Cette thèse se place dans le cadre de l'étude in silico, c'est-à-dire assistée par ordinateur, des liens qui unissent la séquence d'une protéine à la (ou aux) structure(s) tri-dimensionnelle(s) qu'elle adopte. Le décryptage de ces liens présente de nombreuses applications dans divers domaines et constitue sans doute l'une des problématiques les plus fascinantes de la recherche en biologie moléculaire.<p><p>Le premier aspect de notre travail concerne le développement de potentiels statistiques dérivés de bases de données de protéines dont les structures sont connues. Ces potentiels présentent plusieurs avantages: ils peuvent être aisément adaptés à des représentations structurales simplifiées, et permettent de définir un nombre limité de fonctions énergétiques qui incarnent l'ensemble complexe d'interactions gouvernant la structure et la stabilité des protéines, et qui incluent également certaines contributions entropiques. Cependant, leur signification physique reste assez nébuleuse, car l'impact des diverses hypothèses nécessaires à leur dérivation est loin d'être clairement établi. Nous nous sommes attachés à l'étude de certaines limitations des ces potentiels: leur dépendance en la taille des protéines incluses dans la base de données, la non-additivité des termes de potentiels, et l'importance souvent négligée de l'environnement protéique spécifique ressenti par chaque résidu. Nous avons ainsi mis en évidence que l'influence de la taille des protéines de la base de données sur les potentiels de distance entre résidus est spécifique à chaque paire d'acides aminés, peut être relativement importante, et résulte essentiellement de la répartition inhomogène des résidus hydrophobes et hydrophiles entre le coeur et la surface des protéines. Ces résultats ont guidé la mise au point de fonctions correctives qui permettent de tenir compte de cette influence lors de la dérivation des potentiels. Par ailleurs, la définition d'une procédure générale de dérivation de potentiels et de termes de couplage a rendu possible la création d'une fonction énergétique qui tient compte simultanément de plusieurs descripteurs de séquence et de structure (la nature des résidus, leurs conformations, leurs accessibilités au solvant, ainsi que les distances qui les séparent dans l'espace et le long de la séquence). Cette fonction énergétique présente des performances nettement améliorées par rapport aux potentiels originaux, et par rapport à d'autres potentiels décrits dans la littérature.<p><p>Le deuxième aspect de notre travail concerne l'application de programmes basés sur des potentiels statistiques à l'étude de protéines qui adoptent des structures alternatives. La permutation de domaines est un phénomène qui affecte diverses protéines et qui implique la génération d'un oligomère suite à l'échange de fragments structuraux entre monomères identiques. Nos résultats suggèrent que la présence de "faiblesses structurales", c'est-à-dire de régions qui ne sont pas optimales vis-à-vis de la stabilité de la structure native ou qui présentent une préférence marquée pour une conformation non-native en absence d'interactions tertiaires, est intimement liée aux mécanismes de permutation. Nous avons également mis en évidence l'importance des interactions de type cation-{pi}, qui sont fréquemment observées dans certaines zones clés de la permutation. Finalement, nous avons sélectionné un ensemble de mutations susceptibles de modifier sensiblement la propension de diverses protéines à permuter. L'étude expérimentale de ces mutations devrait permettre de valider, ou de raffiner, les hypothèses que nous avons proposées quant au rôle joué par les faiblesses structurales et les interactions de type cation-{pi}. Nous avons également analysé une autre protéine soumise à d'importants réarrangements conformationnels: l'{alpha}1-antitrypsine. Dans le cas de cette protéine, les modifications structurales sont indispensables à l'exécution de l'activité biologique normale, mais peuvent sous certaines conditions mener à la formation de polymères insolubles et au développement de maladies. Afin de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la polymérisation, nous avons cherché à concevoir rationnellement des protéines mutantes qui présentent une propension à polymériser contrôlée. Des tests expérimentaux ont été réalisés par le groupe australien du Professeur S.P. Bottomley, et ont permis de valider nos prédictions de manière assez remarquable.<p><p><p><p>The work presented in this thesis concerns the computational study of the relationships between the sequence of a protein and its three-dimensional structure(s). The unravelling of these relationships has many applications in different domains and is probably one of the most fascinating issues in molecular biology.