[ES] La cristalografía de rayos X es una potente técnica para la resolución de la estructura atómica de macromoléculas. La información generada, tiene gran impacto sobre diferentes campos relacionados con la investigación básica y aplicada, como son la biomedicina y diseño de fármacos, al igual que en el desarrollo de aplicaciones nanotecnológicas y biotecnológicas. Esta Tesis se centra en determinadas problemáticas actuales y en las proteínas involucradas en las mismas (TryR, eEF1A2 y CBDP35), siendo éstas sujeto de desarrollo biotecnológico en los campos de la biomedicina, farmacia y de la industria alimentaria, en el que la cristalografía de rayos X juega un papel crucial para dilucidar sus estructuras atómicas y funciones. En consideración a la biomedicina y diseño de fármacos, hemos resuelto la estructura de la Tripanotión reductasa (TryR) de Leishmania infantum en complejo con potentes inhibidores de su actividad oxidorreductasa, con potencial de desarrollo como fármacos. Así, se ha caracterizado la unión y mecanismo de acción de éstos inhibidores. TryR es una reconocida diana farmacológica para el tratamiento de la enfermedad de Chagas, la Tripanosomiasis Humana Africana y la leishmaniosis, ya que desempeña un papel crucial y esencial en el metabolismo redox de los parásitos de la familia Trypanosomatidae. Además, se han analizado los parámetros de cristalización y difracción de novedosos inhibidores de la dimerización de TryR, cuyo diseño racional se basa en la unión a la interfaz de dimerización de la misma. La oncoproteína eEF1A2, involucrada en múltiples funciones celulares y sujeto de numerosas modificaciones post-traduccionales, se une al fármaco anticancerígeno plitidepsina. La cristalografía de rayos X, combinada con experimentos de espectrometría de masas, se han utilizado como herramientas para identificar nuevas modificaciones post-traduccionales y características estructurales en eEF1A2:GDP. Una modificación única, la adición de etanolamina fosfoglicerol (EPG) a aminoácidos conservados (Glu301 y Glu374 en mamíferos), se ha observado aquí por primera vez. El análisis estructural de estos hallazgos facilita la comprensión de las múltiples funciones y regulaciones de eEF1A2. La adquisición de una muestra conformacionalmente homogénea de eEF1A2:GTP, necesaria para la unión a la plitidepsina, ha sido evaluada en ensayos de cristalización del complejo terciario de eEF1A2: GTP: plitidepsina. Con respecto al dominio de unión a la pared celular de la endolisina PlyP35 codificada por el fago P35 de Listeria monocytogenes (CBDP35), hemos resuelto la estructura cristalina de CBDP35 en un complejo con ácido teicoico natural de L. monocytogenes serovar 1/2a. Esta estructura es el primer módulo de unión a la pared celular en complejo con ácidos teicoicos jamás dilucidado. El análisis estructural reveló los principales determinantes para la unión de la pared celular bacteriana, en particular, el mecanismo molecular del reconocimiento de N-acetil-d-glucosamina, una decoración de carácter glicosídico en ácidos teicoicos de serovares patógenos de L. monocytogenes. Estos hallazgos arrojan luz sobre el desarrollo biotecnológico de nuevas herramientas en la industria alimentaria y las terapias derivadas de fagos para detectar y tratar infecciones bacterianas. / [CA] La cristal·lografia de raig X és una potent tècnica per a la resolució de l'estructura atòmica de macromolècules. La informació generada té gran impacte sobre diferents camps relacionats amb la investigació bàsica i aplicada, com són la biomedicina i disseny de fàrmacs, igual que en el desenvolupament d'aplicacions nanotecnológiques i biotecnològiques. Aquesta Tesi es centra en determinades problemàtiques actuals i en les proteïnes involucrades en les mateixes (TryR, eEF1A2 i CBDP35), sent estes subjecte de desenvolupament biotecnològic en els camps de la biomedicina, farmàcia i de la indústria alimentària, en el que la cristal·lografia de raig X juga un paper crucial per a dilucidar les seues estructures atòmiques i funcions. En consideració a la biomedicina i disseny de fàrmacs, hem resolt l'estructura de la Tripanotión reductasa (TryR) de Leishmania infantum en complex amb potents inhibidors de la seua activitat oxidorreductasa, amb potencial de desenrotllament com a fàrmacs. Així, s'ha caracteritzat la unió i mecanisme d'acció d'estos inhibidors. TryR és una reconeguda diana farmacològica per al tractament de la malaltia de Chagas, la Tripanosomiasi Humana Africana i la leishmaniosi, ja que exerceix un paper crucial i essencial en el metabolisme redox dels paràsits de la família Trypanosomatidae. A més, s'han analitzat els paràmetres