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

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

Le jumeau numérique est un concept relativement nouveau qui a reçu plusieurs contributions académiques ces dernières années. Un jumeau numérique reproduit une entité physique de façon à ce que l'état de cette entité soit identique en tout temps à l'état de l'entité numérique. L'objectif de cette maîtrise est de créer le prototype d'un jumeau numérique qui vise à assister des opérateurs de machineries forestières. Pour ce faire, une revue littérature a été réalisée pour documenter les contributions académiques dans les domaines principaux du jumeau numérique, de façon à montrer les caractéristiques que le jumeau numérique d'un système opérateur-machine forestier pourrait avoir. Cette revue a également permis de déterminer qu'il est nécessaire, de développer un algorithme pour traduire les mouvements de la machine en actions effectuées par l'opérateur dans le but de créer ce jumeau. À partir de ce constat, le prototype d'un jumeau numérique a été créé à l'aide d'un simulateur de machinerie lourde générique. Le prototype a permis la création d'une base de données afin d'alimenter l'algorithme proposé. L'étude rattachée à cet algorithme est centrée sur l'influence de l'ajout d'informations temporelles et de son impact sur la précision du modèle. Il en résulte qu'avec les données collectées, l'ajout du contexte temporel a soit, pas d'influence sur la précision du modèle, soit nui aux résultats lorsque l'environnement et la machine sont complètement caractérisés. À travers ces contributions, un concept de jumeau numérique a été créé et il pourra servir de base à de futures recherches sur l'assistance des opérateurs de machinerie lourde. Ce projet permet également de mettre en valeur un exemple de jumeau numérique appliqué à des problématiques rencontrées par des travailleurs spécialisés. Une telle application du concept du jumeau numérique n'est pas encore commune. / The concept of digital twin is a relatively new research topic that has received several academic contributions in recent years. A digital twin reproduces a physical entity in such a way that the state of this entity is identical at all times to the state of the digital entity. The objective of the master's project is to create the prototype of a digital twin in order to assist operators of forestry machinery. To this end, a literature review was written to document the academic contributions related to the main study areas of the digital twin, so as to show the characteristics that the digital twin of a forest operator-machine system could have. This review has also determined that it is necessary to develop an algorithm to transpose the movements of the machine into actions performed by the operator in order to advise the operator. Based on this, the prototype of a digital twin was created using a generic heavy machinery simulator. This allowed the creation of a database to feed the proposed algorithm. The study related to this algorithm is centered on the influence of the addition of temporal information and its impact on the accuracy of the model. It follows that with the collected data, the addition of the temporal context, by itself, has no influence on the precision of the model, or harms the performance when the environment and the machine are completely characterized. Through these contributions, a prototype of digital twins has been created and it can serve as a basis for future research on the assistance of heavy machinery operators. This project also highlights an example of a digital twin applied to problems encountered by specialized workers.