<p><p>The first part of our work is devoted to the development of statistical potentials derived from databases of known protein structures. These potentials allow to define a limited number of energetic functions embodying the complex ensemble of interactions that rule protein folding and stability (including some entropic contributions), and can be easily adapted to simplified representations of protein structures. However, their physical meaning remains unclear since several hypotheses and approximations are necessary, whose impact is far from clearly understood. We studied some of the limitations of these potentials: their dependence on the size of the proteins included in the database, the non-additivity of the different potential terms, and the importance of the specific environment of each residue. Our results show that residue-based distance potentials are affected by the size of the database proteins, and that this effect can be quite strong, is residue-specific, and seems to result mostly from the inhomogeneous partition of hydrophobic and hydrophilic residues between the surface and the core of proteins. On the basis of these observations, we defined a set of corrective functions in order to take protein size into account while deriving the potentials. On the other hand, we developed a general procedure of derivation of potentials and coupling terms and consequently created an energetic function describing the correlations between several sequence and structure descriptors (the nature of each residue, the conformation of its main chain, its solvent accessibility, and the distances that separate it from other residues, in space and along the sequence). This energetic function presents a strongly improved predictive power, in comparison with the original potentials and with other potentials described in the literature.<p><p>The second part describes the application of different programs, based on statistical potentials, to the study of proteins that adopt alternative structures. Domain swapping involves the exchange of a structural element between identical proteins, and leads to the generation of an oligomeric unit. We showed that the presence of “structural weaknesses”, regions that are not optimal with respect to the folding mechanisms or to the stability of the native structure, seems to be intimately linked with the swapping mechanisms. In addition, cation-{pi} interactions were frequently detected in some key locations and might also play an important role. Finally, we designed a set of mutations that are likely to affect the swapping propensities of different proteins. The experimental study of these mutations should allow to validate, or refine, our hypotheses concerning the importance of structural weaknesses and cation-{pi} interactions. We also analysed another protein that undergoes large conformational changes: {alpha}1-antitrypsin. In this case, the structural modifications are necessary to the proper execution of the biological activity. However, under certain circumstances, they lead to the formation of insoluble polymers and the development of diseases. With the aim of reaching a better understanding of the mechanisms that are responsible for this polymerisation, we tried to design mutant proteins that display a controlled polymerisation propensity. An experimental study of these mutants was conducted by the group of Prof. S.P. Bottomley, and remarkably confirmed our predictions.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La production de protéines hétérologues permet de développer une nouvelle génération de vaccins. La bactérie Escherichia coli est l’un des organismes hôtes les plus utilisés pour la production de protéines hétérologues, appelées également protéines recombinantes. Le déclenchement de la production de protéine altère la croissance bactérienne en réponse à la réallocation des ressources métaboliques vers la synthèse de la protéine ; ce qui peut conduire à l’arrêt complet de la croissance. Le maintien de la croissance bactérienne durant la production de la protéine recombinante est pourtant essentiel pour améliorer significativement la quantité et la fonctionnalité des protéines produites. Dans une démarche rationnelle visant à développer un système biologique robuste et performant pour la production d’une grande diversité de protéines recombinantes chez E. coli, les contraintes métaboliques liées à leur production ont été quantifiées. A partir de ces résultats, le système d’expression T7 a été intégré à la régulation métabolique et traductionnelle de la bactérie E. coli BL21 (DE3) afin d’adapter la vitesse de production avec les capacités métaboliques de la souche. Ce nouveau système biologique de production a ainsi permis d’augmenter considérablement les quantités de protéines produites et offre la possibilité de développer de nouveaux procédés performants de production semi-continus et continus en milieu chimiquement défini. / The production of heterologous proteins offers the ability to develop a new generation of vaccines. The most used organism for the production of heterologous proteins, also called recombinant proteins, is the bacterium Escherichia coli. However, the induction of the production often alleviates the bacterial growth by the new allocation of metabolic resources toward the production of the recombinant protein. Even, this may also lead to growth arrest. The production of high quantities of functional recombinant proteins requires a good balance between of bacterial growth and production of the recombinant protein.In order to rationally develop a robust and an efficient biological system for the production of a large variety of recombinant proteins in E. coli, the metabolic constraints associated to their production have been quantified. From this observation, the T7 expression system has been integrated into the metabolic and translational regulation of the E. coli BL21 (DE3) in order to adjust as perfect as possible the protein production rate to the metabolic capacities of the strain. This new biological production system has made it possible to significantly increase the quantities of proteins produced and opens up the possibility of developing performant semi-continuous and continuous production processes in a chemically defined medium.

