La lécithine:rétinol acyltransferase (LRAT) est une enzyme de l'épithélium pigmentaire rétinien (EPR) qui joue un rôle essentiel dans le cycle visuel des rétinoïdes au niveau de l'estérification du rétinol tout-trans en rétinyl ester tout-trans. Plusieurs travaux de caractérisation de cette protéine ont été publiés depuis les 20 dernières années, mais ce n'est que depuis 2003 qu'il est possible d'utiliser une forme tronquée et purifiée de la LRAT qui correspond à sa portion cytosolique (tLRAT) (Bok et al. 2003). Bien que plusieurs mécanismes biochimiques aient été approfondis avec la tLRAT purifiée, très peu d'investigations à propos de sa structure et de son interaction membranaire ont été publiées jusqu'à maintenant. De plus, même si les paramètres enzymatiques de la tLRAT ont été étudiés par différents groupes de recherche, ces travaux ont été effectués avec un protocole expérimental indadéquat conduisant à des niveaux d'activité non-reproductibles d'un article à l'autre. Nous avons donc produit la tLRAT afin d'étudier en profondeur sa structure secondaire, son interaction membranaire et son activité enzymatique. En élaborant un nouveau protocole de recherche pour étudier l'activité enzymatique de la tLRAT, nous avons pu obtenir des niveaux d'activité très élevés et reproductibles. Par surcroît, les méthodes de spectroscopie infrarouge (IR) dichroïsme circulaire électronique et vibrationnel ont permis de déterminer que la tLRAT était constituée d'une structure secondaire majoritairement en hélice alpha. Ensuite, la spectroscopie de réflexion-absorption par modulation de polarisation en IR (PM-IRRAS) a permis de déterminer que la tLRAT interagissait fortement et hydrolysait des monocouches de phospholipides. L'interaction entre la tLRAT et différents types de lipides retrouvés dans les membranes de l'EPR a également été caractérisée avec la méthode des monocouches de Langmuir par la détermination de la pression d'insertion maximale (PIM). Cette méthode a permis de déterminer que la tLRAT s'adsorbait spontanément aux monocouches de lipides à des pressions de surface au-delà la pression latérale des membranes biologiques. Les deux segments hydrophobes en N- et C-terminal de la LRAT qui n'ont pas été surexprimés dans la tLRAT ont été synthétisés afin de les étudier en PM-IRRAS. Ces expériences ont permis de démontrer qu'ils interagissaient fortement avec les monocouches de lipide et qu'ils adoptaient une structure en hélice alpha. Enfin, le mutant S175R responsable de la rétinite pigmentaire a été produit afin de comprendre les impacts moléculaires de cette mutation. La méthode des monocouches de Langmuir et le dichroïsme circulaire ont permis de démontrer que son interaction membranaire et sa structure secondaire n'étaient pas modifiés en comparaison à la forme sauvage de la tLRAT. Cependant, comme son activité enzymatique est absente, il a été conclu que l'entrée du substrat dans le site actif devait être compromise par la mutation de la serine en arginine.

Cette étude est consacrée à l'analyse des propriétés électrostatiques et structurales des protéines diffractant à haute résolution. Les travaux se déclinent en deux aspects principaux qui sont, d'une part, l'analyse d'un point de vue fondamental des propriétés dérivées de leur distribution de charge des structures des protéines, et, d'autre part, l'application pratique des méthodes de la cristallographie haute résolution des macromolécules à deux enzymes.Grâce à une analyse structurale et électrostatique de la protéine PfluDING, le mode de fixation du phosphate a été mis en évidence à deux pH différents. En particulier, cette étude a permis de démontrer la présence d'une liaison hydrogène diffuse assurant un mode de fixation identique quelque soit le pH. La seconde enzyme étudiée est la protéine DFPase, capable de dégrader les organophosphorés. La structure de la DFPase obtenue par diffraction X haute résolution et la structure affinée contre des données neutroniques ont été comparées. L'analyse pointe les différences d'interprétation des deux modèles, et permet de proposer un nouveau mécanisme d'action.Les aspects plus fondamentaux de cette étude portent sur les éléments de structure secondaire des protéines : leurs propriétés électrostatiques en termes de moments électriques (moments dipolaires et quadripolaires des hélices et des feuillets), et le réseau des interactions (dont les liaisons H) assurant la cohésion des hélices ont été analysés. Il a été démontré comment certaines interactions entre liaisons peptidiques au sein d'hélices, classiquement représentées comme des liaisons hydrogène, devaient être considérés comme des contacts purement électrostatiques / This study is about the electrostatic and structural properties of proteins diffracting at high X-ray resolution. Two different aspects are tackled which are 1) the analysis of properties derived from their charge distribution, parting from a fundamental point of view and 2) the application of methods used in high resolution macromolecular crystallography to two enzymes of major interest.After the analysis of the structure and electrostatic properties of PfluDING protein, the binding mode of a phosphate ion, located in the active site, was elucidated at two different pH values. Particularly, this study demonstrates that a diffuse hydrogen bond assures the protonation state of the phosphate ion, which is thus identical at each pH value. The second enzyme studied is the proteine DFPase which is capable of hydrolysing nerve agents. A high resolution X-ray structure and a medium resolution neutron structure where compared. The analysis points out the differences between the two models and a new catalytic mechanism could be proposed.The more fundamental aspects of this study are about the secondary structural elements of proteins: their electrostatic properties in terms of electrostatic moments (dipole and quadrupole moments of helices and sheets) as well as the hydrogen bond network assuring the cohesion of helices have been analyzed. It has been shown that certain interactions between peptide units within helices, represented usually as hydrogen bonds, should actually be considered as pure electrostatic contacts

