Propionibacterium freudenreichii est une bactérie Gram-positive bénéfique, traditionnellement utilisée comme levain d’affinage fromager, qui bénéficie du statut GRAS (Generally Recognized As Safe). P. freudenreichii a révélé un effet immunomodulateur qui a été confirmé in vivo par la capacité à protéger des souris d’une colite aigüe induite. L’effet anti-inflammatoire est cependant hautement souche-dépendant. Il est dû, au moins en partie, à des composés de surface clés qui favorisent ces effets probiotiques. Les bactéries Gram-positives, y compris P. freudenreichii, peuvent être recouvertes d’une couche extérieure protéique, appelée « surface-layer », paracristalline, et formée par l’autoassemblage de protéines dites de S-layer (Slps). Les Slps, dans différentes bactéries, sont impliquées dans plusieurs caractéristiques probiotiques, telles que l’adhésion aux cellules de l’hôte et au mucus, la persistance dans l’intestin, ou encore l’immunomodulation. Le but de cette étude est d’étudil’immunomodulation. Le but de cette étude est d’étudier, chez une souche probiotique de P. freudenreichii, la protéine de surface qui joue le principal rôle dans les interactions probiotiques avec l’hôte. La souche P. freudenreichii CIRM-BIA 129, récemment reconnue comme immunomodulatrice prometteuse, possède plusieurs protéines de surface Slps, y compris SlpB. Dans la présente étude, l’inactivation du gène correspondant, dans la souche mutante CB129¿slpB, a provoqué une baisse drastique de l’adhésion aux cellules intestinales épithéliales HT-29, confirmant le rôle clé des Slps dans l’adhési / Propionibacterium freudenreichii is a beneficial Gram-positive bacterium, traditionally used as a cheese ripening starter, with the GRAS status (Generally Recognized As Safe). P. freudenreichii has revealed an immunomodulatory effect confirmed in vivo by the ability to protect mice from induced acute colitis. The anti-inflammatory effect is however highly strain-dependent and due, at least in part, to key surface compounds favouring probiotic effects. Gram-positive bacteria, including P. freudenreichii, can be covered with an external proteinaceous layer called a surface-layer paracrystalin layer and formed by the self-assembly of surface-layer-proteins (Slps). Slps were shown, in different bacteria, to be involved in several probiotics traits, such as adhesion to host cells and mucus, persistence within the gut, or immunomodulation. The aim of this study is to investigate, in a P. freudenreichii probiotic strain, the surface protein that plays the main role in the probioticinteraction with the host. The P. freudenreichii CIRM-BIA 129 strain recently revealed promising immunomodulatory properties and possesses several Slps, including SlpB. In the presented work, inactivation of the corresponding gene, CB129¿slpBa mutant strain, caused a drastic decrease in adhesion to intestinal epithelial HT-29 cells, further evidencing the key role of Slps in cell adhesion. we investigated immune response of HT-29 cells towards P. freudenreichii CIRM-BIA 129 and CB129¿slpB. The wild type strain mainly induced expression of the immunomodulatory IL-10 by the cells. Interestingly, th

La métagénomique sert à étudier les communautés microbiennes en analysant de l’ADN extrait directement d’échantillons pris dans la nature, elle permet également d’établir un catalogue très étendu des gènes présents dans les communautés microbiennes. Ce catalogue doit être comparé contre les gènes déjà référencés dans les bases des données afin de retrouver des séquences similaires et ainsi déterminer la fonction des séquences qui le composent. Au cours de cette thèse, nous avons développé MetaCLADE, une nouvelle méthodologie qui améliore la détection des domaines protéiques déjà référencés pour des séquences issues des données métagénomiques et métatranscriptomiques. Pour le développement de MetaCLADE, nous avons modifié un système d’annotations de domaines protéiques qui a été développé au sein du Laboratoire de Biologie Computationnelle et Quantitative appelé CLADE (CLoser sequences for Annotations Directed by Evolution) [17]. En général les méthodes pour l’annotation de domaines protéiques caractérisent