de cristal·lització i difracció de nous inhibidors de la dimerizació de TryR, el disseny racional dels quals es basa en la unió a la interfície de dimerización de la mateixa. L'oncoproteína eEF1A2, involucrada en múltiples funcions cel·lulars i subjecte de nombroses modificacions posttraduccionals, s'unieix al fàrmac anticancerigen plitidepsina. La cristal·lografia de raig X, combinada amb experiments d'espectrometria de masses, s'han utilitzat com a ferramentes per a identificar noves modificacions posttraduccionals i característiques estructurals en eEF1A2:GDP. Una modificació única, l'addició d'etanolamina fosfoglicerol (EPG) a aminoàcids conservats (Glu301 i Glu374 en mamífers), s'ha observat ací per primera vegada. L'anàlisi estructural d'estes troballes facilita la comprensió de les múltiples funcions i regulacions d'eEF1A2. L'adquisició d'una mostra conformacionalmente homogènia d'eEF1A2:GTP, necessària per a la unió a la plitidepsina, ha sigut avaluada en assajos de cristal·lització del complex terciari d'eEF1A2: GTP: plitidepsina. Respecte al domini d'unió a la paret cel·lular de l'endolisina PlyP35 codificada pel fago P35 de Listeria monocytogenes (CBDP35), hem resolt l'estructura cristal·lina de CBDP35 en un complex amb àcid teicoico natural de L. monocytogenes serovar 1/2a. Esta estructura és el primer mòdul d'unió a la paret cel·lular en complex amb àcids teicoicos mai dilucidat. L'anàlisi estructural va revelar els principals determinants per a la unió de la paret cel·lular bacteriana, en particular, el mecanisme molecular del reconeixement de N-acetil-d-glucosamina, una decoració de caràcter glicosídico en àcids teicoicos de serovares patògens de L. monocytogenes. Estes troballes fan llum sobre el desenrotllament biotecnològic de noves ferramentes en la indústria alimentària i les teràpies derivades de fagos per a detectar i tractar infeccions bacterianes. / [EN] X-ray crystallography is a powerful technique for atomic structure resolution of macromolecules. The information generated impacts different fields involving basic and applied research on biomedicine and drug design and the development of nanotechnology and biotechnological applications. This dissertation focuses on current problematics and the target proteins involved (TryR, eEF1A2 and CBDP35) that are in sight for biotechnological development in the biomedical, pharmaceutical and food industry fields, in which X-ray crystallography plays a crucial role in the elucidation of their atomic structures and functions. Attaining to biomedical and drug design problematics, we have solved the structure of Leishmania infantum TryR in complex with potent oxidoreductase inhibitors prone to further development as anti-trypanosomal drugs, thereby characterizing their binding and mechanism of action. This protein is a long recognized drug target for the treatment of Chagas disease, Human African Trypanosomiasis and leishmaniasis, as it plays a crucial and essential role in the redox-metabolism of the Trypanosomatidae parasites. Moreover, the crystallization and diffraction parameters of novel TryR dimerization disruptors have been assayed for inhibitors which have been rationally designed to bind the dimerization interface of TryR. The "moonlighting" oncoprotein eEF1A2 is known to be highly post-translationally modified and to bind the anticancer drug plitidepsin. X-ray crystallography, combined with mass-spectrometry experiments, have been used as tools to identify novel post-translational modifications and structural features in eEF1A2:GDP. A unique modification, namely the addition of ethanolamine phosphoglycerol (EPG) to conserved glutamic residues (Glu301 and Glu374 in mammals), has been here observed for the first time. Structural analysis of these findings facilitate the understanding of eEF1A2's multiple functions and regulations. The acquirement of a conformationally homogenous eEF1A2:GTP sample, necessary for plitidepsin binding, has been has been assayed for eEF1A2:GTP:plitidepsin complex crystallization. Regarding the cell wall binding domain of Listeria monocytogenes phage-encoded endolysin PlyP35 (CBDP35), we have solved the crystal structure of CBDP35 in complex with natural Listeria serovar 1/2a teichoic acid. This structure is the first cell wall binding module in complex with teichoic acids ever elucidated. Structural analysis revealed the main determinants for bacterial cell-wall binding, in particular, the molecular mechanism of N-acetyl-d-glucosamine recognition, a glycosidic moiety in teichoic acids of pathogenic serovars of L. monocytogenes. These findings shed light upon the biotechnological development