La mitochondrie, organite présent chez toutes les cellules eucaryotes aérobies, est délimitée par deux membranes qui compartimentent des fonctions physiologiques essentielles. La membrane interne est une barrière que les métabolites ne peuvent franchir que grâce à des protéines spécifiques, dont le transporteur mitochondrial d'ADP/ATP. Un premier volet de cette thèse s'attache à la purification du transporteur bovin en complexe avec l'acide bongkrékique. Il s'inscrit dans le cadre des approches précédemment engagées au laboratoire, qui visent à résoudre la structure tridimensionnelle du transporteur bloqué dans différentes conformations impliquées lors de l'échange des nucléotides. Les résultats obtenus indiquent que ce complexe se dissocie lors de sa purification : il nous faut donc envisager d'autres stratégies pour le stabiliser avant d'en tenter la cristallisation. Les deux autres volets concernent deux protéines mitochondriales susceptibles d'interactions fonctionnelles avec le transporteur de la levure Saccharomyces cerevisiae. Ainsi, une protéine membranaire nommée yOm14, située dans la membrane externe des mitochondries, a été caractérisée et son interaction physique avec le transporteur clairement démontrée. La seconde protéine est la porine de levure yVDAC1, qu'une abondante littérature décrit comme étant un partenaire du transporteur. Elle a été purifiée en mettant en œuvre des méthodologies complémentaires, détaillées dans ce mémoire. Des essais de cristallisation vont désormais pouvoir être entrepris dans le but de résoudre sa structure tridimensionnelle et de pouvoir rechercher ainsi les bases moléculaires de son interaction avec le transporteur d'ADP/ATP.

Le chloroplaste est un organite spécifique de la cellule végétale. Il est délimité par une double membrane ou enveloppe qui renferme de nombreux systèmes de transports d'ions et de métabolites essentiels au fonctionnement du chloroplaste et de la cellule végétale. A ce jour, seuls quelques transporteurs de métaux associés à l'enveloppe des plastes ont été identifiés : un transporteur de fer, un transporteur de magnésium ainsi que deux ATPases à cuivre de type P1B : HMA1 et PAA1. PAA1 représenterait la voie principale d'import du cuivre dans le chloroplaste, notamment pour alimenter la photosynthèse. HMA1 constituerait une voie additionnelle d'import du cuivre, voie essentielle pour répondre à un stress oxydatif qui apparaît en particulier lorsque la plante est cultivée en lumière forte. Afin de mieux comprendre les rôles respectifs de ces deux ATPases dans la régulation de l'homéostasie du cuivre chloroplastique, deux approches complémentaires ont été développées : - une approche in planta visant à produire de nouvelles lignées affectées dans l'expression de l'une (mutant paa1 surexprimant HMA1) ou de ces deux ATPases (double mutant hma1/paa1), puis à identifier des conditions (stress lumineux, stress salin, excès de métaux) révélant le rôle essentiel de ces ATPases ou induisant une réponse transcriptionnelle différente des gènes codant ces ATPases ou d'autres acteurs liés à l'homéostasie du cuivre... Les résultats obtenus montrent que la fonction de HMA1, connue pour être essentielle lors d'un stress lumineux, est aussi requise lorsque la plante subit un stress salin. Ces résultats confortent le rôle de HMA1 dans la délivrance du cuivre à la superoxyde dismutase (cuivre/zinc) du chloroplaste. D'autre part, nous avons montré qu'en condition de culture photoautotrophe, le cuivre permet de supprimer partiellement la photosensibilité du mutant hma1, validant ainsi l'implication de HMA1 dans l'homéostasie du cuivre. Nous avons aussi démontré que les fonctions de HMA1 et PAA1 ne sont pas redondantes. Le cuivre importé par ces deux ATPases est probablement délivré à des protéines cibles par des voies différentes. Enfin, nous avons montré qu'il existe une troisième voie d'import de cuivre dans le chloroplaste, voie encore non caractérisée. - une approche in vitro visant à produire ces deux ATPases HMA1 et PAA1 dans le système hétérologue Lactococcus lactis afin de déterminer leurs spécificités ioniques et leurs caractéristiques biochimiques. Le système d'expression procaryote L. lactis a été mis en place au laboratoire et s'avère parfaitement adapté à la production de protéines membranaires de plantes. Ce système a permis de produire plusieurs protéines membranaires d'Arabidopsis, dont HMA1 et PAA1, en quantités compatibles avec des analyses biochimiques. Nous avons déterminé les conditions de solubilisation et de purification de ces deux protéines. Nous n'avons pas pu mesurer d'activité ATPase associée à ces protéines. En revanche, nos données indiquent que ces deux protéines recombinantes peuvent lier l'un de leur substrat ; l'ATP. Nous avons aussi pu démontrer que PAA1 peut lier du cuivre sous forme 1+ et sous forme 2+. Au bilan, ces données suggèrent que le contrôle de l'homéostasie du cuivre chloroplastique requiert plusieurs systèmes de transport indépendants et une régulation fine de ces voies d'import de cuivre afin d'alimenter les besoins liés à la photosynthèse et les besoins liés aux mécanismes de résistance aux stress oxydatifs.