La soie d'araignée naturelle est un biomatériau aux propriétés mécaniques exceptionnelles. Elle combine extensibilité et résistance, ce qui la rend supérieure à beaucoup d'autres fibres synthétiques déjà existantes. Puisqu'il est difficile de faire l'élevage des araignées, les biologistes moléculaires ont contourné cette difficulté, en isolant les gènes codant les protéines de soie d'araignée (MaSpI et MaSplI) et en les insérant dans des organismes vivants. Le nouveau défi est de réussir à fabriquer une fibre aussi résistante et extensible que la soie naturelle. La compagnie Nexia Biotechnologies Inc. a réussi l'exploit d'insérer les gènes dans les cellules mammaires de chèvres, d'isoler les protéines de soie d'araignée des autres composantes du lait et de fabriquer des fibres régénérées. En collaboration avec cette compagnie, nous avons étudié par spectromicroscopie Raman la conformation et l'orientation des protéines de soie de fibres régénérées fabriquées industriellement. Nous avons comparé ces résultats avec la soie d'araignée naturelle. L'orientation et la conformation des fibres régénérées sont comparables à la soie naturelle, mais les propriétés mécaniques de ces fibres ne sont pas aussi bonnes. La deuxième partie du projet consistait à étudier l'auto-assemblage des protéines MaSpI et MaSplI produites par Nexia Biotechnologies Inc. à l'interface air-eau en utilisant la technique des films de Langmuir. La microscopie à angle de Brewster (BAM) nous a permis d'étudier la morphologie des films. Nous avons aussi étudié la structure et l'orientation moléculaire des protéines dans les films in situ à l'aide de la spectroscopie infrarouge de réflexion absorption avec modulation de polarisation (PM-IRRAS). Afin de vérifier ces résultats, nous avons transféré les films sur un substrat de germanium, ce qui nous a permis d'utiliser la spectroscopie infrarouge à réflexion totale atténuée (ATR) pour étudier la conformation des protéines et de calculer l'orientation des feuillets fi et des hélices a. Les résultats ont montré que les deux protéines forment des feuillets (3, même à très faible pression de surface. Cependant, lors de la compression des films, les deux protéines se comportent différemment : le pourcentage de feuillets (3 augmente pour la protéine MaSpI alors que pour la protéine MaSplI, il y a une augmentation de la structure en hélice a et une diminution du contenu en feuillet p\

Cette thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre de l’étude in silico des relations qui lient la séquence d’une protéine à sa structure, sa stabilité et sa fonction. Elle a pour objectif de permettre à terme la conception rationnelle de protéines modifiées qui restent actives dans des conditions physico chimiques non physiologiques. Nous nous sommes plus particulièrement penchés sur la stabilité thermique des protéines, qui est définie par leur température de fusion Tm au delà de laquelle leur structure n’est thermodynamiquement plus stable. Notre travail s’articule en trois grandes parties :la recherche de facteurs favorisant la thermostabilité des protéines parmi des familles de protéines homologues, la mise sur pied d’une base de données de protéines de structure et de Tm déterminées expérimentalement, de laquelle sont dérivés des potentiels statistiques dépendant de la température, et enfin la mise au point de deux outils bioinformatiques visant à prédire d’une part la Tm d’une protéine à partir de la Tm de protéines homologues et d’autre part les changements de thermostabilité d’une protéine (Tm) engendrés par l’introduction d’une mutation ponctuelle.<p><p>La première partie a pour objectif l’identification des facteurs de séquence et de structure (e.g. fréquence de ponts salins, d’interactions cation-{pi}) responsables des différentes stabilités thermiques de protéines homologues au sein de huit familles (chapitre 2). La spécificité de chaque famille ne nous a pas permis de généraliser l’impact de ces différents facteurs sur la stabilité thermique des protéines. Cependant, cette approche nous a permis de constater la multitude de stratégies différentes suivies par les protéines pour atteindre une plus grande thermostabilité.<p><p>La deuxième partie concerne le développement d’une approche originale pour évaluer l’influence de la température sur la contribution de différents types d’interactions à l’énergie libre de repliement des protéines (chapitres 3 et 4). Cette approche repose sur la dérivation de potentiels statistiques à partir d’ensembles de protéines de thermostabilité moyenne distincte. Nous avons d’une part collecté le plus grand nombre possible de protéines de structure et de Tm déterminées expérimentalement, et d’autre part développé des potentiels tenant compte de l’adaptation des protéines aux températures extrêmes au cours de leur évolution. Cette méthode originale a mis en évidence la dépendance en la température d’interactions protéiques tels les ponts salins, les interactions cation-{pi}, certains empilements hydrophobes .Elle nous a en outre permis de mettre le doigt sur l’importance de considérer la dépendance en la température non seulement des interactions attractives mais également des interactions répulsives, ainsi que sur l’importance de décrire la résistance thermique par la Tm plutôt que la Tenv, température de l’environnement de l’organisme dont elle provient (chapitre 5).