of new tools in the food industry and phage-derived therapies to detect and treat bacterial infections. / Agradecer al Ministerio de Educación, Cultura y Deporte por haberme proporcionado el contrato FPU (FPU14/03190) que me ha permitido desarrollar esta Tesis Doctoral en el Instituto de Química-Física “Rocasolano” del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IQFR-CSIC), así como la financiación otorgada para poder realizar mi estancia predoctoral en el laboratorio del Prof. Hammershmidt, en Greifswald, Alemania (EST17/00751). / Carriles Linares, AÁ. (2019). STRUCTURAL BIOMEDICINE: CHARACTERIZATION OF THE STRUCTURAL BASIS IN PROTEIN-DRUG RECOGNITION IN DIFFERENT HUMAN DISEASES [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130844 / TESIS

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Post-translationale Modifikationen (PTMs) sind wesentlich für die Regulierung von zellulären Mechanismen. Um diese Prozesse besser zu verstehen, ist es essentiell Methoden für deren Erforschung zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden zwei chemoproteomische Ansätze entwickelt, um die PTMs, Proteinphosphorylierung und Proteinpyrophosphorylierung zu untersuchen. Die Proteom-weite Erforschung von Proteinphosphorylierungen beruht gewöhnlich auf der LC-MS/MS-Analyse von enzymatisch verdauten Proteomen und da die Phosphorylierung von niedriger Abundanz ist, wird ein Phosphopeptid-Anreicherungsschritt benötigt. Die Identifizierung von bestimmten Phosphopeptiden ist allerdings abhängig von der gewählten Anreicherungsmethode. Die Entwicklung von neuen Prozeduren ist daher bedeutsam, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Im ersten Projekt wurde eine milde und selektive Phosphopeptid-Anreicherungsmethode entwickelt und optimiert. Die Methode zeigte die Fähigkeit Phosphopeptide anzureichern und somit das Potential, das Repertoire der vorherigen Methoden zu erweitern, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Proteinpyrophosphorylierung ist eine unlängst identifizierte PTM, die nicht-enzymatisch an Proteine angefügt wird und es ist nur wenig ist über ihre Funktion bekannt. Vorherige Studien wiesen darauf hin, dass diese Modifikation enzymatisch entfernt wird, allerdings sind die verantwortlichen Enzyme („Proteinpyrophosphatasen“) nicht bekannt. Hier wurde eine Peptidaffinitätsmethode entwickelt, um potentielle Pyrophosphatasen und weitere interagierende Proteine aus humanen Zellen zu identifizieren. Damit wurden 6 Phosphatasen als potentielle Pyrophosphatase-Kandidaten identifiziert und weitere interagierende Proteine gaben Aufschlüsse über die Funktion der Proteinpyrophosphorylierung. Dadurch wurde das Potential der Methode aufgezeigt, interagierende Proteine der Proteinpyrophosphorylierung zu identifizieren, um die zelluläre Rolle zu verstehen. / Post-translational modifications (PTMs) are crucial for the regulation of cellular mechanisms. To better understand these processes, the development of chemical tools to investigate them is of high importance. In this thesis, two chemoproteomics approaches were established to investigate the PTMs protein phosphorylation and protein pyrophosphorylation. The proteome-wide study of protein phosphorylation usually relies on LC-MS/MS analysis of enzymatically digested proteomes, requiring a phosphopeptide enrichment step, due to the low abundance of phosphorylation. However, the identification of certain sets of phosphopeptides is dependend on the choice of enrichment method. Therefore, the development of new workflows is important to identify new phosphorylation sites. In the first project, a mild and selective phosphopeptide enrichment method was developed and optimized. The method was able to enrich phosphopeptides and therefore, showed the potential to complement the repertoire of current methods to identify new phosphorylation sites. Protein pyrophosphorylation is a recently discovered PTM, which is non-enzymatically attached to proteins and there is only sparse knowledge about the function. Previous studies have indicated the enzymatic removal of this modification, but the responsible enzymes (‘protein pyrophosphatases’) are unknown. Here, a peptide affinity capture method was developed to identify potential pyrophosphatases and further interacting proteins from human cells. Therewith, 6 phosphatases were identified as potential pyrophosphatase candidates and further interacting proteins gave insights into the function and mechanisms of protein pyrophosphorylation. Thereby, the potential of this method was demonstrated to identify interacting proteins of protein pyrophosphorylation to understand the cellular role.