Les objectifs de cette thèse étaient d'apporter une percée conceptuelle pour une compréhension en profondeur des mécanismes moléculaires des protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) et de leurs rôles dans la physiologie cellulaire de Chlamydomonas reinhardtii. La combinaison d’approches expérimentale et bioinformatique m’a permis d’identifier 682 protéines thermorésistantes chez C. reinhardtii. Parmi celles-ci, 299 protéines sont systématiquement prédites comme potentielles IDP par quatre algorithmes de prédiction de désordre. Nos résultats indiquent que le pourcentage désordonné moyen de ces protéines prédites comme étant des IDPs est d'environ 20%, et la plupart d'entre elles (~70%) sont adressées à d'autres compartiments que la mitochondrie et le chloroplaste. Leur composition en acides aminés est biaisée par rapport à d'autres IDPs de la base de données de protéines désordonnées (DisProt). Ces IDPs potentielles jouent des fonctions moléculaires diverses, et 54% d'entre elles sont des cibles de phosphorylation.Notre travail a également augmenté l’état des connaissances sur l'adénylate kinase 3 (ADK3), une enzyme contenant une région intrinsèquement désordonnée (IDR). Cette enzyme a été isolée par notre approche globale pour caractériser les IDPs de l’algue verte. L’extension C-terminale désordonnée (CTE) de cette enzyme lui confère de nouvelles fonctions comme par exemple, la formation d’un complexe bi-enzymatique avec la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH), la régulation (négative) de l'activité GAPDH avec le NADPH comme cofacteur, et le rôle de chaperon pour la GAPDH en la protégeant de la dénaturation par traitement thermique et de l’agrégation. / The objectives of this work were to bring a conceptual breakthrough for an in-depth understanding of the molecular mechanisms of intrinsically disordered proteins (IDPs) and their roles in the cellular physiology of Chlamydomonas reinhardtii. Using experimental approaches, 682 heat-resistant proteins were identified as putative IDPs. Among them, 299 proteins were consistently predicted as IDPs by all four disordered predictors. The mean percentage of disordered residues content of these IDPs is about 20%, and most of them (~70%) are addressed to other compartments than mitochondrion and chloroplast. These newly identified IDPs from C. reinhardtii have a biased amino acid composition as regard to other IDPs from the Database of protein disorder (DisProt). Furthermore, they play diverse molecular functions, and 54% of them are the targets for phosphorylation. Our work also revealed more knowledge of the IDR-containing protein adenylate kinase 3 (ADK3) that was extracted by heat-treatment. Its disordered C-terminal extension (CTE) brought new functions to this protein. For instance, via its CTE, ADK3 can form a bi-enzyme complex with glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), down-regulates the NADPH-dependent GAPDH activity, and behaves as a chaperone for GAPDH against its aggregation and inactivation under heat-treatment.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste responsable de nombreuses maladies nosocomiales chez les patients immunodéprimés ainsi que d'infections graves chez les patients atteints de la mucoviscidose (CF). La colonisation des voies respiratoires des patients CF est souvent mortelle car une fois installée, cette bactérie est difficile à éradiquer et provoque le déclin des fonctions respiratoires des patients. L'antibiothérapie devient inefficace face au développement de souches multi-résistantes et sa capacité à former un biofilm. L'étape cruciale initiant l'infection ou la formation du biofilm est l'adhésion durant laquelle des interactions spécifiques lectines/oligosaccharides permettent la fixation de la bactérie à la surface de la cellule hôte. Bloquer l'adhésion serait un moyen de lutter contre l'infection. Dans l'approche d'une thérapie anti-adhésive, plusieurs lectines impliquées dans l'adhésion et l'élaboration du biofilm sont prises comme cibles. Dans un premier temps, des lectines fimbriales putatives identifiées récemment, CupB6 et CupE6, ont fait l'objet d'une étude. Des essais d'expression, de purification et de cristallisation ont été réalisés dans l'objectif de résoudre leur structure cristallographique. Une étude visant à identifier le ligand naturel de CupB6 a également été entreprise. Puis une étude a été menée pour caractériser le potentiel d'inhibition de plusieurs molécules dérivées du galactose sur la lectine soluble, PA-IL. Certaines de ces molécules pourraient être utilisées comme glycomimétiques offrant une alternative aux antibiotiques. Une étude par microcalorimétrie et cristallographie aux rayons X a permis d'étudier la spécificité d'une lectine de légumineuse, PELa.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste responsable de nombreuses maladies nosocomiales chez les patients immunodéprimés ainsi que d'infections graves chez les patients atteints de la mucoviscidose (CF). La colonisation des voies respiratoires des patients CF est souvent mortelle car une fois installée, cette bactérie est difficile à éradiquer et provoque le déclin des fonctions respiratoires des patients. L'antibiothérapie devient inefficace face au développement de souches multi-résistantes et sa capacité à former un biofilm. L'étape cruciale initiant l'infection ou la formation du biofilm est l'adhésion durant laquelle des interactions spécifiques lectines/oligosaccharides permettent la fixation de la bactérie à la surface de la cellule hôte. Bloquer l'adhésion serait un moyen de lutter contre l'infection. Dans l'approche d'une thérapie anti-adhésive, plusieurs lectines impliquées dans l'adhésion et l'élaboration du biofilm sont prises comme cibles. Dans un premier temps, des lectines fimbriales putatives identifiées récemment, CupB6 et CupE6, ont fait l'objet d'une étude. Des essais d'expression, de purification et de cristallisation ont été réalisés dans l'objectif de résoudre leur structure cristallographique. Une étude visant à identifier le ligand naturel de CupB6 a également été entreprise. Puis une étude a été menée pour caractériser le potentiel d'inhibition de plusieurs molécules dérivées du galactose sur la lectine soluble, PA-IL. Certaines de ces molécules pourraient être utilisées comme glycomimétiques offrant une alternative aux antibiotiques. Une étude par microcalorimétrie et cristallographie aux rayons X a permis d'étudier la spécificité d'une lectine de légumineuse, PELa. / P. aeruginosa is an opportunistic pathogenic bacterium responsible for numerous nosocomial infections in immunosuppressed patients. It is the first mortal pathogen in cystic fibrosis (CF) patients. The invasion of the respiratory tract of CF patients by the bacterium is often lethal because it is hard to eradicate and it rapidly impairs the respiratory functions of the patients. None of the current antibiotherapy procedures are efficient against multiresistant, biofilm forming P. aeruginosa. The first step leading to infection or biofilm formation involves the initial adhesion of bacterial cells to the host pulmonary cells via specific lectin/oligosaccharid interactions. Blocking the adhesion would be a way to fight against the infection. The anti-adhesion therapy targets several bacterial lectins involved in adhesiveness and biofilm formation. In this work, the recently identified putative fimbrial lectins CupB6 and CupE6 have been studied. Expression and purification tests followed by crystallization trials have been performed. In parallel, attempts to identify the natural ligand of CupB6 were also carried out. This work also presents a systematic characterization of the inhibitory effects of various galactose-derived molecules on the PA-IL lectin. Some of these molecules could be used as glycomimetic drugs thus offering an interesting alternative to standard antibiotics. Finally, the combination of microcalorimetry together with X-ray crystallography enabled us to gain insights into the ligand specificity of PELa, a legume lectin.

Les exosomes sont des vésicules membranaires de 30 à 100 nm de diamètre, formées dans les endosomes multivésiculaires et sécrétées par la plupart des cellules. Les propriétés biophysiques et biochimiques des exosomes ainsi que les mécanismes permettant leur biogénèse et sécrétion ont fait l’objet de nombreuses études. Cependant, ces derniers sont encore méconnus, limitant l'analyse des fonctions des exosomes in vivo. Au moins deux mécanismes ont été proposés pour la biogénèse des exosomes : un mécanisme nécessiterait l’action de protéines impliquées dans le tri endosomal, les ESCRT (« endosomalsorting complex required for transport »). Un autre mécanisme serait indépendant de leur fonction. La sécrétion des exosomes, une fois générés dans les endosomes, requiert la petite GTPase, Rab27a, comme montré dans un modèle cellulaire humain. Mes travaux de thèse ont porté sur l’étude des mécanismes moléculaires impliqués dans la biogénèse et la sécrétion des exosomes. Une première étude visant à analyser la fonction de Rab27a dans des cellules murines, m’a permis de mettre en évidence l’existence de différentes populations d’exosomes, dont la sécrétion dépend ou non de Rab27a. Une deuxième étude a eu pour objectif d’analyser l’implication des ESCRT dans la biogénèse des exosomes dans des cellules HeLa CIITA. Le criblage d’une librairie d’ARN d’interférence dirigés contre les différentes protéines ESCRT, a permis l’identification de 7 molécules potentiellement impliquées dans cette voie : HRS, STAM1, TSG101, leur inactivation induisant la diminution de la sécrétion des exosomes. L’inactivation de CHMP4C, VPS4B,VTA1 et ALIX, au contraire, l’augmente. L’inhibition de l’expression de ces candidats suivie de l’analyse des exosomes sécrétés a démontré l’hétérogénéité des vésicules sécrétées, et une modification de leur taille et de leur composition protéique par rapport aux cellules contrôle. Plus particulièrement, l’inactivation d’ALIX induit une augmentation de lasécrétion d‘exosomes de plus grande taille, et l’enrichissement sélectif en molécules de CMH de classe II. En accord, j’ai montré que les cellules inactivées pour ALIX, aussi bien des cellules HeLa que des cellules dendritiques humaines ont une plus forte expression de CMH de classe II à la surface et dans des compartiments intracellulaires. Ces résultats suggèrent l’implication de certains membres de la famille ESCRT dans la voie de biogenèse et sécrétion des exosomes, ainsi qu’un rôle potentiel d’Alix dans le trafic des molécules CMH de classe II, et dans la modulation de la composition protéique des exosomes. / Exosomes are small membrane vesicles with sizes ranging from 30 to 100 nm in diameter, which are formed in multivesicular endosomes and secreted by most cell types. Numerous studies have focused on the biophysical and biochemical