'espèces chimiques oxydantes, capables de provoquer l'oxydation de nombreux composants cellulaires, dont les résidus cystéines des protéines. L'oxydation du résidu cystéine est contrôlée par un système de réduction composé de deux branches distinctes, appelées la voie des thioredoxines et la voie du glutathion. Ces deux voies utilisent la chimie redox du soufre de la cystéine pour réduire les cystéines oxydées, avec des électrons fournis par le NADPH. Notre travail a consisté à étudier l'état d'oxydation des résidus cystéines de la cellule et la contribution respective des mécanismes opérant le contrôle de l'état redox des thiols. Pour cela, nous avons exploité les approches génétiques chez S.cerevisiae, et les avons couplés à une approche protéomique d'identification des thiols oxydés.<br />Ce travail nous a permis d'identifier de nombreuses protéines cytoplasmiques portant un ou plusieurs résidus cystéine oxydés et d'établir une différence frappante entre les voies des thioredoxines et du glutathion dans le contrôle de l'état redox des thiols intracellulaires. Au cours de notre travail, nous nous sommes également intéressés à la superoxyde dismutase, une protéine cytoplasmique, que nous avons identifié comme oxydée constitutivement. Nous avons étudié le mécanisme d'oxydation de Sod1, et avons observé que celui-ci semble se dérouler dans l'espace intermembranaire mitochondrial et fait intervenir une oxydase spécifique des thiols

Dans cette thèse, nous avons abordé l'étude du fonctionnement de Ccc2, l'ATPase à cuivre de S. Cerevisiae sous deux aspects. Le premier, cellulaire, concerne une étude de sa localisation et de sa fonction; le second, biochimique, est une étude du mécanisme du transport du cuivre par l'ATPase. L'étude de la distribution intra-cellulaire de Ccc2 montre que l'ATPase n'est pas confinée dans l'appareil de Golgi, mais qu'elle est distribuée dans tous les compartiments de la voie sécrétoire, ainsi qu'à la membrane de la vacuole. Cette dernière localisation, qui n'avait jamais été décrite, nous a permis de montrer la participation de Ccc2 à l'accumulation de cuivre dans la vacuole. Il s'agit du premier transporteur actif découvert pour cette fonction. D'autre part, l'étude biochimique nous a permis de mettre en évidence la fixation de deux cuivres dans le domaine nucléotidique isolé. Deux acides aminés importants pour cette liaison du cuivre ont été identifiés, les cystéines 708 et 718. Reste à découvrir le rôle de ces sites dans le transport du cuivre par Ccc2.