les domaines connus avec des modèles probabilistes. Ces modèles probabilistes, appelés Sequence Consensus Models (SCMs) sont construits à partir d’un alignement des séquences homologues appartenant à différents clades phylogénétiques et ils représentent le consensus à chaque position de l’alignement. Cependant, quand les séquences qui forment l’ensemble des homologues sont très divergentes, les signaux des SCMs deviennent trop faibles pour être identifiés et donc l’annotation échoue. Afin de résoudre ce problème d’annotation de domaines très divergents, nous avons utilisé une approche fondée sur l’observation que beaucoup de contraintes fonctionnelles et structurelles d’une protéine ne sont pas globalement conservées parmi toutes les espèces, mais elles peuvent être conservées localement dans des clades. L’approche consiste donc à élargir le catalogue de modèles probabilistes en créant de nouveaux modèles qui mettent l’accent sur les caractéristiques propres à chaque clade. MetaCLADE, un outil conçu dans l’objectif d’annoter avec précision des séquences issues des expériences métagénomiques et métatranscriptomiques utilise cette libraire afin de trouver des correspondances entre les modèles et une base de données de séquences métagénomiques ou métatranscriptomiques. En suite, il se sert d’une étape pré-calculée pour le filtrage des séquences qui permet de déterminer la probabilité qu’une prédiction soit considérée vraie. Cette étape pré-calculée est un processus d’apprentissage qui prend en compte la fragmentation de séquences métagénomiques pour les classer.Nous avons montré que l’approche multi source en combinaison avec une stratégie de méta apprentissage prenant en compte la fragmentation atteint une très haute performance. / Metagenomics is used to study microbial communities by the analyze of DNA extracted directly from environmental samples. It allows to establish a catalog very extended of genes present in the microbial communities. This catalog must be compared against the genes already referenced in the databases in order to find similar sequences and thus determine their function. In the course of this thesis, we have developed MetaCLADE, a new methodology that improves the detection of protein domains already referenced for metagenomic and metatranscriptomic sequences. For the development of MetaCLADE, we modified an annotation system of protein domains that has been developed within the Laboratory of Computational and Quantitative Biology clade called (closer sequences for Annotations Directed by Evolution) [17]. In general, the methods for the annotation of protein domains characterize protein domains with probabilistic models. These probabilistic models, called sequence consensus models (SCMs) are built from the alignment of homolog sequences belonging to different phylogenetic clades and they represent the consensus at each position of the alignment. However, when the sequences that form the homolog set are very divergent, the signals of the SCMs become too weak to be identified and therefore the annotation fails. In order to solve this problem of annotation of very divergent domains, we used an approach based on the observation that many of the functional and structural constraints in a protein are not broadly conserved among all species, but they can be found locally in the clades. The approach is therefore to expand the catalog of probabilistic models by creating new models that focus on the specific characteristics of each clade. MetaCLADE, a tool designed with the objective of annotate with precision sequences coming from metagenomics and metatranscriptomics studies uses this library in order to find matches between the models and a database of metagenomic or metatranscriptomic sequences. Then, it uses a pre-computed step for the filtering of the sequences which determine the probability that a prediction is a true hit. This pre-calculated step is a learning process that takes into account the fragmentation of metagenomic sequences to classify them. We have shown that the approach multi source in combination with a strategy of meta-learning taking into account the fragmentation outperforms current methods.