<p><p>La dernière partie de cette thèse concerne l’utilisation des profils énergétiques dans un but prédictif. Tout d’abord, nous avons développé un logiciel bioinformatique pour prédire la thermostabilité d’une protéine sur la base de la thermostabilité de protéines homologues. Cet outil s’est avéré prometteur après l’avoir testé sur huit familles de protéines homologues. Nous avons également développé un deuxième outil bioinformatique pour prédire les changements de thermostabilité d’une protéine engendrés par l’introduction d’une mutation ponctuelle, en s’inspirant d’un logiciel de prédiction des changements de stabilité thermodynamique des protéines développé au sein de notre équipe de recherche. Ce deuxième algorithme de prédiction repose sur le développement d’une grande base de données de mutants caractérisés expérimentalement, d’une combinaison linéaire de potentiels pour évaluer la Tm, et d’un réseau de neurones pour identifier les coefficients de la combinaison. Les prédictions générées par notre logiciel ont été comparées à celles obtenues via la corrélation qui existe entre stabilités thermique et thermodynamique, et se sont avérées plus fiables.<p><p>Les travaux décrits dans notre thèse, et en particulier le développement de potentiels statistiques dépendant de la température, constituent une nouvelle approche très prometteuse pour comprendre et prédire la thermostabilité des protéines. En outre, nos travaux de recherche ont permis de développer une méthodologie qui pourra être adaptée à l’étude et à la prédiction d’autres propriétés physico chimiques des protéines comme leur solubilité, leur stabilité vis à vis de l’acidité, de la pression, de la salinité .lorsque suffisamment de données expérimentales seront disponibles.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Molecular Biology has allowed the characterization and manipulation of the molecules of life in the wet lab. Also the structures of those macromolecules are being continuously elucidated. During the last decades of the past century, there was an increasing interest to study how the different genes are organized into different organisms (‘genomes’) and how those genes are expressed into proteins to achieve their functions. Currently the sequences for many genes over several genomes have been determined. In parallel, the efforts to have the structure of the proteins coded by those genes go on. However it is experimentally much harder to obtain the structure of a protein, rather than just its sequence. For this reason, the number of protein structures available in databases is an order of magnitude or so lower than protein sequences. Furthermore, in order to understand how living organisms work at molecular level we need the information about the interaction of those proteins. Elucidating the structure of protein macromolecular assemblies is still more difficult. To that end, the use of computers to predict the structure of these complexes has gained interest over the last decades.<p>The main subject of this thesis is the evaluation of current available computational methods to predict protein – protein interactions and build an atomic model of the complex. The core of the thesis is the evaluation protocol I have developed at Service de Conformation des Macromolécules Biologiques et de Bioinformatique, Université Libre de Bruxelles, and its computer implementation. This method has been massively used to evaluate the results on blind protein – protein interaction prediction in the context of the world-wide experiment CAPRI, which have been thoroughly reviewed in several publications [1-3]. In this experiment the structure of a protein complex (‘the target’) had to be modeled starting from the coordinates of the isolated molecules, prior to the release of the structure of the complex (this is commonly referred as ‘docking’).<p>The assessment protocol let us compute some parameters to rank docking models according to their quality, into 3 main categories: ‘Highly Accurate’, ‘Medium Accurate’, ‘Acceptable’ and ‘Incorrect’. The efficiency of our evaluation and ranking is clearly shown, even for borderline cases between categories. The correlation of the ranking parameters is analyzed further. In the same section where the evaluation protocol is presented, the ranking participants give to their predictions is also studied, since often, good solutions are not easily recognized among the pool of computer generated decoys.<p>An overview of the CAPRI results made per target structure and per participant regarding the computational method they used and the difficulty of the complex. Also in CAPRI there is a new ongoing experiment about scoring previously and anonymously generated models by other participants (the ‘Scoring’ experiment). Its promising results are also analyzed, in respect of the original CAPRI experiment. The Scoring experiment was a step towards the use of combine methods to predict the structure of protein – protein complexes. We discuss here its possible application to predict the structure of protein complexes, from a clustering study on the different results.<p>In the last chapter of the thesis, I present the preliminary results of an ongoing study on the conformational changes in protein structures upon complexation, as those rearrangements pose serious limitations to current computational methods predicting the structure protein complexes. Protein structures are classified according to the magnitude of its conformational re-arrangement and the involvement of interfaces and particular secondary structure elements is discussed. At the end of the chapter, some guidelines and future work is proposed to complete the survey. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished