Les petites protéines de stress/Small heat shock proteins (sHsps) sont des chaperons moléculaires ATP-indépendants ubiquitaires retrouvées chez les procaryotes et eucaryotes. Elles sont dynamiques structurellement et la majorité d’entre elles possèdent la capacité de former de gros complexes oligomériques. Également, elles protègent les cellules du stress protéotoxique causé par divers facteurs de stress abiotiques en prévenant l’agrégation des protéines dénaturées et en promouvant leur repliement par les chaperons moléculaires ATP dépendants tels que Hsp70/DnaK. Récemment, la présence de gènes de sHsp (HspSP-ShM2) chez des virus marins et plus précisément chez des cyanophages infectant le genre Synechococcus sp. et Prochlorococcus sp ont été caractérisés in silico. Au niveau de sa séquence, la sHsp de 18 kDa de Synechococcus sp. montre un domaine alpha crystallin de 92 acides aminés hautement conservé au sein des sHsps, une région C-terminale contenant le motif CAM canonique de type (L-X-I/L/V) et une région N-terminale relativement courte. Nous avons établi grâce à la chromatographie par exclusion stérique (SEC) et le système de Fast Protein Liquid Chromatography (FPLC) sa capacité à former des complexes oligomériques de haut poids moléculaires (600 kDa et 200kDa). De plus, nous avons démontré qu’elle prévient l’agrégation de la citrate synthase, la malate dehydrogenase et la luciférase en condition de stress thermique suggérant qu’elle possède une faible spécificité et un large spectre de protéines clientes/substrats. La prévention complète de l’agrégation a été obtenue à différents ratios (sHsp:substrat) selon le substrat, ce qui indique qu’il y aurait possiblement des interactions différentes et uniques avec chacun d’eux. Nous avons ensuite mis en évidence la formation d’hétéro-oligomères stables et solubles entre HspSP-ShM2 et son substrat dans les mêmes conditions, ce qui est en accord avec les caractéristiques des sHsps en général. Quant à elle, la sHsp de la cyanobactérie Synechococcus WH7803 (HspS-WH7803) possède un poids moléculaire de 15 kDa et montre une capacité à former des tétramères (60 kDa) sur essai de SEC par FPLC en présence de Triton™X-100 pour le maintien de sa solubilité. Contrairement à HspS-ShM2, HspS-WH7803 ne démontre aucune activité protectrice sur l’agrégation des substrats mentionnés précédement à différents ratios molaires. Finalement, des analyses par SEC/FPLC suggèrent la formation de complexes hétéro-oligomériques entre HspSP-ShM2 et celle de son hôte, HspS-WH7803 de Synechococcus WH7803. Cette interaction entre les sHsps pourrait soit optimiser ou inhiber l’activité de chaperon moléculaire et la réponse au stress de son hôte dans le but de favoriser le cycle viral. / Small heat shock proteins (sHsps) are ubiquitous ATP-independent molecular chaperones found in prokaryotes and eukaryotes. They are structurally dynamic and most of them have the ability to form large oligomeric complexes and to protect cells from proteotoxic stresses by preventing aggregation of non-native proteins and promoting their refolding via ATP-dependent chaperones such as Hsp70/DnaK. Recently, the presence of a sHsp gene (HspSP-ShM2) in marine viruses has been reported using bioinformatics tools. More precisely, the gene has been found in cyanophages infecting cyanobacteria of the genre Synechococcus sp. and Prochlorococcus sp. The Synechococcus phage sHSP has a MW of 18 kDa and shows the highly conserved core alpha crystalline domain of 92 amino acids and relatively short N- and C-terminal arms, the later containing the classical CAM domain (L-X-I/L/V). We established its oligomeric profile using a size exclusion chromatography (SEC) and Fast Protein Liquid Chromatography (FPLC) system and demonstrated its ability to form large oligomeric complexes in native conditions (600 kDa and 200kDa). Furthermore, we report its capacity to prevent the aggregation of citrate synthase, malate dehydrogenase and luciferase suggesting that it has a weak specificity and wide range of protein substrates. The complete prevention of aggregation was achieved at different ratios (sHsp:substrate) depending on the substrate indicating that the sHSP may have different and unique interactions with each of its clients. We also showed the formation of a stable and soluble hetero-oligomeric complex of the phage sHSP and its substrates under heat stress, which is in accordance with the characteristics of sHSP in general. The cyanobacteria Synechococcus WH7803 15 kDa sHSP (HspS-WH7803) shows the ability to form tetramers in the presence of Triton™X-100 for the maintenance of its solubility using the SEC/FPLC method. For its capability to prevent the aggregation of different substrates, HspS-WH7803 demonstrates no chaperon like activity in all the assays and molar ratios used. Finally, SEC/FPLC results indicate the possible formation of a hetero-oligomeric complex between the sHSP of the phage and the one from its host Synechococcus WH7803 (HspS-WH7803). This interaction could either optimize the chaperone activity and the stress response of its host or inhibit the host sHSP to facilitate the viral life cycle.