Les syncytines sont des gènes d'enveloppes rétrovirales (env) capturés qui sont essentiels pour l'établissement du placenta chez les mammifères. Il a été proposé que la diversité des syncytines capturées explique pourquoi le placenta est l'organe le plus variable chez les mammifères. Ici nous avons employé deux approches pour étudier le lien entre la capture d'env et l'émergence et la diversité des structures placentaires. D'abord, nous avons étudié la placentation des Hyaenidae, les seuls carnivores à présenter un placenta très invasif hémochorial, comme l'humain. Comme tous les carnivores, les hyènes expriment la syncytin-Car1 précédemment décrite, mais nous avons identifié une nouvelle env, capturée uniquement chez ces dernières, que nous avons nommée Hyena-Env2. Ce nouveau gène est présent au même locus chez toutes les hyènes, ayant été capturé pendant la radiation de la famille. Il est non-fusiogène mais a néanmoins été conservé pendant plus de 10 millions d'années et est exprimé à l'interface materno-fœtale du placenta, ce qui en fait un gène candidat pour expliquer le passage à la placentation hémochoriale qui a eu lieu chez les Hyaenidae. Ensuite, nous avons cherché des gènes syncytine dans le genre non-mammifère Mabuya, des lézards vivipares présentant un type rare de placenta très complexe et proche de celui des mammifères. Nous avons identifié une env qui a été capturée et conservée dans ce genre depuis sa radiation, il y a 25 millions d'années. Ce gène, que nous avons appelé syncytin-Mab1, est capable d'induire la fusion cellule-cellule et est exprimé dans une couche de cellules fusionnées à l'interface materno-fœtale du placenta, deux propriétés canoniques de syncytine. Nous avons aussi identifié le récepteur de syncytin-Mab1, MPZL1, et avons montré que leur interaction induit son activation et sa phosphorylation. L'activation de MPZL1 a été liée à la migration et à l'invasion cellulaire, indiquant que cette interaction env-récepteur pourrait jouer un rôle dans l'invasion placentaire du tissu maternel observée chez les Mabuya. Pour conclure, la caractérisation de ces deux nouvelles env indique que les gènes de type syncytine ont pu jouer un rôle à la fois dans l'émergence du placenta de Mabuya et dans la structure atypique du placenta des hyènes, supportant la notion que la capture d'env est une force évolutive majeure. / Syncytins are captured retroviral envelope genes (env) that are essential for the establishment of placental structures in mammals. The syncytins present in different mammalian families are highly diverse, resulting from distinct capture events, and it has been suggested that this might play a role in making the placenta the most diverse structure in mammals. Here we used two different approaches to investigate the links between env capture and emergence and diversity of placental structures. First, we investigated placentation in Hyaenidae, the only carnivorans that present a highly invasive hemochorial placenta, as is also found in humans. Hyenas express the previously identified syncytin-Car1 gene, as do all carnivorans, but we identified a new hyena-specific captured env that we named Hyena-Env2. This new gene is present at the same locus in all hyenas, having been captured during the radiation of this family. It is non-fusiogenic but still conserved over at least 10 million years of evolution and expressed at the materno-fetal interface in the hyena placenta, making it a candidate gene for explaining the endotheliochorial to hemochorial placental transition that occurred in Hyeanidae. Second, we searched for syncytin-like genes in the non-mammalian Mabuya lizards, which are viviparous and present a rare type of highly complex placenta that is very reminiscent of mammalian placentas. We identified an env gene that was captured and conserved in this genus since its radiation 25 million years ago. This gene, that we named syncytin-Mab1, is able to mediate cell-cell fusion in vitro and is expressed in a fused cell layer at the materno-fetal interface of the placenta in vivo, characteristic features of canonical mammalian syncytin genes. We also identified the cellular gene MPZL1 as the cognate receptor of syncytin-Mab1 and showed that their interaction induces activation and phosphorylation of the former. MPZL1 activation has been linked with cell migration and invasion, indicating that this env-receptor interaction could play a role in the placental invasion of maternal tissues observed in Mabuya. In conclusion, the characterization of these two novel env genes indicates that syncytin-like env might have played a role both in the emergence of the Mabuya placenta and the atypical placental structure of hyenas, reinforcing the notion that env capture is a major driving force in evolution.