Les RCPG sont exprimés dans tous types de tissus et sont impliqués dans la régulation de nombreux processus biologiques et ont pour rôle de capter un vaste panel de stimuli extracellulaires qu'ils transmettent à l'intérieur de la cellule. Récemment, le laboratoire a identifié une nouvelle famille de dix protéines, les GASP, qui interagissent avec les RCPG et moduleraient leur trafic intracellulaire. Alors que GASP-1 est le membre de cette famille le mieux caractérisé et que son interaction avec de nombreux RCPG soit documentée, peu d'informations sont disponibles sur les modalités d'interaction de cette protéineavec les RCPG au niveau moléculaire. La première partie de ce projet de thèse a consisté à étudier les modalités d'interaction entre les GASPs et les RCPG au niveau moléculaire. Nous avons ainsi pu montrer à l'aide de techniques biochimiques et biophysiques, l'importance d'un motif répété et conservé de 15 acides aminés pour l'interaction de GASP-1 avec divers RCPG. Par la suite, les résultats obtenus ont été exploités pour mettre en place un essai de criblage qui nous a permis d'identifier des petites molécules capables de perturber l'interaction entre GASP-1 et le récepteur beta-2 adrénergique. Enfin, l'absence de données structurales sur les protéines de la famille GASP nous a ensuite poussé à la réalisation d'études structurales de ces protéines à la fois par cristallographie et par RMN. Bien que les résultats obtenus ne nous aient pas encore permis d'obtenir la structure de ces protéines, des expériences préliminaires de RMN ont permis deconfirmer l'implication des acides aminés tryptophanes présents au sein des motifs GASP dans l'interaction avec les RCPG.

La membrane cellulaire est la barrière qui sépare l'intérieur des cellules de l'environnement extérieur. Elle se compose de lipides et de protéines. Les gènes codant pour les protéines membranaires représentent environ 30% des génomes. Les protéines membranaires sont synthétisées dans le cytosol par les ribosomes, mais suivent des voies spécifiques pour s'intégrer dans la membrane cellulaire. Les ribosomes en cours de traduction de protéines membranaires sont reconnus dans le cytosol et adressés à la membrane. Par la suite, les chaînes naissantes de protéines membranaires sont insérées dans la bicouche lipidique puis repliées de façons appropriées, ce mécanisme s'appelle la translocation. Le processus d'adressage est médiée par la particule de reconnaissance du signal (SRP) et son récepteur, tandis que la translocation est effectuée par un certain nombre de complexes de protéines membranaires.Cette thèse décrit deux des complexes impliqués dans cet adressage et translocation co-traductionnelle chez Escherichia coli : Le complexe ribosome-SRP-FtsY pour l'adressage en conformation «fermé» et le complexe dans lequel le ribosome est lié à l'holo-translocon (HTL) qui se compose de sept protéines membranaires. J'ai utilisé principalement la cryo-microscopie électronique pour caractériser ces complexes. La cryo-EM permet de déterminer la structure des échantillons biologiques à une résolution supérieure au nanomètre dans leur environnement natif, sans avoir à le cristalliser. Dans ce travail, j'ai bénéficié des améliorations récentes dans l'équipementet le traitement d'image.A partir d'un ensemble de données de cryo-EM obtenu par les membres du groupe, j‘ai déterminé la structure du complexe ribosome-SRP-FtsY en conformation «fermé» avec une résolution de 5.7 Å. Différentes stratégies de tri des calculsont été appliquées pour identifier la partie la plus homogène de l'ensemble des données. La structure montre un domaine bien résolu SRP ARN et SRP M avec une séquence signal liée. L'interaction entre les SRP et le ribosome pourrait être modélisée avec une grande fidélité. Cette structure révèle également que les GTPases SRP-ftsY sont détachées de la tétra-boucle de l'ARN et sont flexibles, libérant alors le site de sortie du ribosomepermettant la liaison du translocons.Dans le second projet, différentes approches ont été poursuivis pour résoudre la structure du complexe ribosome-HTL à haute résolution. Une structure initiale à 22 Å a été obtenue en mélangeant HTL solubilisés en détergent avec des ribosomes, démontrantla possibilité de préserver le complexe dans les conditions utilisées pour la préparation des grilles. J'ai ensuite exploré l'utilisation de nanodiscs et un nouveau détergent appelé LMNG pour stabiliser HTL dans des tampons sans détergent. Un deuxième ensemble de données a ensuite été recueilli à partir d'échantillon obtenu par gradient de fixation, la structure a été résolue à 17 Å. La préparation des