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi. / In eukaryotic cells, the lengthy DNA biopolymer is condensed into the cell nucleus with the aid of small packaging proteins called histones. In addition to their packing functions,histones are also targets of numerous post translational modifications (PTMs), especially on their N-terminus. These reversible modifications are believed to be constituents of a heritable epigenetic “histone code” that dynamically orchestrate and modulate chromatin based events such as gene activation and silencing, DNA replication and repair, and are also involved in the downstream signaling and progression of cancers, such as leukemia. Thus, the elucidation of histone PTMs is important in understanding their biological function. An analytical workflow was designed and set-up in the laboratory to isolate, detect, and quantitate histone PTM, using a two-pronged, unbiased, and rapid approach with specialized bioinformatic tools. The workflow was validated using histones from wildtype, and 2 mutants deficient in acetyltransferase activity. Between the three histone sources, the only PTM that demonstrated any change was acetylation at histone H3 lysine 56 (H3K56ac). The down-regulation and stoichiometry of this PTM was accurately assessed between wild-type and mutant cells. The versatile scan functions of a hybrid quadrupole-linear ion trap instrument were exploited to enhance the detection of intact histone proteins. The enhanced multiply charged (EMC) scan was modified in order to contain and detect intact protein ions within the linear ion trap. This targeted EMC (or tEMC) resulted in not only a 4-fold increase in signal-to-noise, but also a 5-fold increase in resolution. Furthermore, the charge separation capability of the tEMC dramatically reduced space charge effects within the linear ion trap. The superior resolution of the tEMC mode allowed for the discimination of many modified histone isoforms, especially for histone H3. Using the bottom-up strategy with multiple reaction monitoring (MRM), histone peptides were quantified and sequenced with a high degree of precision. The only PTM that was down-regulated between wild-type and DOT1L mutant histones was methylation at histone H3 lysine 79 (H3K79me1). The effects of two clinically relevant small molecule HDAC inhibitors (HDACi) on histone PTMs patterns were assessed using the analytical workflow developed. Histones derived from both normal and cancer cells were exposed to either Vorinostat (SAHA) or Entinostat (MS-275) over a 24- to 72 hour period. The two core histones primarily affected were H3 and H4. Surprisingly, the same effects were not observed when normal cells were treated with three doses of SAHA at 24-hour intervals over a 72-hour period. An absolute quantitation method using a calibration curve was developed for H3K56ac. In opposition to other published literature, our findings demonstrate that this PTM is present in very low stoichiometry (< 0.1%) in mammalian cells, and exhibits no significant up-regulation in different cell lines treated with several types of HDACi.

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2. / Cell adaption to the external environment relies on proper signal transduction that is orchestrated by a plethora of molecular events. Among these molecular events, post-translational modifications (PTMs) of proteins help to spatiotemporally integrate, translate and dispatch signals so cells can respond to external stimuli. Among these post-translational modifications, the Ubiquitin-like proteins (Ublps) play a major role in almost all signaling pathways. This thesis reports functional and structural studies of the covalent and non-covalent interactions between the Small Ubiquitin-related MOdifier (SUMO), a member of the Ublps family, and three scaffold proteins, TIF1beta, the corepressor of KRAB-Multifinger proteins, PIAS1, a SUMO E3 ligase and the Promyleocytic leukemia (PML) tumor suppressor protein. The first study reports the identification and the biochemical characterization of TIF1betaSUMOylation sites. We mapped six SUMOylation sites in TIF1beta and determined that the covalent modification of these sites by SUMO is essential for its transcriptional repression activity. In addition, we present evidence indicating that SUMOylation of TIF1beta requires not only its ability to homo-oligomerize, but is positively regulated through its interaction with KRAB domains found in zinc-finger proteins. Based on this finding, we postulate that these KRAB domain containing multifinger proteins not only recruit TIF1beta co-repressor to target genes but also increase its repressive activity through enhancement of its SUMOylation. The work in the second study reveals that in addition to suppressing transcription as a covalent PTM, SUMO plays an important role in repression as a non-covalent protein-protein interaction partner. We determine that SUMO can form a repressive complex by simultaneously forming non-covalent interactions with UBC9 and PIAS1, the E2 and E3 enzymes in the SUMOylation system. In addition, we report that the formation of the PIAS1:SUMO:UBC9 ternary complex is modulated by the phosphorylation of serine residues juxtaposed to a SUMO-Interacting Motif (SIM) found in PIAS1. Thus SUMO acts as a specific adaptor that stabilizes UBC9 E2: PIAS1 E3 interactions. Based on this finding, we propose that the E2 and E3 enzymes from other Ublps systems exploit similar mechanisms as part of their function Finally, our third study explores the regulation of SUMO non-covalent interactions by phosphorylation. Using a combination of in vivo and in vitro studies we demonstrate that the interaction between SUMO1 and PML is governed by CK2-dependent phosphorylation of four serine residues in PML. Crystal structures of PML-SIM:SUMO1 complexes reveal that these PML phospho-serine specifically contact SUMO1 basic patch residues. Since CK2 kinase is induced by stress activated kinases pathways, this indicates that SUMO non-covalent interactions are regulated by cellular stress. Based on this finding, we postulated that analogous events influence other CK2-targeted SIM-containing proteins. In summary, this study reveals that in addition to its well described function as PTM, SUMO can function as an adaptor enabling specific proteins interactions such as functional E3:E2 enzymes pairs.

T-lymphocytes are an essential cell type of the adaptive immune system. Due to their importance in immune responses and disorders, the molecular mechanisms leading to T-lymphocyte activation have been the subject of extensive research which has translated into important therapeutic developments. Early signalling events involving tyrosine phosphorylation are well characterised. However, later events involving other post-translational modifications are less well understood. Several studies have provided evidence suggesting a role for protein arginine methylation in T-lymphocyte activation. Arginine methylation is an essential post-translational modification in mammals and yet has not been extensively studied. No large scale analysis of arginine methylation sites has been performed. To gain insight into the role of protein arginine methylation in T-lymphocyte activation, the aims of this work were to: 1. Establish whether levels of arginine methylation are altered during Tlymphocyte activation 2. Use mass spectrometry based proteomics to identify arginine methylated proteins in the T-lymphocyte proteome 3. Further characterise an arginine methylated protein important to Tlymphocyte activation Arginine methylation was found to be induced after long term (>20 hours) stimulation of primary T-lymphocytes. Large increases in the main protein arginine methyltransferase, PRMT1, were also observed. Enrichment and labelling methods were developed to detect arginine methylated peptides from T-lymphocytes by mass spectrometry. This resulted in the identification of 265 unique arginine methylation sites in 141 proteins. 204 of the methylation sites were novel and 103 of the proteins had not previously been described as arginine methylated. Individual arginine methylation sites were characterised before and after activation of T-lymphocytes, with some sites showing significant changes in abundance. Among the novel arginine methylated proteins discovered were Dynamin II, WASp and WIPF1. These proteins are involved in re-organisation of the actin cytoskeleton at the immunological synapse formed between a Tlymphocyte and an antigen presenting cell. The functional consequences of the arginine methylation sites inWASp were characterised. WASp is essential for T-lymphocyte activation and some initial evidence showed that one of the arginine methylation sites is important for WASp activation.

Les histones sont des protéines nucléaires hautement conservées chez les cellules des eucaryotes. Elles permettent d’organiser et de compacter l’ADN sous la forme de nucléosomes, ceux-ci representant les sous unités de base de la chromatine. Les histones peuvent être modifiées par de nombreuses modifications post-traductionnelles (PTMs) telles que l’acétylation, la méthylation et la phosphorylation. Ces modifications jouent un rôle essentiel dans la réplication de l’ADN, la transcription et l’assemblage de la chromatine. L’abondance de ces modifications peut varier de facon significative lors du developpement des maladies incluant plusieurs types de cancer. Par exemple, la perte totale de la triméthylation sur H4K20 ainsi que l’acétylation sur H4K16 sont des marqueurs tumoraux spécifiques a certains types de cancer chez l’humain. Par conséquent, l’étude de ces modifications et des événements determinant la dynamique des leurs changements d’abondance sont des atouts importants pour mieux comprendre les fonctions cellulaires et moléculaires lors du développement de la maladie. De manière générale, les modifications des histones sont étudiées par des approches biochimiques telles que les immuno-buvardage de type Western ou les méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Cependant, ces approches présentent plusieurs inconvénients telles que le manque de spécificité ou la disponibilité des anticorps, leur coût ou encore la difficulté de les produire et de les valider. Au cours des dernières décennies, la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être une méthode performante pour la caractérisation et la quantification des modifications d’histones. La MS offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles. Entre autre, elle permet d’effectuer des analyses reproductibles, spécifiques et facilite l’etude d’un large spectre de PTMs en une seule analyse. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l’application de nouveaux outils analytiques pour l’identification et à la quantification des PTMs modifiant les histones. Dans un premier temps, une méthode a été développée pour mesurer les changements d’acétylation spécifiques à certains sites des histones. Cette méthode combine l’analyse des histones intactes et les méthodes de séquençage peptidique afin de déterminer les changements d’acétylation suite à la réaction in vitro par l’histone acétyltransférase (HAT) de levure Rtt109 en présence de ses chaperonnes (Asf1 ou Vps75). Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse des peptides isomériques des histones. Cette méthode combine la LC-MS/MS à haute résolution et un nouvel outil informatique appelé Iso-PeptidAce qui permet de déconvoluer les spectres mixtes de peptides isomériques. Nous avons évalué Iso-PeptidAce avec un mélange de peptides synthétiques isomériques. Nous avons également validé les performances de cette approche avec des histones isolées de cellules humaines érythroleucémiques (K562) traitées avec des inhibiteurs d’histones désacétylases (HDACi) utilisés en clinique, et des histones de Saccharomyces cerevisiae liées au facteur d’assemblage de la chromatine (CAF-1) purifiées par chromatographie d’affinité. Enfin, en utilisant la méthode présentée précédemment, nous avons fait une analyse approfondie de la spécificité de plusieurs HATs et HDACs chez Schizosaccharomyces pombe. Nous avons donc déterminé les niveaux d’acétylation d’histones purifiées à partir de cellules contrôles ou de souches mutantes auxquelles il manque une HAT ou HDAC. Notre analyse nous a permis de valider plusieurs cibles connues des HATs et HDACs et d’en identifier de nouvelles. Nos données ont également permis de définir le rôle des différentes HATs et HDACs dans le maintien de l’équilibre d’acétylation des histones. Dans l’ensemble, nous anticipons que les méthodes décrites dans cette thèse permettront de résoudre certains défis rencontrés dans l’étude de la chromatine. De plus, ces données apportent de nouvelles connaissances pour l’élaboration d’études génétiques et biochimiques utilisant S. pombe. / Histones are highly conserved, basic proteins found in eukaryotic cell nuclei. They organize and package DNA strands into nucleosome core particles (NCPs), the fundamental repeating units of eukaryotic chromatin. The histones are subject to a wide variety of posttranslational modifications (PTMs) including acetylation, methylation and phosphorylation. These PTMs play an essential role in DNA-replication, transcription, and chromatin assembly. Alterations in histone PTM abundances have been implicated in several types of cancer. For example, the global loss of trimethylation at H4K20 and acetylation at H4K16 is a hallmark of human cancers. Thus, characterization of histone PTMs