Le jumeau numérique est un concept relativement nouveau qui a reçu plusieurs contributions académiques ces dernières années. Un jumeau numérique reproduit une entité physique de façon à ce que l'état de cette entité soit identique en tout temps à l'état de l'entité numérique. L'objectif de cette maîtrise est de créer le prototype d'un jumeau numérique qui vise à assister des opérateurs de machineries forestières. Pour ce faire, une revue littérature a été réalisée pour documenter les contributions académiques dans les domaines principaux du jumeau numérique, de façon à montrer les caractéristiques que le jumeau numérique d'un système opérateur-machine forestier pourrait avoir. Cette revue a également permis de déterminer qu'il est nécessaire, de développer un algorithme pour traduire les mouvements de la machine en actions effectuées par l'opérateur dans le but de créer ce jumeau. À partir de ce constat, le prototype d'un jumeau numérique a été créé à l'aide d'un simulateur de machinerie lourde générique. Le prototype a permis la création d'une base de données afin d'alimenter l'algorithme proposé. L'étude rattachée à cet algorithme est centrée sur l'influence de l'ajout d'informations temporelles et de son impact sur la précision du modèle. Il en résulte qu'avec les données collectées, l'ajout du contexte temporel a soit, pas d'influence sur la précision du modèle, soit nui aux résultats lorsque l'environnement et la machine sont complètement caractérisés. À travers ces contributions, un concept de jumeau numérique a été créé et il pourra servir de base à de futures recherches sur l'assistance des opérateurs de machinerie lourde. Ce projet permet également de mettre en valeur un exemple de jumeau numérique appliqué à des problématiques rencontrées par des travailleurs spécialisés. Une telle application du concept du jumeau numérique n'est pas encore commune. / The concept of digital twin is a relatively new research topic that has received several academic contributions in recent years. A digital twin reproduces a physical entity in such a way that the state of this entity is identical at all times to the state of the digital entity. The objective of the master's project is to create the prototype of a digital twin in order to assist operators of forestry machinery. To this end, a literature review was written to document the academic contributions related to the main study areas of the digital twin, so as to show the characteristics that the digital twin of a forest operator-machine system could have. This review has also determined that it is necessary to develop an algorithm to transpose the movements of the machine into actions performed by the operator in order to advise the operator. Based on this, the prototype of a digital twin was created using a generic heavy machinery simulator. This allowed the creation of a database to feed the proposed algorithm. The study related to this algorithm is centered on the influence of the addition of temporal information and its impact on the accuracy of the model. It follows that with the collected data, the addition of the temporal context, by itself, has no influence on the precision of the model, or harms the performance when the environment and the machine are completely characterized. Through these contributions, a prototype of digital twins has been created and it can serve as a basis for future research on the assistance of heavy machinery operators. This project also highlights an example of a digital twin applied to problems encountered by specialized workers.

Les centres FeS sont un des cofacteurs protéiques majeurs, ils se trouvent aussi bien chez les bactéries que chez les eucaryotes. Ils ont des rôles essentiels de transfert d'électron, liaison de substrat et son activation, régulation d'expression de gènes, donneur de soufre etc. Leur agencement est très varié, allant du centre [2Fe-2S] à l'agrégat plus complexe MoFe7S9X (X = C, N ou O) de la nitrogénase. L'assemblage de ces centres se fait par des machineries protéiques. Nous avons étudié le système ISC (Iron-Sulfur Cluster) chez les bactéries, qui fabrique des centres [2Fe-2S] et [4Fe-4S]. Il est composé des protéines IscS, IscU, IscA, HscA, HscB et d'une ferrédoxine. Deux de ces protéines, IscS, qui est une cystéine désulfurase et IscU, protéine dite échafaudage, sont le cœur de la machinerie puisque IscS apporte le soufre sur la protéine IscU, qui, avec le fer qu'elle aura obtenu d'une autre protéine (non clairement identifiée à ce jour), fabriquera le centre fer-soufre et le transfèrera à une apoprotéine. Nous avons isolé un complexe stable (IscS-D35A-IscU)2 contenant un centre [2Fe-2S] dans des conditions anaérobie. Différentes formes du complexe ont été obtenues et cristallisées afin d'obtenir leurs structures, résolues par remplacement moléculaire. Ces structures nous ont permis de proposer un mécanisme d'assemblage des centres [2Fe-2S] à l'échelle atomique et électronique. Nous avons d'autre part étudié la protéine HmdB probablement impliquée dans la maturation de l'hydrogénase à fer. HmdB fait partie de la superfamille des protéines à radical SAM. Des cristaux de l'apoprotéine ont été obtenus et sa structure a été résolue par remplacement moléculaire. Même si une partie de la structure n'est pas visible du fait de l'absence de centre [4Fe-4S], elle donne une première vue du site actif de la protéine. / FeS clusters are widely used protein cofactors, found both in bacteria and eukaryotes. They play key roles such as electron transfer, substrate binding and activation, regulation of gene expression, sulfur donor etc. They are really various, ranging from the [2Fe-2S] cluster to the more complex MoFe7S9X (X = C, N or O) agregate of nitrogenase. Clusters assembly is carried out by protein machineries. We studied the ISC (Iron-Sulfur Cluster) in bacteria, who assembles [2Fe-2S] and [4Fe-4S] clusters. It is composed of IscS, IscU, IscA, HscA, HscB proteins and a ferredoxin. Two of these proteins: the cysteine desulfurase IscS, and the scaffold protein IscU, represent the core of the machinery as IscS provides sulfur protein on IscU, which, with iron obtained from another protein (not clearly identified to date), assemble the iron-sulfur center. The latter transfers it to an apoprotein. We isolated under anaerobic conditions a stable (IscS-D35A-IscU)2 complex containing a [2Fe-2S] cluster. Different forms of the complex were obtained and their structures were solved by molecular replacement. These structures allowed us to propose a mechanism for the assembly of the [2Fe-2S] clusters at the atomic and electronic levels. We have also studied the HmdB protein, which is proposed to maturate the [Fe]-hydrogenase. HmdB is a member of the radical SAM proteins superfamily. Crystals of the apoprotein were obtained and its structure was solved by molecular replacement. Although part of the structure is not visible due to the absence of the [4Fe-4S] cluster, this structure gives a first view of the active site of the protein.

La maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par une dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire. Elle est le plus souvent sporadique mais des formes familiales monogéniques existent, notamment dues à des mutations de PARK2 et de PINK1. Ces gènes codent pour l'ubiquitine-protéine ligase cytosolique Parkine et la sérine/thréonine kinase mitochondriale PINK1, deux acteurs majeurs du contrôle de qualité mitochondrial. Ce travail étudie le rôle de leur interaction au niveau de la membrane mitochondriale externe dans la régulation de l'homéostasie mitochondriale.Nous avons montré que l'association de PINK1 et Parkine au complexe d'import mitochondrial TOM lors d'un stress mitochondrial permet l'import de la grande majorité des protéines adressées à la mitochondrie ; que déstabiliser ce complexe suffit à initier la mitophagie ; et que l'activation de Parkine par PINK1 facilite l'import de son substrat HSD17?10. Nous avons développé un biosenseur moléculaire inductible, permettant d'étudier la voie d'import classique des protéines à pré-séquence. Nous avons également montré, dans un modèle neuronal, qu'un stress mitochondrial, en présence de Parkine, induit une forte augmentation de l'expression de gènes clés de la biogenèse mitochondriale ; et que ces gènes sont up-régulés de façon basale dans les neurones PARK2-/-, indiquant une possible altération de la réponse aigüe au stress.Ces résultats approfondissent notre connaissance de la physiopathologie des formes autosomiques récessives de MP en soulignant l'importance de la voie PINK1/Parkine dans l'import et la biogenèse mitochondriaux. / Parkinson’s disease (PD) is linked to a specific loss of dopaminergic neurons of the substancia nigra. The disease is most often sporadic but familial monogenic forms exist, for example due to mutations in PARK2 or PINK1. Those genes encore the cytosolic ubiquitin-protein ligase Parkin and the mitochondrial serine/threonine kinase PINK1, both essential for mitochondrial quality control. This work studies the role of their interaction at the outer mitochondrial membrane in the regulation of mitochondrial homeostasis. We found that the association of PINK1 and Parkin to the mitochondrial import TOM complex during mitochondrial stress induces the import of most proteins targeted to mitochondria; that destabilizing this complex is sufficient to initiate mitophagy; and that Parkin activation by PINK1 facilitates the import of its substrate, HSD17β10. We developed an inducible BRET-based molecular biosensor to study the classical pre-sequence import pathway. We also found, in a neuronal model, that mitochondrial stress induced a strong increase in the expression of mitochondrial biogenesis key genes, in the presence of Parkin; and that these genes are basally up-regulated in PARK2-/- neurons, possibly reflecting an alteration of acute stress response. These results increase our understanding of the pathophysiology of autosomal recessive forms of PD, underlining the importance of the PINK1/Parkin pathway in mitochondrial import and biogenesis.

Mémoire (M.P.M.O.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 1993. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Les centres FeS sont un des cofacteurs protéiques majeurs, ils se trouvent aussi bien chez les bactéries que chez les eucaryotes. Ils ont des rôles essentiels de transfert d'électron, liaison de substrat et son activation, régulation d'expression de gènes, donneur de soufre etc. Leur agencement est très varié, allant du centre [2Fe-2S] à l'agrégat plus complexe MoFe7S9X (X = C, N ou O) de la nitrogénase. L'assemblage de ces centres se fait par des machineries protéiques. Nous avons étudié le système ISC (Iron-Sulfur Cluster) chez les bactéries, qui fabrique des centres [2Fe-2S] et [4Fe-4S]. Il est composé des protéines IscS, IscU, IscA, HscA, HscB et d'une ferrédoxine. Deux de ces protéines, IscS, qui est une cystéine désulfurase et IscU, protéine dite échafaudage, sont le cœur de la machinerie puisque IscS apporte le soufre sur la protéine IscU, qui, avec le fer qu'elle aura obtenu d'une autre protéine (non clairement identifiée à ce jour), fabriquera le centre fer-soufre et le transfèrera à une apoprotéine. Nous avons isolé un complexe stable (IscS-D35A-IscU)2 contenant un centre [2Fe-2S] dans des conditions anaérobie. Différentes formes du complexe ont été obtenues et cristallisées afin d'obtenir leurs structures, résolues par remplacement moléculaire. Ces structures nous ont permis de proposer un mécanisme d'assemblage des centres [2Fe-2S] à l'échelle atomique et électronique. Nous avons d'autre part étudié la protéine HmdB probablement impliquée dans la maturation de l'hydrogénase à fer. HmdB fait partie de la superfamille des protéines à radical SAM. Des cristaux de l'apoprotéine ont été obtenus et sa structure a été résolue par remplacement moléculaire. Même si une partie de la structure n'est pas visible du fait de l'absence de centre [4Fe-4S], elle donne une première vue du site actif de la protéine.

Dans les cellules il existe deux grandes sources d’énergie : l’ATP et la force proton-motrice, produites au niveau du cytoplasme et de la membrane interne respectivement. La mise en place de processus actifs dans la membrane externe ou à la surface des bactéries à Gram négatif requière la présence de machineries protéiques transmettant les forces de leur lieu de production à leur lieu d’utilisation. Durant ma thèse j’ai étudié une de ces machines : la machinerie de motilité (Agl-Glt) de Myxococcus xanthus. Plus précisément, j’ai cherché à comprendre comment les composants de cette machine s’organisent pour permettre le déplacement d’une bactérie. J’ai montré que l’assemblage de la machinerie de motilité au pôle avant des cellules nécessite la formation d’une plateforme cytosolique sur laquelle vient se fixer la machine Agl-Glt. Sous l’action du moteur, le complexe interne de la machine se déplace en direction du pôle arrière en suivant une trajectoire hélicoïdale de main droite. Au niveau de la surface les protéines de membrane externe sont recrutées au niveau d’adhésions focales et permettent l’ancrage de la machinerie au substrat. Enfin, la transmission des forces de la membrane interne à la surface par la machinerie de motilité génère le déplacement des cellules selon une trajectoire hélicoïdale de main gauche. Finalement, cette étude a révélé l’existence d’une machine protéique de l’enveloppe dont l’activité repose sur l’association d’un moteur linéaire et du cytosquelette bactérien. De par l’homologie qu’il existe entre les systèmes il est possible de proposer que ce type de machines peut-être retrouvé associées à d’autres fonctions que la motilité cellulaire. / Two energy sources are present in cells: the ATP and the Proton Motive Force, produced in the cytoplasm and inner membrane respectively. Active processes in the outer membrane or on the surface of Gram negative bacteria require the presence of a proteic machinery to transduce the forces from their production site, in the cytoplasm or inner membrane, to their usage site. During my thesis I have studied one of these machineries: the motility machinery (Agl-Glt) of Myxococcus xanthus. More precisely, I try to understand how the components of this transmembrane machinery interact with each other to promote cell motility. I have shown that the assembly of the motility machinery at the leading pole requires the formation of a cytoplasmic platform onto which the Agl-Glt machinery is going to nucleate. The inner-membrane motor complex moves intracellularly along a right-handed path in the cell and becomes stationary at focal adhesion sites on the surface through the connection of the motor to the outer membrane proteins of the complex. This powers the left-handed helical motion of the bacteria. Finally, this study reveals the existence of a dynamic transmembrane machinery which associates the bacterial cytoskeleton to a linear motor to promote cell movement. The homology between the systems tells us that this type of motor is likely to be found associate with other function than cell motility.