properties of exosomes, as well as the mechanisms of biogenesis and secretion of these vesicles. However, these aspects are not fully understood, which limits the analysis of the functions of exosomes in vivo. At least two mechanisms have been proposed for the biogenesis of exosomes : one would rely on the function of proteins involved in endosomal sorting, the ESCRT family (for “endosomal sorting complex required for transport”). Another mechanism would be independent of their activity. Once exosomes are formed in endosomes, their secretion requires the small GTPase RAB27A, as shown in a human cell line. The objective of my PhD project was to gain insights into the molecular mechanisms that drive exosome biogenesis and secretion. A first study performed to analyze the function of Rab27a in murine cells allowed me to show the existence of different populations of exosomes, dependent or not on Rab27a for their secretion. A second study was aimed at analyzing the involvement of ESCRT proteins in exosome biogenesis in HeLa-CIITA cells. Seven molecules potentially involved in this process were identified on the basis of the screening of an RNA interference library directed against the different ESCRT proteins: the inactivation of HRS, STAM1 and TSG101 induced a decrease in exosome secretion, whereas the down regulation of CHMP4C, VPS4B, VTA1 and ALIX increased it. Gene expression of the different candidate proteins was inhibited and exosomes secreted by these cells were analyzed: we showed the heterogeneity of the secreted vesicles, as well as an alteration of their size and protein composition, as compared to control cells. In particular, the inactivation of ALIX induced an increase in the secretion of larger vesicles, and the selective enrichment of these vesicles in MHC class II molecules. Accordingly, I showed that both HeLa-CIITA and human primary dendritic cells inactivated for ALIX possess a higher expression of MHC class II molecules at the cell surface and in intracellular compartments. These results suggest that some members of the ESCRT family are involved in the exosome biogenesis and secretion pathway, and propose a potential role of ALIX in the trafficking of MHC class II molecules and in the modulation of the protein composition of exosomes.

Les protéines Binder of Sperm (BSP) appartiennent à une superfamille de protéines exprimées dans le système reproducteur masculin, plus particulièrement dans les vésicules séminales chez les ongulés, et dans l’épididyme chez l’humain et la souris. Jusqu'à présent, des rôles variés chez différentes espèces ont été démontrés pour les protéines BSP, tels que dans la motilité et la capacitation chez le bovin. Cependant, leur rôle demeure élusif chez d’autres mammifères comme la souris et l’humain. Des études in vivo récentes ont démontré que la délétion des gènes Bsph1 et Bsph2 chez la souris n’a aucune conséquence sur la fertilité, et n’induit aucune anomalie au niveau de l'appareil reproducteur masculin. Afin d'élucider le rôle spécifique de la protéine BSP chez l'humain (BSPH1), nous avons d’abord développé une méthode de purification efficace permettant d’obtenir la protéine BSPH1 fonctionnelle car ces protéines ne sont présentes qu'en quantité infime dans l’épididyme humain. Suite, a la purification de BSPH1, j’ai réalisé des expériences in vitro et cherché à identifier son réseau d'interaction protéique. Il a été démontré que les protéines BSP interagissent avec des groupes pseudo-choline tels que le diéthylaminométhyle par affinité plutôt que par des interactions ioniques. Le diéthylaminoéthyle est chargé positivement et par conséquence, est un échangeur d'anions faible, mais les BSP interagissent avec affinité à la résine. Cette étude présente également une nouvelle méthode de purification rapide et peu coûteuse, qui fournit des protéines BSP recombinantes de grande pureté qui peuvent être utilisées pour étudier leurs rôles dans la fécondation chez les mammifères. Nous avons montré que la pré-incubation des ovocytes avec la protéine BSPH1 recombinante peut diminuer le taux de fécondation de manière dose-dépendante. Les spermatozoïdes ont également été pré-incubés avec un anticorps anti-BSPH1 et ont montré une diminution du taux de fécondation. Pour identifier le réseau d’interaction protéique de BSPH1, j'ai utilisé la méthode « Proximity-dependent biotin identification » (BioID) couplée à la spectrométrie de masse. Les résultats de la spectrométrie de masse ont démontré une interaction entre BSPH1 et toutes les sous-unités du complexe CCT / TRIC (Chaperonin containing tailless complex polypeptide 1 (CCT) ou tailless complex polypeptide 1 ring complex (TRiC)). Ce complexe interagit avec un autre complexe appelé BBSome (Bardet–Bied syndrome complex), qui joue un rôle important dans le transport de protéines à travers les cils primaires. BSPH1 a également interagi avec un grand nombre de protéines de la famille CEP (centrosome-associated proteins), importantes dans la formation des cils primaires par les microtubules et de la maturation du centrosome, qui soutiennent le rôle de BSPH1 dans les cils primaires. Dans l’ensemble, cette étude démontre que BSPH1 pourrait avoir un nouveau rôle en tant que chaperonne, à travers les cils primaires dans les cellules qui l’expriment dans l’appareil reproducteur masculin. / Binder of SPerm (BSP) proteins belong to a superfamily of proteins expressed in the male reproductive tract, particularly in seminal vesicles of ungulates (e.g., bovine, ram) and in the epididymis of humans and mice. So far, BSP proteins have been shown to play different roles in different species such as in motility and capacitation in bovine; however, their role remains unclear in other mammals. For instance, depletion of Bsph1/Bsph2 in mice had no effect on fertility. In order to elucidate the specific role of BSP protein in humans (BSPH1), I sought to investigate a purification method to produce functional human BSP protein, as these proteins are only present in minute amounts in the human epididymis. Following purification of BSPH1, I carried out in vitro experiments and sought to identify its protein interaction network. BSP proteins have been shown to interact with pseudo-choline groups such as diethylaminomethyl through affinity rather than ionic interactions. Diethylaminoethyl is positively charged and therefore is a weak anion exchanger, but BSPs interact through affinity to this resin. This study presents a new, rapid and cost-effective purification method that provides recombinant BSP proteins of a high purity level, which can be used to study their roles in mammalian fertilization. We showed that pre-incubation of oocytes with recombinant BSPH1 can decrease fertilization rate in a dose-dependant manner. Sperm were also preincubated with anti-BSPH1 antibody and showed a decrease in fertilization rate. Secondly, I used BioID (proximity-dependent biotin identification), coupled with mass spectrometry to identify the protein-protein interaction network of BSPH1 by proximity labeling. Mass spectrometry results showed an interaction between BSPH1 and all subunits of the CCT/TRIC complex (Chaperonin containing tailless complex polypeptide 1 (CCT) or tailless complex polypeptide 1 ring complex (TRiC). This complex interacts with another complex called BBSome (Bardet–Biedl syndrome complex), which plays a role in protein trafficking through primary cilium. I also identified BBS proteins, as well as other proteins, that interact with the BBSome complex and regulate protein trafficking in the cilia. BSPH1 also interacted with a large number of CEP (centrosome-associated proteins) family proteins, important in the formation of primary cilium through microtubules and centrosome maturation, which further support the potential implication of BSPH1 with the primary cilia. Overall, this study demonstrates that BSPH1 may have a new role as a chaperone involved in protein trafficking through the primary cilia in cells that express it in the male reproductive system

Cette thèse se place dans le cadre de l'étude in silico, c'est-à-dire assistée par ordinateur, des liens qui unissent la séquence d'une protéine à la (ou aux) structure(s) tri-dimensionnelle(s) qu'elle adopte. Le décryptage de ces liens présente de nombreuses applications dans divers domaines et constitue sans doute l'une des problématiques les plus fascinantes de la recherche en biologie moléculaire. Le premier aspect de notre travail concerne le développement de potentiels statistiques dérivés de bases de données de protéines dont les structures sont connues. Ces potentiels présentent plusieurs avantages: ils peuvent être aisément adaptés à des représentations structurales simplifiées, et permettent de définir un nombre limité de fonctions énergétiques qui incarnent l'ensemble complexe d'interactions gouvernant la structure et la stabilité des protéines, et qui incluent également certaines contributions entropiques. Cependant, leur signification physique reste assez nébuleuse, car l'impact des diverses hypothèses nécessaires à leur dérivation est loin d'être clairement établi. Nous nous sommes attachés à l'étude de certaines limitations des ces potentiels: leur dépendance en la taille des protéines incluses dans la base de données, la non-additivité des termes de potentiels, et l'importance souvent négligée de l'environnement protéique spécifique ressenti par chaque résidu. Nous avons ainsi mis en évidence que l'influence de la taille des protéines de la base de données sur les potentiels de distance entre résidus est spécifique à chaque paire d'acides aminés, peut être relativement importante, et résulte essentiellement de la répartition inhomogène des résidus hydrophobes et hydrophiles entre le coeur et la surface des protéines. Ces résultats ont guidé la mise au point de fonctions correctives qui permettent de tenir compte de cette influence lors de la dérivation des potentiels. Par ailleurs, la définition d'une procédure générale de dérivation de potentiels et de termes de couplage a rendu possible la création d'une fonction énergétique qui tient compte simultanément de plusieurs descripteurs de séquence et de structure (la nature des résidus, leurs conformations, leurs accessibilités au solvant, ainsi que les distances qui les séparent dans l'espace et le long de la séquence). Cette fonction énergétique présente des performances nettement améliorées par rapport aux potentiels originaux, et par rapport à d'autres potentiels décrits dans la littérature. Le deuxième aspect de notre travail concerne l'application de programmes basés sur des potentiels statistiques à l'étude de protéines qui adoptent des structures alternatives. La permutation de domaines est un phénomène qui affecte diverses protéines et qui implique la génération d'un oligomère suite à l'échange de fragments structuraux entre monomères identiques. Nos résultats suggèrent que la présence de "faiblesses structurales", c'est-à-dire de régions qui ne sont pas optimales vis-à-vis de la stabilité de la structure native ou qui présentent une préférence marquée pour une conformation non-native en absence d'interactions tertiaires, est intimement liée aux mécanismes de permutation. Nous avons également mis en évidence l'importance des interactions de type cation-{pi}, qui sont fréquemment observées dans certaines zones clés de la permutation. Finalement, nous avons sélectionné un ensemble de mutations susceptibles de modifier sensiblement la propension de diverses protéines à permuter. L'étude expérimentale de ces mutations devrait permettre de valider, ou de raffiner, les hypothèses que nous avons proposées quant au rôle joué par les faiblesses structurales et les interactions de type cation-{pi}. Nous avons également analysé une autre protéine soumise à d'importants réarrangements conformationnels: l'{alpha}1-antitrypsine. Dans le cas de cette protéine, les modifications structurales sont indispensables à l'exécution de l'activité biologique normale, mais peuvent sous certaines conditions mener à la formation de polymères insolubles et au développement de maladies. Afin de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la polymérisation, nous avons cherché à concevoir rationnellement des protéines mutantes qui présentent une propension à polymériser contrôlée. Des tests expérimentaux ont été réalisés par le groupe australien du Professeur S.P. Bottomley, et ont permis de valider nos prédictions de manière assez remarquable. ---------------------------------------------------------------------------------------------------- The work presented in this thesis concerns the computational study of the relationships between the sequence of a protein and its three-dimensional structure(s). The unravelling of these relationships has many applications in different domains and is probably one of the most fascinating issues in molecular biology. The first part of our work is devoted to the development of statistical potentials derived from databases of known protein structures. These potentials allow to define a limited number of energetic functions embodying the complex ensemble of interactions that rule protein folding and stability (including some entropic contributions), and can be easily adapted to simplified representations of protein structures. However, their physical meaning remains unclear since several hypotheses and approximations are necessary, whose impact is far from clearly understood. We studied some of the limitations of these potentials: their dependence on the size of the proteins included in the database, the non-additivity of the different potential terms, and the importance of the specific environment of each residue. Our results show that residue-based distance potentials are affected by the size of the database proteins, and that this effect can be quite strong, is residue-specific, and seems to result mostly from the inhomogeneous partition of hydrophobic and hydrophilic residues between the surface and the core of proteins. On the basis of these observations, we defined a set of corrective functions in order to take protein size into account while deriving the potentials. On the other hand, we developed a general procedure of derivation of potentials and coupling terms and consequently created an energetic function describing the correlations between several sequence and structure descriptors (the nature of each residue, the conformation of its main chain, its solvent accessibility, and the distances that separate it from other residues, in space and along the sequence). This energetic function presents a strongly improved predictive power, in comparison with the original potentials and with other potentials described in the literature. The second part describes the application of different programs, based on statistical potentials, to the study of proteins that adopt alternative structures. Domain swapping involves the exchange of a structural element between identical proteins, and leads to the generation of an oligomeric unit. We showed that the presence of “structural weaknesses”, regions that are not optimal with respect to the folding mechanisms or to the stability of the native structure, seems to be intimately linked with the swapping mechanisms. In addition, cation-{pi} interactions were frequently detected in some key locations and might also play an important role. Finally, we designed a set of mutations that are likely to affect the swapping propensities of different proteins. The experimental study of these mutations should allow to validate, or refine, our hypotheses concerning the importance of structural weaknesses and cation-{pi} interactions. We also analysed another protein that undergoes large conformational changes: {alpha}1-antitrypsin. In this case, the structural modifications are necessary to the proper execution of the biological activity. However, under certain circumstances, they lead to the formation of insoluble polymers and the development of diseases. With the aim of reaching a better understanding of the mechanisms that are responsible for this polymerisation, we tried to design mutant proteins that display a controlled polymerisation propensity. An experimental study of these mutants was conducted by the group of Prof. S.P. Bottomley, and remarkably confirmed our predictions.

Listeria monocytogenes est l'agent étiologique de la listériose, une infection d'origine alimentaire peu fréquente mais avec un taux de mortalité de 25% chez l'homme. Nous avons d'abord caractérisé un mutant ferritine et montré l'importance du produit de ce gène dans la virulence, la résistance à des conditions de carence en fer et de stress thermique ou oxydatif. Nous nous sommes ensuite intéressés à la biodiversité de L. monocytogenes, par une approche protéomique, en étudiant 12 souches d'origines, de sérovars et de niveaux de virulence variés. Sur la base des profils des protéines intracellulaires et sécrétées, une classification hiérarchique a montré deux groupes distincts, l'un comprenant les souches de sérovar 1/2a, l'autre les souches de sérovar 4b et 1/2b. Des spots protéiques spécifiques de chaque souche et des différents sérovars ont été identifiés par spectrométrie de masse MALDI-TOF avec pour objectif de mieux hiérarchiser et gérer le risque dû à L. monocytogenes.

Certaines protéines régulatrices dites nucléo-cytoplasmique naviguent entre le noyau et le cytoplasme. En réponse à une perturbation de l'environnement de la cellule, ces protéines relocalisent massivement dans le noyau pour y activer des mécanismes permettant la survie cellulaire. Chez la levure S. pombe, 285 protéines présentent la particularité d'être nucléo-cytoplasmiques. Une étude exhaustive de certaines de ces protéines a été ici entreprise. L'objectif était d'identifier celles présentes chez S. cerevisiae qui sont vitales dans la réponse aux stress endommageant l'ADN. Parmi les protéines candidates, celles i) étant les plus conservées chez l'ensemble des organismes eucaryotes, ii) de fonction inconnue ou peu décrite et iii) dont la répartition nucléo-cytoplasmique change après stress ont été sélectionnées à l'aide d'un crible génétique mis au point chez S. cerevisiae. Douze protéines ont été identifiées comme relocalisant au noyau sous l'effet du stress radiatif ou métaux lourds. Parmi elles, la protéine Pat1 (YCR077C) décrite à ce jour comme un activateur de la dégradation cytoplasmique des ARNs messagers a été choisie et une étude plus approfondie de son activité entreprise. Par une approche TAP-tag couplée à une stratégie de protéomique de type shotgun, le réseau de partenaires protéiques de Pat1 a été établi en absence de stress et en condition de stress UV. La région potentiellement impliquée dans la localisation cellulaire de la protéine Pat1 est sujette à de multiples phosphorylations dont le degré augmente après stress UV. Enfin, les résultats sur les partenaires spécifiques de Pat1 identifiés par protéomique en condition de stress ont été corroborés par une analyse de sa relocalisation chez les différents mutants correspondants. L'ensemble de nos résultats mettent en exergue une nouvelle fonctionnalité pour la protéine Pat1 spécifiquement menée au noyau des cellules qu'il reste désormais à préciser. / Some regulatory proteins called nucleo-cytoplasmic proteins, shuttle between the nucleus and the cytoplasm. Upon environmental stress, these proteins relocate massively to the nucleus where they activate pro-survival mechanisms. In the yeast S. pombe, 285 proteins are nucleo-cytoplasmic. An exhaustive study of some of these proteins was carried out herein. The goal was to identify the ones that are present in S. cerevisiae and vital in the DNA damage response. Among the candidate proteins, the ones i) that are the most conserved in the eukaryotic cells, ii) with unknown function or poorly characterized, and iii) whose nucleo-cytoplasmic repartition changes upon stress were selected by the use of a genetic screen monitored in S. cerevisiae. Twelve proteins were found to accumulate in the nucleus upon irradiating or heavy metal stresses. Pat1 (YCR077C) currently described as a cytosolic mRNA decay activator was chosen and a more complete investigation about its activity was undertaken. By the mean of a TAP-tag approach combined with a shotgun proteomic analysis, the Pat1 interaction network was established without any stress and after UV stress illumination. Pat1 exhibits a domain potentially involved in its relocation that is subjected to multiple phosphorylations whose state enhances after UV stress. Finally, the data about the specific partners of Pat1 identified by proteomic analysis in stress condition were confirmed by the study of Pat1 relocation in the corresponding deleted strains. Altogether, our data suggest a novel function for the Pat1 protein that needs to be further investigated.