échantillons a été optimisée utilisant entre autre les amphipoles. On a montré que deux types d'amphipole-HTL peuvent se lier au ribosome, et des structures de plus grande résolution devrait être obtenu à partir de ces échantillons. / The cell membrane is the barrier that separates the interior of cells from the outside environment. It consists of lipids and proteins. Genes encoding membrane proteins make up about 30% of the genome. Membrane proteins are synthesized in the cytosol by ribosomes, but employ special pathways to integrate into the cell membrane. Ribosomes translating membrane proteins are recognized by special factors in the cytosol and targeted to the membrane. Subsequently, nascent chains of the membrane proteins are inserted into the lipid bilayer and are folded into their proper structures, a process termed translocation. The targeting process is mediated by the signal recognition particle (SRP) and its receptor, while the translocation is performed by a number of membrane protein complexes.This thesis describes two of the complexes involved in co-translational targeting and translocation in Escherichia coli: The ribosome-SRP-FtsY targeting complex in the “closed” conformation and the complex of a ribosome with the holo-translocon (HTL) consisting of seven membrane proteins. I mainly used electron cryo-microscopy to characterize these complexes. Cryo-EM allows structural determination of biological samples at sub-nanometer resolution in their native environment, without the need to crystallize the specimen. In this work, I took advantage of the recent advances in both the hardware and the image processing.Starting from a cryo-EM dataset obtained by group members, I have determined the structure of ribosome-SRP-FtsY complex in the “closed” conformation at 5.7 Å resolution. Different computational sorting strategies were applied to identify the most homogeneous sub-pool of the dataset. The structure shows a well-resolved SRP RNA and SRP M domain with a signal sequence bound. The interaction between SRP and ribosome could be modeled with high confidence. This structure also reveals that the SRP-FtsY GTPases are detached from the RNA tetraloop and are flexible, thus liberating the ribosomal exit site for binding of the translocation machinery.In the second project, different approaches were pursued to solve the structure of the ribosome-HTL complex at high resolution. An initial structure at 22 Å was obtained by mixing detergent-solubilized HTL with the ribosome, demonstrating that it is possible to preserve the complex under the conditions used for specimen preparation. I have then explored the use of nanodiscs and a new detergent called LMNG to stabilize HTL in detergent-free buffers. A second dataset was subsequently collected from a sample prepared by gradient-fixation, and the structure was solved at 17 Å. Sample preparation has been optimized further using amphipols. Two types of amphipol-HTL complexes were shown to bind to the ribosome, and higher resolution structures are expected to be obtained from these samples.

Le cuivre est un métal de transition essentiel pour le fonctionnement des organismes vivants. Chez la plante Arabidopsis thaliana, la moitié du contenu en cuivre est localisé dans le chloroplaste. Cet organite, spécifique des cellules végétales, est constitué d'une enveloppe délimitant le stroma, un compartiment aqueux au sein duquel se trouve un système membranaire complexe, les thylacoïdes. Dans les chloroplastes d'Arabidopsis, le cuivre est le cofacteur de deux protéines essentielles : la superoxyde dismutase Cu/Zn, impliquée dans la défense contre des espèces réactives de l'oxygène au niveau du stroma et la plastocyanine, une protéine du lumen des thylacoïdes, impliquée dans la chaine de transfert des électrons photosynthétiques. Des études de génétique inverse ont démontré que le transport du cuivre à la plastocyanine impliquait deux protéines membranaires appartenant à la famille des ATPases-PIB-1 : HMA6, localisée dans l'enveloppe et HMA8, localisée dans la membrane des thylacoïdes. Une étude fonctionnelle in vitro a montré que HMA6 était un transporteur de haute affinité de cuivre monovalent présentant les caractéristiques générales des ATPases-P. Afin de comparer les propriétés enzymatiques de ces deux ATPases-PIB-1 et de mieux comprendre leur rôle respectif dans l'homéostasie du cuivre au sein du chloroplaste, nous avons déterminé in vitro les propriétés enzymatiques de HMA8.La stratégie employée pour la caractérisation de HMA8 a été similaire à celle utilisée pour la caractérisation de HMA6. Dans un premier temps, la sélectivité