Les protéines sont les macromolécules les plus polyvalentes de la cellule. Elles jouent un rôle fondamental dans la majorité des processus biologiques à travers la formation de complexes multi-protéiques. Durant la transcription, une multitude de facteurs sont impliquées dans le contrôle de l’activité des complexes ARN polymérases. Notre laboratoire s’est intéressé au réseau d’interaction de la machinerie de transcription des ARN polymérases nucléaires, dans le but de mieux comprendre leurs mécanismes de régulation. Pour ce faire, une procédure protéomique comprenant la purification de complexes protéiques par affinité couplée à la spectrométrie de masse et à l’analyse bioinformatique a été développée. La méthode de purification TAP (Tandem Affinity Purification) a été adaptée pour permettre la purification de complexes protéiques solubles assemblés in vivo à partir de cellules humaines. L’objectif de mon projet de maîtrise était de purifier le complexe de l’ARN Pol I ainsi que de poursuivre l’expansion du réseau d’interactions protéine-protéine de la machinerie de transcription de l’ARN Pol II humaine. À l’aide des protéines POLR1E, TWISTNB, POLR2E, PFDN4, MBD2, XPA, CAND1 et PDCD5 étiquetées (TAP-tag) exprimées dans des lignées cellulaires ECR-293, plusieurs complexes protéiques solubles ont été purifiés et analysés par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques ont été triées et validées bioinformatiquement pour donner en final une liste d’interactions ayant un haut degré de confiance à partir de laquelle des réseaux d’interactions protéine-protéine ont été créés. Le réseau créé au cours de ce projet connecte plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle tels que les ARN Pol I, II et III, les complexes RPAP3/R2TP/prefoldin-like, TRiC/CCT, Mi-2/NuRD et des facteurs de transcription et de réparation de l’ADN. Ce type d’analyse nous a permis d’identifier et de caractériser de nouveaux régulateurs de la machinerie de transcription de l’ARN Pol I et II et de mieux comprendre son fonctionnement. / Proteins are the most versatile macromolecules of the cell. They play a fundamental role in the majority of biological processes through the formation of multiprotein complexes. During transcription, a multitude of factors are involved in the control of activity of RNA polymerases. Our laboratory was interested in defining the nuclear RNA polymerases transcription machinery interaction network to better understand their regulatory mechanisms. To do so, a proteomic procedure that allows affinity purification of protein complexes coupled to mass spectrometry and computational data analysis was developed. The tandem affinity purification procedure has been adapted for the purification of soluble protein complexes as they likely exist in live mammalian cells. The aim of my master project was to purify the RNA Pol I complex as well as to further pursue the expansion of the protein-protein interaction network of the human RNA Pol II transcription machinery. By using POLR1E, TWISTNB, POLR2E, PFDN4, MBD2, XPA, CAND1 and PDCD5 TAP – tagged proteins expressed in EcR-293 cell lines, multiple soluble protein complexes were purified and analyzed by mass spectrometry. Protein interactions have been sorted and validated computationally. High-confidence dataset of interactions were used to build the protein-protein interaction networks. The network created for this project connects several components of the transcriptional machinery such as RNA Pol I, II and III, RPAP3/R2TP/prefoldin-like, TRiC/CTC, Mi-2/NuRD complexes and DNA repair and transcription factors. This type of analysis allowed us to identify and characterize new regulators of RNA Pol I and II transcription machinery and to better understand its functioning.