and their dynamics is extremely useful for elucidating normal cellular functions and molecular pathways that lead to diseases. Traditionally, histone PTMs are analyzed using antibody-based approaches such as western blot and chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays. These methods, however, suffer from several limitations including antibody cross-reactivity, epitope occlusion, and the cost and difficulty in producing and validating antibodies. Over the last decade, mass spectrometry (MS) has emerged as a powerful technique for the characterization and quantification of histone PTMs. MS offers several advantages over the traditional approaches including reproducibility, specificity, and ability to rapidly analyze numerous PTMs in a single experiment. In this thesis, the development and applications of novel analytical tools for the identification and quantification of histone PTMs are presented. First, a method useful for measuring the global and site specific changes in histone acetylation is described. This method combines intact mass analysis and peptide sequencing approaches to study the global and site specific changes in histone acetylation during in vitro assays with yeast Rtt109 and its chaperone (Asf1 or Vps75). Second, a method for analysis of isomeric histone peptides is presented. This method combines a high resolution LC-MS/MS with a novel bioinformatics tool called Iso-PeptidAce to deconvolute mixed spectra of co-eluting isomeric peptides. We benchmarked Iso-PeptidAce using mixtures of synthetic isomeric peptides. We demonstrated its capability in histones isolated from human erythroleukemic (K562) cells treated with clinically relevant histone deacetylase inhibitors (HDACi) and in affinity-purified S. cerevisiae histones bound to chromatin assembly factor-1 (CAF-1). Third, by employing the above methods, an in-depth quantitative analysis of the substrate specificities of several fission yeast HATs and HDACs was assessed. We determined the acetylation site occupancy of multiple lysines in histones isolated from a control or mutant strains lacking specific HAT or HDAC activities. Our analysis identified several known and novel HAT and HDAC target sites. Our data also defined the division of labor between the different HATs and HDACs in maintaining the steady-state level of histone acetylation. Overall, we anticipate that the methods described in this thesis will address some of the existing challenges facing the chromatin field. Moreover, the data presented will provide valuable insights for future genetic and biochemical studies involving the fission yeast.

Les éléments transposables sont des séquences génomiques capables de se répliquer et de se déplacer dans les génomes. Leur capacité à s’insérer près des gènes et à produire des réarrangements chromosomiques par recombinaison entre copies, font des éléments transposables des agents mutagènes. Les éléments transposables sont de plus capables de modifier l’expression des gènes voisins grâce aux régions promotrices qu’ils possèdent. Les éléments transposables ont été trouvés dans la plupart des génomes dans lesquels ils ont été recherchés. Ils forment ainsi 45 % du génome de l’homme et peuvent représenter jusqu’à 90 % du génome de certaines plantes. Dans la première partie de ma thèse, je me suis penché sur les facteurs qui déterminent la distribution de ces éléments. Je me suis intéressé à un facteur particulier, qui est la fonction des gènes dans le voisinage des insertions d’éléments transposables. Dans la deuxième partie, j’ai essayé de déterminer l’impact de l’altération des modifications épigénétiques (modifications d’histones plus précisément) associées aux différents composants géniques, dont les éléments transposables, sur la variation de l’expression des gènes en condition tumorale. / Transposable elements are genomic sequences able to replicate themselves and to move within genomes. Their ability to integrate near genes and to produce chromosomal rearrangements by recombination between copies, make transposable elements mutagens. Moreover, transposable elements are able to alter the expression of neighboring genes through their promoter regions. Transposable elements form 45% of the human genome and may represent up to 90% of certain plant genomes. In the first part of my thesis, I examined the factors that determine the distribution of these elements. I have been interested in a particular factor, which is the function of the genes in the vicinity of transposable element insertions. In the second part, I determined the impact of epigenetic modifications alterations (histone modifications) in different gene components, including transposable elements, on the variation of gene expression in tumoral conditions.