ionique de HMA8 a été évaluée à l'aide de tests phénotypiques dans la levure Saccharomyces cerevisiae. Les propriétés enzymatiques de HMA8 ont ensuite été déterminées in vitro après expression dans la bactérie Lactoccocus lactis, par des expériences de phosphorylation par l'ATP. Cette analyse a permis de démontrer que HMA8 présentait une plus forte affinité apparente pour le cuivre mais une activité catalytique plus lente que HMA6. L'analyse de modèles tridimensionnels de HMA6 et HMA8 a montré que ces différences pourraient être expliquées par des différences de charges au niveau de la cavité où le métal est libéré et/ou par la nature des partenaires interagissant avec ces ATPases. Ces différences pourraient expliquer les fonctions distinctes de ces deux transporteurs dans le chloroplaste : HMA6 régulerait la concentration en cuivre dans le stroma en interagissant avec différentes protéines cibles (notamment des chaperonnes à cuivre), alors que HMA8 aurait un rôle plus précis pour la distribution du cuivre à la plastocyanine.Pour mieux comprendre le mécanisme de libération du cuivre par HMA6 et HMA8, nous avons effectué une étude fonctionnelle de mutants de la région reliant les deux premières hélices transmembranaires (TMA et TMB). Dans cette étude, nous avons ciblé les cystéines et histidines qui de par leurs propriétés chimiques sont les résidus les plus à même d'interagir avec le métal. Les mutants d'intérêts ont été sélectionnés par criblage phénotypique dans la levure puis exprimés dans la bactérie L. lactis. La caractérisation biochimique in vitro de leurs propriétés enzymatiques a été réalisée par des tests de phosphorylation par l'ATP et le Pi. Cette étude nous a permis d'identifier deux résidus, une cystéine et une histidine, impliqués la libération du cuivre et de proposer un modèle de cheminement du métal dans la partie extracytoplasmique du site de transport de HMA6 / Copper is an essential transition metal for living organisms. In the plant Arabidopsis thaliana, half the copper content is localized in the chloroplast. This organelle specific of plant cells, consists of an envelope delimiting the stroma, an aqueous compartment within which there is a complex membrane system, the thylakoids. In chloroplasts of Arabidopsis, copper is the cofactor of two essential proteins: the superoxide dismutase Cu / Zn, involved in defense against reactive oxygen species in the stroma and plastocyanin, a protein of the thylakoid lumen involved in the chain transfer photosynthetic electron. Reverse genetics studies have demonstrated that copper transport in plastocyanin involved two membrane proteins belonging to the family of ATPases-PIB-1: HMA6, located in the envelope and HMA8, localized in the thylakoid membranes. A functional in vitro study showed that HMA6 was a monovalent high affinity copper transporter showing the general characteristics of P-ATPases. To compare the enzymatic properties of these two ATPases and better understand their respective role in copper homeostasis in the chloroplast, we in vitro determined the enzymatic properties of HMA8.The strategy employed for the characterization of HMA8 was similar to that used for the characterization of HMA6. Initially, the ion selectivity of HMA8 was evaluated using phenotypic tests in the yeast Saccharomyces cerevisiae. The enzymatic properties of HMA8 were then determined in vitro after expression in the bacterium Lactoccocus lactis, by phosphorylation experiments by ATP. This analysis demonstrated that HMA8 had a stronger apparent affinity for copper but a slower catalytic activity than HMA6. The analysis of three-dimensional models of HMA6 and HMA8 showed that these differences could be explained by differences in the electrostatic potential at the cavity where the metal is released and/or by the nature of the partners interacting with these ATPases. These differences might explain the distinct functions of the two carriers in the chloroplast: HMA6 would regulate the copper concentration in the stroma by interacting with various target proteins (including copper chaperone), while HMA8 would have a more specific role for the distribution of copper plastocyanin.To better understand the mechanism of copper release by HMA6 and HMA8, we conducted a functional study of mutants of the region connecting the first two transmembrane helices (TMA and TMB). In this study, we specifically targeted cysteines and histidines because of their chemical properties that make them very strong metal ligands. The mutants of interest were selected by phenotypic screening in yeast and then expressed in the bacterium L. lactis. The in vitro biochemical characterization of their enzymatic properties was carried out by phosphorylation tests by ATP and Pi. This study allowed us to identify two residues, one cysteine and one histidine, involved the release of copper and to propose a metal path model in extracytoplasmic part of the transport site of HMA6