La protéine membranaire « Growth Arrest-Specific 1 » (GAS1) est reconnue pour ses effets antitumoraux et anti-métastatiques de par sa capacité à induire l’arrêt du cycle cellulaire, généralement en phase Go, et l’apoptose. Cependant, le rôle de GAS1 a été peu étudié et est quelque peu controversé dans le contexte oncologique. De plus, des évidences poussent à croire que cette protéine jouerait un rôle dans le processus angiogénique. Pour étudier le rôle de GAS1 dans le cancer, des tests in cellulo classiques mesurant la prolifération, le cycle cellulaire ainsi que l’apoptose ont été réalisés sur des cellules cancéreuses surexprimant GAS1. Des immunobuvardages ont été utilisés afin de détecter la présence de GAS1 dans les différentes lignées cellulaires et leur milieu de culture. Des xénogreffes utilisant la membrane chorioallantoïque de l’œuf de poulet (essai CAM) ont été réalisées pour évaluer le potentiel tumorigénique et angiogénique des cellules. La surexpression de GAS1 dans les différentes lignées cellulaires cancéreuses n’a eu aucun effet sur leur prolifération, leur cycle cellulaire ainsi que leur état apoptotique, lorsque mesurés in vitro. Cependant, lorsque ces cellules furent testées à l’aide de l’essai CAM, le poids des tumeurs exprimant GAS1 ainsi que l’angiogenèse ont augmenté. Des essais CAM, utilisant entre autres des bouchons de collagène et la protéine GAS1 soluble purifiée, ont démontré que cette dernière stimule indirectement l’angiogenèse. En résumé, un nouveau rôle pro-angiogénique a été mis en évidence pour la protéine GAS1 soluble. L’angiogenèse tumorale est primordiale à la progression de plusieurs types de cancers incluant le cancer de la prostate. Cette dernière est d’ailleurs ciblée par des traitements anticancéreux. GAS1 soluble représente donc une cible thérapeutique potentielle pour traiter le cancer. / Growth Arrest-Specific 1 (GAS1) is a membrane protein recognized for its antitumor and anti-metastatic effects due to its capacity to induce cell cycle arrest, usually in the Go phase, and apoptosis. However, the role of GAS1 has not been the subject of much analysis and is somewhat controversial in cancer. Moreover, evidence leads us to infer that this protein could play a role in angiogenesis. To study the role of GAS1 in cancer, conventional in cellulo tests measuring proliferation, cell cycle and apoptosis were performed on cancer cells overexpressing GAS1. Immunoblotting was used to detect the presence of GAS1 in the different cell lines and their culture medium. Xenografts employing the chorioallantoic membrane of the chicken egg (CAM essay) were used to evaluate the tumorigenic and angiogenic potential of the cells. GAS1 overexpression in various cancer cell lines showed no effect on their proliferation, cell cycle and apoptotic state when measured in vitro. However, when these cells were tested with the CAM assay, weight of tumors expressing GAS1 as well as angiogenesis was increased. CAM assays, using among other things collagen plugs and purified soluble GAS1 protein, demonstrated that the latter indirectly stimulates angiogenesis. In summary, a new pro-angiogenic role has been demonstrated for soluble GAS1. Tumor angiogenesis is essential to the progression of several types of cancer including prostate cancer. Angiogenesis is therefore the focus of several anticancer treatments. Thus, soluble GAS1 represents a potential therapeutic target for treating cancer.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative causée par la mutation du gène codant la protéine huntingtine (HTT). Cette protéine, exprimée par toutes les cellules de l'organisme, peut adopter une forme mutée qui lui confère un aspect toxique. Dans les cellules, la mHTT va s'agréger et former di érentes structures dont des agrégats, marqueurs distinctifs de la maladie, ou des brilles. Dans le cerveau, la présence de la mHTT va causer une mort neuronale dramatique entraînant, à l'échelle de l'individu, une panoplie de troubles moteurs, cognitifs et psychiatriques. Depuis plusieurs années des études tendent à démontrent que la mHTT peut se propager de cellules à cellules et corrompre la HTT non mutée tel un prion. Pour mon projet de recherche, j'ai ainsi investigué les propriétés prioniques de la mHTT sous sa forme fibrillaire particulièrement toxique. Des fibrilles synthétiques contenant la mutation pathologique ont été utilisées pour infecter des cellules en culture et des souris. De cette manière, nous avons démontré la capacité des fibrilles à se propager et à provoquer des dommages divers dans 3 types de cellules humaines. La présence des fibrilles a également induit l'agrégation de la forme non mutée de la HTT endogène, normalement présente dans les cellules. Chez la souris, ces résultats ont été confirmés suite à l'injection des fibrilles dans le cerveau des animaux. La présence des fibrilles dans le système nerveux central des souris sauvages a provoqué la manifestation de signes caractéristiques de la MH (troubles cognitifs et moteurs). De plus, une apparition de déficits moteurs et cognitifs qui s'apparentent à la maladie a été observée chez des souris R6/2, modèle transgénique de la MH, suite à l'injection des fibrilles. Les résultats de mon projet de recherche renforcent ainsi l'hypothèse prionique de la mHTT et appuient l'hypothèse que ces propriétés pourraient être impliquées dans la physiopathologie de la MH.

Les démences affectent des millions de personnes dans le monde et la forme la plus répandue est la maladie d’Alzheimer (MA). Malgré des décennies de recherches, il n’y a toujours pas de traitement efficace pour contrer cette maladie. Elle est caractérisée par deux marqueurs distincts : les plaques amyloïdes extracellulaires générées par le clivage de la protéine Amyloid Precursor Protein (APP) ainsi que les enchevêtrements neurofibrillaires formés de la protéine tau. Cette dernière est également dérégulée dans une vingtaine de maladies neurodégénératives appelées tauopathies. Plusieurs études ont montré que les niveaux des microARNs (miRs) sont altérés chez des personnes atteintes de maladies neurodégénératives telles que la MA. Notamment, le miR-132 se retrouve à être l’un des plus réduit. Pour mieux comprendre l’implication des microARNs (miRs) dans la progression de la MA et les tauopathies, mon objectif de doctorat a été d’étudier le rôle du miR-132 sur la régulation de tau en utilisant aussi bien des outils in vitro que des méthodes in vivo. Nous avons identifié in vitro un facteur d’épissage, PTBP2 pouvant réguler l’inclusion d’un exon important de tau. Ce facteur est augmenté et corrèle inversement avec l’expression de miR-132 chez un groupe de patients atteints de paralysie supranucléaire progressive (PSP), une maladie tauopathique. À l’aide de tests comportementaux, nous avons également démontré qu’une abolition génétique de miR-132 chez la souris réduisait l’apprentissage et la mémoire qui sont des conséquences connues de la MA. Enfin, nous avons établi que l’absence du miR-132 accélère la phosphorylation et l’agrégation de tau dans un modèle de souris Alzheimer. Nous avons démontré que miR-132 régule directement tau par son 3’Untranslated Region (3’UTR) et que l’expression de miR-132 corrèle avec différents tests cognitifs dans une cohorte de patients atteints de la MA. De plus, nous avons développé une approche thérapeutique prometteuse en utilisant ce miR comme agent de traitement dans le cerveau d’un modèle de souris Alzheimer. Ces travaux ont contribués à la compréhension de la progression des maladies neurodégénératives multifactorielles telles que la MA. / Dementia affects millions of people worldwide and the most common form is Alzheimer’s disease (AD). After more than a century of research, there is no efficient cure for this neurodegenerative disease. There are two pathological hallmarks : senile plaques formed by beta-amyloid peptide deposits and neurofibrillary tangles composed of a hyperphosphorylated and aggregated protein called tau. Tau pathology is also found in twenty neurodegenerative diseases called tauopathies. Studies have shown that miRNA expression profiles are deregulated in post-mortem brain tissues of patients. Of interest, miRNA-132 (miR-132) was the most downregulated. To understand the role of miRNAs in AD, my main goal was to study the involvement of miR-132 in tau regulation using in vitro tools and transgenic mice. We have identified a splicing factor, PTBP2 which affects tau exon inclusion. This factor is upregulated in a subset group of tauopathic patients, (progressive supranuclear palsy (PSP)). The miR-132 level reduction was also correlated with the PTBP2 upregulation in this cohort of patients. In the second study, we have demonstrated that learning, memory formation and retention are altered in a miR-132 knockout mouse model. Finally, we have found that a long-term loss of miR-132 promotes tau hyperphosphorylation and aggregation in AD mice. We have demonstrated that tau is a direct target of miR-132 and their expression levels in human correlate with different cognitive test scores from in AD patients. Finally, we have developed a miR-132-based therapeutic strategy in the AD mouse brain with promising results. Taken together, these results have contributed to the better understanding of complex neurodegenerative diseases such as AD.

La malaria est une maladie endémique qui a affecté 212 millions de personnes en 2015, et fait plus de 429 000 morts. Parmi les espèces causant la malaria humaine, Plasmodium falciparum est celle qui est associée au plus haut taux de morbidité et de mortalité. L’invasion du globule rouge par le parasite de la malaria, P. falciparum, est une étape clé qui est médiée par la sécrétion coordonnée de différentes protéines contenues dans les organites du complexe apical : les rhoptries, les micronèmes et les granules denses. La biogenèse de ces organites et le transport des différentes protéines apicales sont des phénomènes encore mal compris et peu étudiés. Des travaux ont montré que des microdomaines présents dans la membrane de l’appareil de Golgi possèderaient une composition lipidique et protéique distincte et seraient impliqués dans la sélection différentielle des protéines destinées aux organites du complexe apical. Cependant, la façon dont ces microdomaines sont discriminés l’un de l’autre et les mécanismes régissant leur transport à partir de l’appareil de Golgi vers le complexe apical sont présentement inconnus. Nous avons donc entrepris d’identifier les différents acteurs moléculaires impliqués dans ce trafic différentiel des protéines apicales. Les travaux réalisés dans le cadre d’un premier projet ont permis de démontrer que la sortiline, un récepteur de cargo conservé chez les eucaryotes, joue un rôle essentiel dans le transport de protéines vers les différents organites apicaux. Nous avons également démontré que la sortiline interagit avec le complexe de protéines RAMA/RAP afin d’assurer leur transport spécifique vers les rhoptries. L’analyse du phénotype en situation de « knock-down » de la sortiline a révélé à la fois un rôle essentiel de la sortiline dans la biogenèse des organites du complexe apical, mais aussi dans le processus de cytokinèse lors de la division cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle central et essentiel de la protéine escorte sortiline dans le système de transport protéique chez le parasite de la malaria P. falciparum. Dans le cadre d’un second projet, nous avons caractérisé une potentielle protéine de rhoptries (PRP2) identifiée chez Plasmodium berghei et chez Toxoplasma gondii. Nous avons cependant démontré que chez P. falciparum, cette hypothétique protéine de rhoptries est plutôt localisée à l’appareil de Golgi et n’est pas impliquée dans les évènements d’invasion. De ce fait, nous avons renommé cette protéine « Golgi protein 1 » (GP1) . Nous avons également découvert que GP1 interagit avec une protéine transmembranaire non caractérisée (« Golgi protein 2 », GP2). Nos travaux ont donc mené à la découverte d’un nouveau complexe de protéines situé dans l’appareil de Golgi et important pour la survie du parasite.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) constituent la plus grande famille de récepteurs membranaires et sont impliqués dans le contrôle de la majorité des processus physiologiques. Dans le modèle classique, la signalisation par les RCPGs se résumait à l'activation de protéines G hétérotrimériques capables de moduler l'activité d'effecteurs, qui, à leur tour, contrôlent la concentration intracellulaire de seconds messagers tels que l'AMPc ou le calcium. Cette vision classique de la signalisation s'est par contre complexifiée au fil des années et l'on sait maintenant que les RCPGs interagissent avec une multitude d'autres protéines afin de transmettre de façon spécifique les signaux extracellulaires. Ainsi, pour bien comprendre comment est régulé un RCPG, il devient primordial de connaître les protéines interagissant avec celui-ci. Nous avons donc entrepris d'identifier de nouveaux partenaires d'interaction pour les récepteurs DP (récepteur de la prostaglandine D[indice inférieur 2]), TP[bêta] (récepteur du thromboxane A[indice inférieur 2]) et [bêta][indice inférieur 2]-adrénergique, puis, de déterminer le rôle de ces complexes protéiques dans la fonction des récepteurs. Lors d'un criblage par double-hybride visant à identifier de nouveaux partenaires d'interaction pour DP, nous avons identifié la protéine ankyrin repeat domain-containing protein 13C (ANKRD13C), une protéine n'ayant pas encore été caractérisée jusqu'à maintenant. Des études de localisation ont montré qu'ANKRD13C est associée à la membrane du réticulum endoplasmique (RE), où elle interagit avec DP. Cette interaction facilite d'abord la biogenèse du récepteur en ralentissant la dégradation des récepteurs nouvellement synthétisés. Elle régule aussi le transport de DP vers la membrane plasmique en induisant la rétention dans le RE des formes immatures du récepteur. Elle facilite finalement la dégradation par le protéasome des formes de récepteurs retenues dans le RE. Ces expériences suggèrent donc un rôle de chaperonne pour ANKRD13C dans la biogenèse du récepteur DP. La protéine adaptatrice RACK1 (Receptor for Activated C-Kinase 1) a ensuite été identifiée comme nouveau partenaire d'interaction pour l'isoforme [bêta] du récepteur du thromboxane A[indice inférieur 2] (TP[bêta]).Les résultats présentés dans cette étude montrent que les deux protéines interagissent directement et qu'elles forment un complexe au niveau du RE. L'interaction entre TP[bêta] et RACK1 s'est d'ailleurs avérée essentielle pour que le récepteur puisse être exporté du RE vers la membrane plasmique. Ces travaux ont donc révélé un rôle majeur de RACK1 dans la fonction de TP[bêta], plus précisément au niveau de son transport vers la surface cellulaire. Finalement, une nouvelle interaction entre le récepteur [bêta][indice inférieur 2]-adrénergique ([bêta][indice inférieur2]-AR) et la petite protéine G Rab11 a été caractérisée.Les expériences réalisées démontrent que les deux protéines s'associent en cellules via une interaction directe. Une construction du [bêta][indice inférieur 2]-AR où les sites d'interaction avec Rab11 sont mutés a été générée. La mise en évidence d'un défaut de recyclage de ce mutant suite à une stimulation avec un agoniste spécifique a permis d'établir que l'interaction directe avec Rab11 est essentielle pour que le [bêta][indice inférieur 2]-AR puisse recycler de façon adéquate.Les résultats présentés dans cette thèse illustrent le rôle joué par trois nouveaux complexes protéiques dans la synthèse, l'export et le recyclage de RCPGs. L'identification et la caractérisation de ces nouvelles interactions permettra de mieux comprendre comment sont régulés les récepteurs DP, TP[bêta] et [bêta][indice inférieur 2]-adrénergique, et permettra éventuellement d'améliorer les connaissances quant à la régulation de l'ensemble des récepteurs couplés aux protéines G.

Miz-1 est un facteur de transcription qui active la transcription de gènes cytostatiques tels que p15[indice supérieur 1NK4B] ou p21[indice supérieur CIP1]. Il s’agit d’une protéine de la famille BTB/POZ, qui possède un ensemble de 13 doigts de zinc de type Cys?His? dans sa portion C-terminale. L’activation de ces gènes par Miz-1 peut être régulée par les protéines SMAD. SMAD3 et 4 peuvent toutes deux se lier aux doigts de zinc 1 à 4 de Miz-1, et les autres doigts de zinc sont pressentis pour être responsables de la liaison à l’ADN. Les séquences reconnues par Miz-1 sur les promoteurs des deux gènes mentionnés ci-haut ont été identifiées, mais n’ont pas d’homologie entre elles. L’oncogène c-Myc a la possibilité de se lier à Miz-1, et cette interaction cause la répression des gènes normalement activés par Miz-1, favorisant ainsi la prolifération cellulaire. Cette interaction cruciale, de même que celle entre Miz-1 et l'ADN, est toutefois assez mal caractérisée. Le but du projet dont fait partie ce mémoire est d’éclaircir tout ce mécanisme de liaison. Ce mémoire étudie la structure et les propriétés dynamiques des doigts de zinc 5 à 8 de Miz-1, qui, selon l’hypothèse initiale, seraient impliqués dans la liaison au promoteur des gènes-cibles de Miz-1. La résonance magnétique nucléaire est la technique qui a été utilisée dans le but d’obtenir ces résultats, et une partie importante de ce mémoire est dévouée à la théorie derrière cette puissante technique. La détermination de la structure de ces doigts de zinc est en fait une seule des nombreuses étapes du projet de l’élucidation du mécanisme de transrépression par c-Myc/Miz-1. Suite à la présentation des structures de ces doigts de zinc, ce mémoire s’intéresse à leurs caractéristiques dynamiques très particulières pour ce type de domaine protéique. Nous avons en effet découvert que les doigts de zinc 5 à 8 présentaient un niveau très élevé d’échange conformationnel, et qu’une portion du doigt de zinc 6 ne peut être caractérisée structurellement à cause de mouvements dans l’échelle de la micro/milliseconde, eux-mêmes dus à des répulsions électrostatiques. En conclusion, nous proposons que le ZF 6 ait un rôle de charnière entre deux ensembles de ZFs dans Miz-1. Ces résultats permettent l’actualisation du modèle de liaison de Miz-1 au promoteur de p15[indice supérieur INK4B] qui avait été élaboré comme hypothèse, et ils nous rapprochent de la compréhension de la transrépression par c-Myc. [symboles non conformes]

La création de nouvelles fonctions basées sur la reconnaissance protéique et sur l'assemblage de domaines est un enjeu majeur en biotechnologie et est un moyen de comprendre les relations structures/fonctions des protéines engagées dans des processus d'interactions. Aujourd’hui, des bibliothèques de protéines artificielles obtenues par ingénierie peuvent être sources de protéines aux propriétés de reconnaissance analogues à celles des dérivés d’anticorps.L’équipe Modélisation et Ingénierie des Protéines a ainsi construit une banque de protéines à motifs structuraux répétés appelées « alphaReps ». Les alphaReps présentent des propriétés remarquables en termes de production et de stabilité. Contrairement à la plupart des anticorps et dérivés d’anticorps, elles peuvent même s’exprimer sous forme fonctionnelle dans le cytoplasme de cellules eucaryotes. De tels objets peuvent donc maintenant être utilisés comme des briques élémentaires en vue d’une ingénierie modulaire. Ainsi la construction de nouvelles fonctions de reconnaissance optimisées tant au niveau de la spécificité que de l’affinité sera possible en réarrangeant et/ou dupliquant ces briques élémentaires.Un premier volet de ce projet de thèse a consisté à construire puis étudier les propriétés biophysiques de protéines bidomaines basées sur les alphaReps afin de mieux comprendre les comportements adoptés par de telles constructions. Outre l’aspect fondamental de cette question, cette étude donnera « les règles » pour moduler de façon contrôlée les interactions entre ces protéines. Les résultats montrent qu'il est possible de créer de nouvelles fonctions par simple ajout d'un linker entre deux alphaReps : avidité, coopérativité, changement de conformation.Dans un second temps, l’objectif a été de développer, à partir des protéines bidomaines précédemment étudiées, de nouveaux biosenseurs basés sur le FRET (Förster Resonance Energy Transfer) pouvant être utilisés in vivo et in vitro. Cette deuxième partie présente deux biosenseurs avec des limites de détection de l'ordre du nanomolaire. Les alphaReps utilisées dans ces constructions pouvant être changées en fonction de la cible souhaitée, il s'agit ici d'une preuve de concept pouvant être généralisée à n'importe quelle cible.Enfin la dernière partie de cette thèse s'est portée sur la conception et l'étude de nouveaux biosenseurs génétiquement codables. Ces biosenseurs présentent notamment l’avantage d’être utilisables immédiatement après production et ne nécessitent donc plus d’étape de couplage chimique. Les résultats obtenus montrent que la création de tels biosenseurs est possible mais qu’une optimisation reste encore nécessaire pour améliorer leur spécificité, leur stabilité et leur capacité de détection. / The creation of new protein functions based on recognition and molecular assembly is not only a major goal in biotechnology but is also a means to understand the relation structure/function of proteins involved in interaction processes. Today, libraries of artificial proteins obtained by engineering can be a source of proteins with recognition properties similar to the properties of antibodies.The team Protein Engineering and Modeling has thus created a library of proteins with structural repeats called the “alphaReps”. The alphaReps present remarkable properties in terms of production and stability. Unlike most of the antibodies and their derivatives, they can even be expressed and functional in the cytoplasm of eukaryotic cells. Such objects can therefore be used as building bricks in modular engineering. The construction of new optimized recognition functions both in specificity and in affinity can then be possible by rearranging or duplicating these elementary bricks.The first part of this thesis project consisted in the construction and study of the biophysical properties of bidomain proteins based on alphaRep in order to have a better understanding of the behaviour of such constructions. Beside the fundamental aspect of this question, this study will give the “rules” to modulate the interactions between these proteins in a controlled way. The results show that it is possible to create new functions such as avidity, cooperativity, conformational change, simply by adding a linker between two alphaReps.In a second step, the goal was to develop, with the bidomain proteins previously studied, new biosensors based on the FRET (Förster Resonance Energy Transfer) which can be used in vivo and in vitro. This second part presents two biosensors with limits of detection in the nanomolar range. Since the alphaReps used in these constructions can be changed depending on the chosen target, it is a proof of concept which can be adapted to any desired target.Finally, the third part of this thesis focused on the development of genetically codable biosensors. These biosensors have the particular advantage of being usable directly after production and therefore no longer require a chemical coupling step. The results show that the development of such biosensors is worth considering but an optimization is still required in order to improve their specificity, their stability and their detection capacity.

Les chaperons moléculaires, une famille de protéines diverses en structure et taille, sont dédiés à accompagner, replier et protéger d’autres protéines afin qu’elles atteignent leur conformation finale et leur emplacement dans la cellule. Dans ce but, les chaperons moléculaires doivent être hautement spécialisés dans l’exécution de tâches spécifiques, telles que le repliement, le transport ou la désagrégation, et polyvalents dans leur motifs de reconnais- sance, afin de pouvoir interagir avec un grand nombre de protéines di érentes. Di érents chaperons moléculaires collaborent au sein de la cellule, formant ainsi un réseau complexe qui assure le contrôle de la qualité du protéome. Les interactions entre les di érents partenaires de ce réseau et entre les chap- erones et leurs substrats sont souvent dynamiques, ce qui rend leur obser- vation structurale particulièrement di cile pour les techniques de biologie structurale. Par conséquent, il y a à ce jour peu d’information sur les struc- tures et mécanismes d’interaction au sein des complexes chaperon-substrate. Dans cette thèse, je présente des études sur la structure, la dynamique et les interactions entre les substrats de deux chaperons moléculaires, en utilisant diverses méthodes biophysiques et in vivo.Dans la première partie, je montre que la chaperone TIM910, située dans l’espace inter-membranaire des mitochondries, lie ses substrats, des protéines membranaires destinées aux deux membranes mitochondriales, d’une manière très dynamique. Non seulement le complexe TIM910 est en échange constant entre les espèces monomèriques et hexameriques, mais aussi le substrat lié échange entre mulitples conformations à une échelle de millisecondes. Sur la base de la résonance magnétique nucléaire (RMN), de small-angle X-ray scat- tering (SAXS), de l’ultracentrifugation analytique (AUC) et des expériences mutationnelles in vivo et des tests fonctionnels d’import dans les mitochon- dries, je propose un modèle structurale de l’interaction entre le chaperon et la protéine membranaire. TIM910 lie ses substrats dans une poche hydrophobe à l’extérieur du chaperon. Cette interaction est modulaire et se fait avec un ou deux hexamères de TIM910, en fonction de la longueur du substrat.Dans la deuxième partie, nous avons étudié le comportement du récepteur N-terminal du unfoldase ClpC1 de M. tuberculosis en présence d’antibiotiques et de ligands di érents. Le domaine N-terminal de ClpC1 est le site de liai- son de divers antibiotiques nouveaux contre M. tuberculosis. L’antibiotique Cyclomarin A supprime complètement la dynamique induite par le ligand arginine-phosphate. Nous proposons que cette suppression de la dynamique soit le principe fondamental du mécanisme d’action de cet antibiotique.Dans les deux cas, les structures X-ray des chaperons dans leur état apo et la structure de ClpC-NTD liée à des antibiotiques étaient disponibles, mais ces structures statiques ne su sent pas pour expliquer le mécanisme d’action. La structure X-ray de TIM910 n’a pas fourni d’ indication sur l’endroit ou la façon dont les substrats sont liés. De même, les structures X-ray du domaine N-terminal de apo et de Cyclomarine A de ClpC1 ne présentent que des di érences de structure mineures. Les deux exemples montrent que les données structurelles statiques souvent ne permettent pas d’expliquer le fonctionnement d’un système moléculaire, donc la combinaison de di érentes techniques et le développement de nouvelles méthodes pour étudier les complexes chaperon-substrat sont primordiaux pour comprendre leur fonction. / The diverse group of molecular chaperones is dedicated to accompany, fold and protect other proteins until they reach their final conformation and loca- tion inside the cell. To this end, molecular chaperones need to be specialized in performing specific tasks, like folding, transport or disaggregation, and versatile in their recognition pattern to engage many di erent client pro- teins. Moreover, molecular chaperones need to be able to interact with each other and with other components of the protein quality control system in a complex network. Interactions between the di erent partners in this network and between the substrate and the chaperone are often dynamic processes, which are especially di cult to study using standard structural biology tech- niques. Consequently, structural data on chaperone/substrate complexes are sparse, and the mechanisms of chaperone action are poorly understood. In this thesis I present investigations of the structure, dynamics and substrate- interactions of two molecular chaperones, using various biophysical and in vivo methods.In the first part I show that the mitochondrial membrane protein chap- erone TIM910 binds its substrates in a highly dynamic manner. Not only is the TIM910 complex in constant exchange between monomeric and hex- americ species, but also the bound substrate samples multiple conformations on a millisecond timescale. Based on nuclear magnetic resonance (NMR), small-angle X-ray scattering (SAXS), analytical ultracentrifugation (AUC) and in vivo mutational experiments I propose a structural model of the chap- erone/membrane protein interaction. TIM910 binds its substrates in a hy- drophobic pocket on the exterior of the chaperone in a modular fashion, where the number of TIM910 complexes bound depends on the length of the substrate.In the second part I studied the behavior of the N-terminal receptor do- main of the ClpC1 unfoldase from M.tuberculosis in the presence of di erent antibiotics and ligands. The N-terminal domain of ClpC1 is the binding site for various new antibiotics against M.tuberculosis. The antibiotic cyclomarin completely abolishes dynamics induced by the ligand arginine-phosphate. We propose that this suppression of dynamics is the underlying principle for the mechanism of action of this antibiotic.In both cases X-ray structures of the apo or antibiotic bound form were available, but not su cient to explain the mechanism of action. The X- ray structure of TIM910 provided no evidence on where or how substrates are bound. Likewise, X-ray structures of the apo and cyclomarin-bound N-terminal domain of ClpC1 show only minor di erences in structure.Both examples show that static structural data is often not enough to explain how a molecular system works, and only the combination of di er- ent techniques, including newly developed methods enable the atomic-level understanding of chaperone/substrate complexes.

CCR5 est un récepteur couplé aux protéines G répondant aux CC-chimiokines MIP-1, MIP-1, RANTES et MCP-1. Le récepteur structurellement le plus proche est CCR2b, qui répond à MCP-1. CCR5 est exprimé à la surface des lymphocytes T mémoire, les monocytes, macrophages et cellules dendritiques. Ce récepteur joue un rôle important dans l'établissement des réponses inflammatoires contre les agents pathogènes, mais aussi dans la pathogenèse de maladies inflammatoires chroniques. CCR5 constitue aussi avec CXCR4 un des co-récepteurs qui permettent l'entrée du virus de l'immunodéficience humaine dans ses cellules cibles. CCR5 présente donc un grand intérêt en thérapeutique, et tous les éléments susceptibles de mieux comprendre sa structure, ses mécanismes d'activation ou ses cascades de signalisation sont à même de contribuer au développement d'agents à usage thérapeutique. Deux nouveaux concepts sont apparus dans la littérature au cours des quelques années qui ont précédé le début de notre travail. D'une part, il est apparu que les récepteurs couplés aux protéines G pouvaient interagir directement avec un éventail de partenaires intracellulaires et réguler de cette façon des cascades de signalisation indépendamment des protéines G hétérotrimériques. D'autre part, un nombre croissant de récepteurs se sont révélés capables de former des homodimères et des hétérodimères. Nous avons dès lors appliqué ces deux concepts à l'étude de CCR5. Nous avons donc recherché de nouveaux partenaires de CCR5 par deux approches complémentaires, le double hybride et le « GST-pulldown ». Dans les deux cas, nous nous sommes focalisé sur le domaine C-terminal du récepteur CCR5, d'une part parce que la majorité des interactions mises en évidence pour d'autres récepteurs concernent ce domaine, d'autre part parce que l'extrémité C-terminale de CCR5 est conservée dans l'évolution et comporte différents motifs dont la relevance fonctionnelle a été démontrée. Par ailleurs, nous avons appliqués les techniques d’immunoprécipitation et de BRET pour étudier les phénomènes d’homodimérisation de CCR5, ainsi que son hétérodimérisation avec le récepteur apparenté CCR2b. Les conséquences fonctionnelles de ces interactions ont ensuite été étudiées. Par les techniques de double hybride et de pull-down, nous n’avons pas pu identifier de nouveaux partenaires de CCR5. Seules des interactions non-spécifiques ont pu être mises en évidence. Malgré une recherche intensive menée par d’autres groupes, un seul nouveau partenaire de CCR5 a été décrit entre-temps dans la littérature. Lors des études d'oligomérisation de récepteurs, nous avons mis en évidence la formation d'homodimères de CCR5 et CCR2b par des expériences d’immunoprécipitations et de BRET, ainsi que d'hétérodimères CCR5-CCR2b. Les conséquences fonctionnelles de ces observations sur la liaison de chimiokines, la signalisation et l'internalisation des récepteurs ont été étudiées. Contrairement aux données de la littérature, nous n'avons pas montré de coopérativité positive entre les récepteurs co-exprimés, quant à leur capacité à induire la libération de calcium intracellulaire. Par contre, nous avons mis en évidence une coopérativité négative en termes de liaison de chimiokines. Il apparaît ainsi que chaque dimère ne peut lier qu'une seule chimiokine, et qu'en conséquence, les ligands d'un récepteur peuvent entrer en compétition avec la liaison d'un traceur sur l'autre récepteur au sein d'un hétérodimère. Ces dimères de récepteurs apparaissent cependant comme dissociables, suite à la liaison d'agonistes ou de chimiokines induisant leur internalisation, car aucun phénomène de co-internalisation ne peut être mis en évidence. Ces observations, qui sont originales dans le domaine des récepteurs couplés aux protéines G, peuvent sans doute être généralisées à l'ensemble des récepteurs de chimiokines, voire à d'autres classes de récepteurs. Elles sont importantes pour l'interprétation de la pharmacologie des récepteurs dans leur environnement naturel, et sont susceptibles de développements importants permettant de mieux comprendre la structure des dimères, la dynamique de leur association, et les mécanismes d'activation des récepteurs en général au sein de leur structure dimérique.