Les interactions ARN-protéine interviennent dans de nombreux processus cellulaires fondamentaux. L'obtention de détails à l'échelle atomique de ces interactions nous éclaire sur leurs fonctions, mais permet également d'envisager la conception rationnelle de ligands pouvant les moduler. Lorsque les deux techniques majeures que sont la RMN et la cristallographie aux rayons X ne permettent pas d'obtenir une structure 3D entre les deux partenaires, des approches de docking peuvent être utilisées pour apporter des modèles. L'application de ces approches aux complexes ARN-protéine se heurtent cependant à une difficulté. Ces complexes résultent en effet souvent de la liaison spécifique d'une courte séquence d'ARN simple-brin (ARNsb) à sa protéine cible. Hors, la flexibilité inhérente aux segments simples-brins impose dans une approche classique de docking d'explorer un large ensemble de leur espace conformationnel. L'objectif du projet est de contourner cette difficulté par le développement d'une approche de docking dite "par fragments". Ce dernier s'est fait à partir de domaines de liaison à l'ARN très représentés dans le monde du vivant. Les résultats ont montré une excellente capacité prédictive de l'approche à partir de la séquence de l'ARN. Ils ont de plus montré un potentiel intéressant dans la prédiction de séquences d'ARN simple-brin préférentiellement reconnues par des domaines de liaisons à l'ARN. / RNA-protein interactions mediate numerous fundamental cellular processes. Atomic scale details of these interactions shed light on their functions but can also allow the rational design of ligands that could modulate them. NMR and X-ray crystallography are the 2 main techniques used to resolve 3D highresolution structures between two interacting molecules. Docking approaches can also be utilized to give models as an alternative. However, the application of these approaches to RNA-protein complexes is hampered by an issue. RNA-protein interactions often relies on the specific recognition of a short singlestranded RNA (ssRNA) sequence by the protein. The inherent flexibility of the ssRNA segment would impose, in a classical docking approach, to explore their resulting large conformation space which is not computationally reliable. The goal of this project is to overcome this barrier by using a fragment-based docking approach. This approach developed from some of the most represented RNA-binding domains showed excellent results in the prediction of the ssRNA-protein binding mode from the RNA sequence and also a great potential to predict preferential RNA binding sequences.

Le dessin computationnel de protéine, ou CPD, est une technique qui permet de modifier les protéines pour leur conférer de nouvelles propriétés, en exploitant leurs structures 3D et une modélisation moléculaire. Pour rendre la méthode de plus en plus prédictive, les modèles employés doivent constamment progresser. Dans cette thèse, nous avons abordé le problème de la représentation explicite de la flexibilité du squelette protéique. Nous avons développé une méthode de dessin "multi-états", qui se base sur une bibliothèque discrète de conformations du squelette, établie à l'avance. Dans un contexte de simulation Monte Carlo, le paysage énergétique d'une protéine étant rugueux, les changements de squelettes ne peuvent etre acceptés que moyennant certaines précautions. Aussi, pour explorer ces conformations, en même temps que des mutations et des mouvements de chaînes latérales, nous avons introduit un nouveau type de déplacement dans une méthode Monte Carlo existante. Il s'agit d'un déplacement "hybride", où un changement de squelette est suivi d'une courte relaxation Monte Carlo des chaînes latérales seules, après laquelle un test d'acceptation est effectué. Pour respecter une distribution de Boltzmann des états, la probabilité doit avoir une forme précise, qui contient une intégrale de chemin, difficile à calculer en pratique. Deux approximations sont explorées en détail: une basée sur un seul chemin de relaxation, ou chemin "générateur" (Single Path Approximation, ou SPA), et une plus complexe basée sur un ensemble de chemins, obtenus en permutant les étapes élémentaires du chemin générateur (Permuted Path Approximation, ou PPA). Ces deux approximations sont étudiées et comparées sur deux protéines. En particulier, nous calculons les énergies relatives des conformations du squelette en utilisant trois méthodes différentes, qui passent réversiblement d'une conformation à l'autre en empruntent des chemins très différents. Le bon accord entre les méthodes, obtenu avec de nombreuses paramétrisations différentes, montre que l'énergie libre se comporte bien comme une fonction d'état, suggérant que les états sont bien échantillonnés selon la distribution de Boltzmann. La méthode d'échantillonnage est ensuite appliquée à une boucle dans le site actif de la tyrosyl-ARNt synthétase, permettant d'identifier des séquences qui favorisent une conformation, soit ouverte, soit fermée de la boucle, permettant en principe de contrôler ou redessiner sa conformation. Nous décrivons enfin un travail préliminaire visant à augmenter encore la flexibilité du squelette, en explorant un espace de conformations continu et non plus discret. Ce changement d'espace oblige à restructurer complètement le calcul des énergies et le déroulement des simulations, augmente considérable le coût des calculs, et nécessite une parallélisation beaucoup plus agressive du logiciel de simulation. / Computational protein design is a method to modify proteins and obtain new properties, using their 3D structure and molecular modelling. To make the method more predictive, the models need continued improvement. In this thesis, we addressed the problem of explicitly representing the flexibility of the protein backbone. We developed a "multi-state" design approach, based on a small library of backbone conformations, defined ahead of time. In a Monte Carlo framework, given the rugged protein energy landscape, large backbone motions can only be accepted if precautions are taken. Thus, to explore these conformations, along with sidechain mutations and motions, we have introduced a new type of Monte Carlo move. The move is a "hybrid" one, where the backbone changes its conformation, then a short Monte Carlo relaxation of the sidechains is done, followed by an acceptation test. To obtain a Boltzmann sampling of states, the acceptation probability should have a specific form, which involves a path integral that is difficult to calculate. Two approximate forms are explored: the first is based on a single relaxation path, or "generating path" (Single Path Approximation or SPA). The second is more complex and relies on a collection of paths, obtained by shuffling the elementary steps of the generating path (Permuted Path Approximation or PPA). These approximations are tested in depth and compared on two proteins. Free energy differences between the backbone conformations are computed using three different approaches, which move the system reversibly from one conformation to another, but follow very different routes. Good agreement is obtained between the methods and a wide range of parameterizations, indicating that the free energy behaves as a state function, as it should, and strongly suggesting that Boltzmann sampling is verified. The sampling method is applied to the tyrosyl-tRNA synthetase enzyme, allowing us to identify sequences that prefer either an open or a closed conformation of an active site loop, so that in principle we can control, or design the loop conformation. Finally, we describe preliminary work to make the protein backbone fully flexible, moving within a continuous and not a discrete space. This new conformational space requires a complete reorganization of the energy calculation and Monte Carlo simulation scheme, increases simulation cost substantially, and requires a much more aggressive parallelization of our software.

L’Adénylate cyclase (CyaA), produite par B. pertussis, agent responsable de la coqueluche, est un des principaux facteurs de virulence de la bactérie. La toxine est une grande protéine multi-domaine qui est synthétisée comme un précurseur inactif, proCyaA. Ce précurseur est converti dans la forme active après une acylation spécifique. Après la sécrétion, la toxine envahir les cellules eucaryotes par un mécanisme unique qui implique la translocation de son domaine catalytique dans le cytosol des cellules eucaryotiques. Cette mécanisme est toujours pas clair et nombreuses questions restent ouvertes. Dans la présente étude, nous avons étudié les propriétés structurales et fonctionnelles des différentes espèces de (pro)CyaA en solution et inséré dans la membrane. Nous avons observé que le repliement de (pro)CyaA dans la forme monomérique dépend de la présence de calcium et de l'acylation post-traductionnelle. En outre, nous avons observé que la présence du calcium améliore fortement la stabilité de la protéine. De plus, nous avons identifié un segment hydrophobe dans CyaA, mais pas dans proCyaA, qui intervient dans les premières étapes du repliement de la protéine. L'analyse macroscopique a révélé que CyaA est plus stable et compacte par rapport à proCyaA. Nous avons aussi observé que les deux toxines sont capables de perméabiliser les membranes in vitro, mais que seulement la toxine monomérique et acyle est capable d'exercer des activités de membranes efficaces dans la cellule (hémolyse, translocation de AC et production de cAMP). Nous proposons que la toxine monomérique est la seul espèce compétent et fonctionnel. / Adenylate cyclase is one of the major virulence factors produced by Bordetella pertussis, the causative agent of whopping cough. The toxin is a huge multi-domain protein synthesized as an inactive precursor, proCyaA, which is converted into the active form upon a specific acylation. Once secreted across the bacterial cell envelope, the toxin invades eukaryotic cells through a unique mechanism that involves the direct translocation of its catalytic domain inside the cytosol of the target cells. This mechanism is still not clear and many questions remain open. In the present study we investigated the structural and functional properties of various (pro)CyaA species in solution and upon membrane-insertion. We found that the (re)folding of CyaA into a monomeric form critically depend upon the presence of calcium and the post-translational acylation. We observed that calcium binding strongly improves the stability of the protein. Moreover we identified a hydrophobic segment in CyaA, but not in proCyaA, which is involved in the early stages of the refolding process. Macroscopic analysis showed that CyaA is more stable and compact as compared to proCyaA. We also observed that both toxins are able to permeabilize membranes in vitro, although only the monomeric and acylated toxin is able to exert efficient membrane activities in cellula (i.e., hemolysis, AC translocation and cAMP production). We propose that the monomeric species is the functional competent and active state and that the acyl chains play not only a structural role but are also essential for the functional activities of the toxin.

Le domaine du diagnostic moléculaire connait un essor impressionnant depuis plusieurs dizaines d’années. Différents outils d’analyse d’interactions moléculaires sont présents sur le marché. La plupart d’entre eux sont basés sur des tests immunologiques utilisant la fluorescence comme technique de lecture. Or, l’utilisation de techniques de détection avec marquage comme la fluorescence augmente le coût d’une analyse et peut dénaturer un échantillon. Dans cette perspective, une technique de lecture optique sans marquage, qui est une alternative à la fluorescence, a été développée. Le principe de lecture est basé sur le suivi des modifications du spectre de diffraction de réseaux périodiques, composés de molécules sondes, lors d’interactions avec différentes solutions à analyser. Cette thèse CIFRE est le fruit d'une collaboration entre le LAAS CNRS et la société Innopsys, spécialisée dans la commercialisation d'outils de lecture optique. Elle porte sur le développement d’une plateforme dédiée à l’analyse biomoléculaire (ADN, protéines) au travers de l’utilisation de biopuces multiplexées et d’un instrument de lecture optique sans marquage automatisée. Nous montrons que cette technologie de biodétection sans marquage nécessite le développement d’une chimie de surface permettant l’organisation de molécules sondes en réseaux de lignes périodiques, tout en minimisant l’adsorption non-spécifique entre les lignes. Nous présentons l’optimisation d’un procédé de bi-fonctionnalisation de surface, qui met en jeu un dépôt multiplexé par microcontact printing sur des couches de polymères passivantes. Ces surfaces structurées à l’échelle moléculaire ont permis la détection d’interactions protéines/protéines sans marquage et le concept semble également transférable pour la détection d’hybridation de courtes séquences d’ADN / Development of bioassays has become the matter of intense research in the field of molecular diagnostic. Biodetection techniques have been drastically used in laboratory since the past 20 years and tend now to reach the in-vitro diagnostic industry. Most commercially available biosensing methods rely on immunoassays and use fluorescence as reading technique. However, the use of labeling methods such as fluorescence increases the cost of a single bioassay and may interfere with the biological functions of molecules. In this perspective, we have developed an optical label-free technique of microarray reading, which is an alternative to fluorescence. In this work, we use a label free biosensing method based on the diffraction of light by molecular gratings. Molecular gratings are employed as diffractive probe arrays for protein interaction analysis, as the diffraction efficiency changes in response to analyte binding. This Ph.D is supported by the French company Innopsys, which provides optical solutions for microarray reading and the Nanobiosystems group at the LAAS-CNRS. This work deals with the development of a detection platform for biomolecular interactions analysis, through the use of multiplexed biochips and the validation of an optical scanner. We present a special surface chemistry, based on blocking layers to reduce the non-specific protein adsorption and consequently decrease the limit of detection. Thanks to bi-functionalized biochips and this label free instrument, we have detected proteins interactions involving low molecular weight molecules

Mémoire numérisé 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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