La famille des NADPH oxydases est constituée de complexes multi protéiques, dont un des composants est la sous unité catalytique NOX. Il s'agit de protéine transmembranaire qui assure le transport des électrons à travers la membrane, à partir d'un donneur d'électrons, le NADPH, à un accepteur final, l'oxygène moléculaire. Il en résulte la production de superoxydes, précurseur d'espèces réactives de l'oxygène. Les NOX sont impliquées dans divers processus physiologiques et pathologiques qui les ont placés au rang des cibles thérapeutiques à forte valeur ajoutée.Les NOX sont reportées comme des protéines membranaires propres aux eucaryotes supérieures. Ainsi toutes les données fonctionnelles disponibles pour cette famille d'enzyme, ont été le fruit des études structure-fonction et de données putatives indirectes. D'où l'idée et l'intérêt d'identifier chez les procaryotes des candidats homologues aux Nox eucaryotes et susceptibles d'être de bons modèles pour des études structurales. En se servant d'outils bio-informatiques, nous avons définis des signatures de séquences propres aux NOX et avons identifié chez les procaryotes des centaines de séquences homologues. SpNox de chez Streptococcus Pneumoniae, a été sélectionnée et surexprimée chez E. Coli. SpNox a été purifiée et a fait l'objet d'une caractérisation fonctionnelle et biochimique approfondie. Au vue des résultats obtenus, SpNox se rapproche de part ses propriétés structurales et mechanistiques des NOX eucaryotes. Ainsi elle se présente comme le premier modèle procaryote de protéine NOX. Les premiers cristaux de cette famille de protéines ont été obtenus et son rôle in vivo reste à exploiter.En parallèle à l'approche procaryote, nous avons mené une étude structure-fonction sur la protéine NOX2 des neutrophiles PLB-985. Deux arginines conservées chez toutes les NOX eucaryotes ont été sélectionnées et leur rôle a été étudié par mutagenèse dirigée. Apres évaluation des propriétés enzymatiques des mutants NOX2, nous avons pu identifier l'arginine 513 comme étant impliquée dans la spécificité de NOX2 vis a vis du NADPH. Ces résultats nous ont permis de proposer une nouvelle orientation du NADPH dans son site d'ancrage à la protéine NOX2. / The NADPH oxidase complex was the first identified example of a system that generates reactive oxygen species in a dedicated manner. NOX are proteins involved in the transmembrane transfer of electrons to the molecular oxygen, resulting in the production of superoxides. In addition to ROS related damages, deregulation of Nox-dependant ROS production induces pathological consequences. Accordingly, the Nox family became a potential drug target, making the understanding of their function at molecular basis crucial.In the literature, it has always been reported that Nox proteins exist only in eukaryotes. Since eukaryotic membrane proteins have proven to be difficult to study, all the data available on Nox enzymes are obtained from putative assignments or structure-function studies.In our project, to overcome the difficulty of working on eukaryotic membrane proteins, we used an original approach based on bioinformatics tools. Through using specific filters and a novel program, we were able to identify hundreds of prokaryotic candidates. Among them, we selected SpNox, as a prokaryotic model from Streptococcus Pneumoniae. We have developed its expression in E. Coli as well as a multistep purification scheme. We also conducted an extensive enzymatic and mechanistic characterization of the purified enzyme. Our data support a strong structural and functional homology with known NOX enzymes. Finally, crystallization trials are performed leading to first crystals ever obtained for this family of protein. The understanding of Nox's physiological function in bacteria remains to investigate.In parallel to the prokaryotic approach, a structure-function study was conducted on the human model NOX2 in the PLB-985 neutrophils. Conserved arginines among eukaryotic Nox sequences were selected. Site directed mutagenesis followed by activity tests, lead us to identify a crucial role for arginine 513. It is implicated in the specificity towards NADPH as an electron donor for NOX2. With these data, we were able to suggest a new orientation of the NADPH, notably the phosphate moiety, in the binding site.

Le passage sélectif de molécules à travers la membrane interne des mitochondries est essentiel aux processus métaboliques des cellules eucaryotes. Cette communication cellulaire est assurée par des protéines transmembranaires de la famille des transporteurs mitochondriaux (MCF). Le transporteur ADP/ATP (AAC) est le membre le plus connu et le mieux caractérisé de cette famille. Il est responsable de l'import d'ADP dans la matrice mitochondriale et de l'export d'ATP après synthèse vers le cytosol. La structure d'AAC est connue mais plusieurs questions restent ouvertes concernant le mécanisme du transport, la sélectivité et l'état oligomérique, controversé, de la protéine. Pendant plusieurs années des études biochimiques réalisées sur la protéine solubilisée en détergent étaient en faveur d'une organisation dimérique du transporteur, mais la structure d'AAC, monomérique a remis en cause ce dogme. Afin de caractériser l'organisation oligomérique d'AAC in vivo, nous avons combiné plusieurs approches. Nous avons réalisé des expériences de FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) directement sur des cellules mammifères ou bactériennes (E. coli) surexprimant la protéine AAC fusionnée avec des sondes FRET. En parallèle, nous avons mis au point des tests fonctionnels afin de contrôler l'état des mitochondries et l'activité du transporteur dans ces cellules. Enfin nous avons étudié la stoechiométrie de liaison de l'inhibiteur carboxyatractyloside grâce à des mesures de respiration sur des mitochondries extraites de foie de rat et placées dans différents états métaboliques. L'ensemble des résultats présentés dans ce manuscrit ont permis de montrer que 1) l'unité fonctionnelle d'AAC est monomérique 2) l'organisation structurale d'AAC dans les membranes natives dépend de l'état métabolique des mitochondries et peut être associée à des phénomènes de régulation. / The transport of small molecules through the inner mitochondrial membrane is essential in eukaryotic metabolism and is selectively controlled by a family of integral membrane proteins, the Mitochondrial Carrier Family (MCF). The ADP/ATP carrier (AAC), which is responsible for the import of ADP to the matrix of mitochondria and the export of newly synthesized ATP toward the cytosol, is the best-known and characterized MCF member. Although its structure sheds light on several aspects of the carrier activity, additional investigations are still required to decipher the whole transport mechanism, to understand the specificity and to characterize the controversial oligomeric state of the protein. For many years, based on studies mainly carried on detergent solubilized AAC the general consensus has been in favor of a dimeric organization of the carrier. The AAC three-dimensional structure, monomeric, broke this dogma. In order to get a precise insight into the in vivo oligomeric organization of AAC we combined several approaches. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements were performed directly on mammalian and E.coli cells expressing AAC labeled with several types of FRET probes. In parallel, different functional assays were established to control the state of the mitochondria in these cells and the transport activity of these AAC fusions. Lastly, measurements of the respiration rate coupled to the titration of the inhibitory effect of carboxyatractyloside on isolated rat liver mitochondria were used to investigate the organization of AAC in native mitochondria within two regimes of oxidative phosphorylation. Taken together the results described herein revealed that 1) AAC can function mechanistically as a monomer, 2) the organization of AAC in native membranes might be related to the state of the mitochondria and be involved in regulation.

Ce manuscrit décrit la synthèse et l’étude physico-chimique de tensioactifs innovants utilisés comme outils biochimiques pour le maintien et la cristallisation de protéines membranaires en solution aqueuse. Un premier chapitre présente les moyens techniques actuels à disposition pour la manipulation et l’étude des protéines membranaires ainsi que les problèmes rencontrés concernant leur inactivation et les alternatives actuelles. Une seconde partie décrit la synthèse d’un lipide hémifluoré possédant un ligand métallique spécifique, qui a été utilisé pour la formation d’un film de Langmuir. Les propriétés du film lipidique (stabilité et fluidité) ont été étudiées et des essais de cristallisation 2D suivant le concept interfacial ont été réalisés sur une protéine recombinante SUR1 « his tag » solubilisée dans des micelles de détergents hydrocarbonés. Le troisième chapitre aborde la notion d’amphiphilie faciale et décrit la synthèse de tensioactifs glucosidiques par « click chemistry » basés sur corps aromatique central. La persubsitution sélective de têtes hydrophiles sur les positions 1,3,5 et de parties hydrophobes sur les positions 2,4,6 apporte une amphiphilie aux molécules via une ségrégation faciale. Enfin, le dernier chapitre est dédié à l’étude du comportement et des propriétés physico-chimiques des tripodes amphiphiles faciaux en solution aqueuse grâce à différentes techniques : tensiométrie, diffusion de la lumière, CPLH,... / This thesis deals with the synthesis and the physico-chemical study of new surfactants used as tools for holding membrane proteins in aqueous media. A first part presents the existing methods that allow the manipulation of the membrane proteins and describes the current issues encountered which lead to its denaturation. In a second chapter, the synthesis of a hemifluorinated lipid with a specific ligand is presented in order to form a film of Langmuir. The stability and fluidity of the monolayer lipid is monitored and used in experiments of cristallisation 2D following the interfacial concept on the recombinant membrane protein SUR1 « his tag » keep soluble in water with hydrocarbonated detergents. The third part defines the term associated to facial amphiphile and presents a synthesis by « click chemistry » of glucosidic surfactants with an aromatic core persubstitued. The alternated and selective substitution on 1,3,5 and 2,4,6 positions of the aromatic ring by respectively hydrophilic heads and hydrophobic tails induces a facial segregation. The last chapter concerns the study of facial amphiphiles behavior and its physico-chemical properties in aqueous solution by using several methods : tensiometry, dynamic diffusion light scattering, HPLC,...

La virulence de Plasmodium falciparum est fonction de sa capacité à séquestrer les érythrocytes infectés (iEs) dans les organes profonds de l’hôte. Elle est liée à la mise en place d’un trafic protéique conséquent au niveau membranaire et sub-membranaire de l’iE. Cet adressage protéique aboutit à l’expression d’antigènes variant de surface, dont P. falciparum Erythrocyte Membrane Protein-1, PfEMP-1. Cet adhésine présente une affinité pour divers récepteurs de l'hôte impliqués dans la physiopathologie des formes graves, telles que le paludisme associé à la grossesse (PAM) et le paludisme cérébral (CM). La diversité de liaison de PfEMP-1 est associée à la variabilité de séquence de son domaine extracellulaire. Ce domaine est constitué d’une succession de domaines DBL et CIDR en nombre variable. PfEMP-1 est codée par les gènes var classifiés en groupes Ups A, B, C, E et B/A, B/C. Des régions de PfEMP-1 constituées d’une succession établie de 2 à 4 domaines, nommées Domain Cassette, « DC » sont retrouvées dans différents isolats. L’obtention de données exhaustives par LC-MS/MS a permis d’établir un comparatif du protéome membranaire et hypothétique à partir des échantillons PAM et CM en comparaison à des accès simples de paludisme (UM). L’identification protéique des PfEMP-1 a montré la singularité de l’expression d’une PfEMP-1 particulière, VAR2CSA chez les PAM. Ces résultats corroborent les analyses des transcrits du gène var2csa comme surexprimé chez les PAM, transcrit qu’on retrouve également dans les infections de début et de fin de grossesse. Les PfEMP-1 identifiés au sein des CM étaient significativement associés aux groupes Ups A et B/A et la plupart des peptides identifiés étaient associés à la cassette DC8 dont le transcrit était également surexprimé. L’analyse de filter-based feature selection a permis d’identifier un sous ensemble de 13 et 14 protéines assignées comme protéines membranaires ou hypothétiques, prédictives des formes de paludisme PAM et CM, respectivement. Parmi ces protéines surexprimées chez les PAM, la présence de VAR2CSA valide l’approche d’analyse. PFI1785w a été identifiée et associée au PAM, quatre autres protéines apparaissent prédictives de cette forme clinique PFB0115w, PFF0325c, PFA_0410w et PF14_0018. Pour les CM, on distingue les protéines PfEMP-2 et antigen-332 comme spécifiques de cette forme clinique. Les autres protéines qui émergent de ce groupe sont des protéines de fonction inconnue, dont trois sont assignées comme des protéines exportées. L’obtention et l’analyse en LC-MS/MS d’extraits protéiques issus d’isolats de terrain font l’originalité de ce travail et permettent la corrélation entre les données cliniques et biologiques. Cette étude confirme les données de transcrits sur la famille des gènes var et suggère de nouvelles intéractions protéiques dans le cadre du paludisme associé à la grossesse et cérébral. / Plasmodium falciparum is responsible for severe malaria (cerebral malaria, CM and pregnancy associated malaria, PAM). During the intra-erythrocytic maturation of P. falciparum, parasite-derived proteins are expressed, exported and presented at the surface of the infected erythrocyte (iE) membrane. These include Plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein-1 (PfEMP-1). PfEMP-1 is a highly polymorphic adherence receptor, variants of which have been assigned to four groups (A-E) based on their sequence homology. Semi-conserved types, defined by tandem runs of specific domains (“domain cassettes” (DC)), are also recognized. The PfEMP-1 type expressed determines the iE adherence phenotype, and is associated with the clinical outcome of infection. Parasite isolates from Beninese children or women presenting with, respectively, CM or PAM were collected along with samples from patients with uncomplicated malaria (UM). We assessed the transcript level of var genes by RT-qPCR and the expression of membrane and hypothetical proteins of Plasmodium by LC-MS/MS. Obtaining LC-MS/MS data enabled a comparison of hypothetical and membrane proteome samples from PAM and CM for comparison with UM samples. The proteomics-based identification of PfEMP-1 showed the expression of a particular PfEMP-1, VAR2CSA, in PAM isolates. These results corroborate the analysis of gene transcripts showing that var2csa is overexpressed in PAM, with transcripts found in isolates from infections both early and late in pregnancy. The PfEMP-1 variants identified in CM samples were predominantly from the Ups groups A and B/A, and most of the peptides identified by LC-MS/MS were associated with the DC8 cassette for which the transcripts were also overexpressed. Analysis using filter-based feature selection identified subsets of 13 and 14 proteins, assigned either as hypothetical or membrane proteins that were predictive of PAM and CM syndromes respectively. The presence of VAR2CSA amongst the proteins overexpressed in PAM samples validates the analytical approach. PFI1785w has previously been identified and associated with the PAM, whilst four other proteins, PFB0115w, PFF0325c, PFA_0410w and PF14_0018, appear to be also predictive of the syndrome. PfEMP-2 protein and antigen-332 were found to be specifically expressed in CM samples. Three other proteins, assigned as ‘exported’ but with unknown function, were also associated with CM samples. Obtaining and analyzing LC-MS/MS-derived data from protein extracts of field isolates represents the originality of this work and it allowed the identification of correlations between clinical and biological data. This study confirms the transcriptional data relating to the var gene family and provides evidence of new protein interactions in the context both of malaria associated with pregnancy and of cerebral malaria.

Les membranes biologiques, qui compartimentent les différents éléments du vivant, jouent un rôle essentiel dans les processus biologiques comme la signalisation, le transport, la transmission du message nerveux, etc. Envisagées comme des fluides à deux dimensions, l’étude de leurs propriétés physiques peut nous aider à comprendre certains mécanismes biologiques. Ce travail de thèse s’est intéressé à la mobilité des molécules au sein des membranes, et notamment à deux paramètres essentiels, la viscosité membranaire, et la diffusion latérale. Après avoir optimisé la technique de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) au microscope confocal, nous avons étudié la mobilité des molécules au sein de deux types de membranes modèles in vitro : la phase éponge d’un surfactant non-ionique (C12E5) et les vésicules géantes unilamellaires (GUVs) lipidiques. 1) La phase éponge (ou L3) : après avoir déterminé son diagramme de phase et montré que les protéines membranaires restent actives dans cette phase, nous avons mesuré la mobilité de protéines par recouvrement de fluorescence après photoblanchiment sur un motif à franges (FRAPP). Cela nous a permis d’obtenir les constantes d’association de protéines de la pompe d’efflux OprM-MexAB, impliquée dans la résistance aux antibiotiques de la bactérie Pseudomonas aeruginosa. Ces interactions dépendent très fortement du degré de confinement de chacune des protéines. 2) Les GUVs : après avoir développé une méthode simple de formation des GUVs, au sein desquelles les protéines membranaires restent actives, nous avons mesuré la diffusion des lipides par FRAP, et montré que dans certaines conditions, ils se déplacent en groupe, ce qui permet d’expliquer la diversité des résultats de la littérature. En mesurant la viscosité membranaire par imagerie microscopique du temps de vie de fluorescence (FLIM), nous avons également montré qu’elle ne se déduit pas nécessairement des modèles hydrodynamiques de diffusion. / Biological membranes, which divide the elements of life, are a key factor in biological processes such as signaling, transport, transmission of an nerve impulse, etc. Seen as two-dimensional fluids, the study of their physical properties could help us understand some unsolved biological mechanisms. This work focused on molecule mobility within membranes, and specifically on two essential parameters: membrane viscosity and lateral diffusion. After optimizing the Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) technique on confocal microscopes, we studied the mobility of molecules within two types of in vitro model membranes: the sponge phase made of a non-ionic surfactant (C12E5) and the giant unilamellar lipidic vesicles (GUVs). 1) Sponge phase (or L3) : after having established its phase diagram and shown that membrane proteins stay active in this phase, we measured protein mobility by Fluorescence Recovery After fringe Pattern Photobleaching (FRAPP). This allowed us to obtain the association constants of the proteins of the efflux pump OprM-MexAB involved in the resistance to antibiotics of the bacteria Pseudomonas aeruginosa. These interactions heavily depend on the degree of confinement of each protein. 2) GUVs : after having developed a simple method for the formation of GUVs, in which membrane proteins stay active, we measured the lipid diffusion by FRAP. We showed that, under certain conditions, they can move together, which explains the diversity of results in the literature. By measuring membrane viscosity by Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), we also showed that viscosity should not be necessarily deduced from hydrodynamic diffusion models.