Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Un mécanisme évolutif très important pour l'acquisition de nouvelles fonctions protéiques est la duplication génique. Les protéines paralogues résultantes subissent une divergence fonctionnelle permettant à leur gène d'être retenus dans le génome. Les événements de duplication étant à l'origine de l'expansion de la famille des domaines SH3, une compréhension de la divergence des propriétés de liaison de ceux-ci sur les protéines paralogues est essentielle pour saisir leur implication dans diverses fonctions cellulaires. La liaison des domaines SH3 peut être très spécifique ou elle peut reconnaître des groupes canoniques de peptides riches en proline. Ainsi, l'objectif de ce projet de maîtrise est d'améliorer notre compréhension sur l'évolution des propriétés de liaison des domaines SH3 portés par des paralogues. En utilisant des données sur les interactions physiques entre les protéines in vivo, nous avons établi que les domaines SH3 des myosines de type I de Saccharomyces cerevisiae, un organisme modèle, montraient une divergence fonctionnelle. Puis, les domaines SH3 ont été échangés entre les paralogues et les domaines ancestraux pré-duplications ont été insérés dans les paralogues. Cette expérience a révélé que le domaine SH3 présent au moment de la duplication montre le même profil d'interaction que les SH3 existants, mais que les SH3 plus anciens perdent graduellement leurs interactions. Ensuite, l'arrimage moléculaire des SH3s avec leurs peptides de liaison prédits ainsi que la caractérisation des interactions des SH3s libres montrent que l'affinité ne diminue pas avec le domaine ancestral. Ces résultats sont confirmés par le patron de PPIs des domaines SH3 libre de contexte protéique. Cela a permis de déterminer que la propriété de liaison n'est pas le facteur principal qui influence sur les interactions des domaines SH3 présent sur des paralogues, mais que c'est leur protéine hôte. Nos résultats s'accordent avec la recherche récente qui suggère que les domaines protéiques ne sont pas des éléments isolés dans une protéine, contrairement à la croyance répandue. / A very important evolutionary mechanism for the acquisition of new protein functions is gene duplication. The resulting paralogous proteins undergo functional divergence allowing them to be retained in the genome. Since duplication events are responsible for the expansion of the SH3 domain family, an understanding of the divergence of the binding properties of SH3 domains on paralogous proteins is essential to grasp their involvement in various cellular functions. The binding of SH3 domains can be very specific or it can recognize canonical groups of proline-rich peptides. The objective of this master project is to improve our understanding of the evolution of the binding properties of SH3 domains carried by paralogs. Using data on physical interactions between proteins in vivo, we established that the SH3 domains of the type I myosins from Saccharomyces cerevisiae, a model organism, show functional divergence. Then, the SH3 domains were exchanged between paralogs and the pre-duplication ancestral domains were inserted into the paralogs. This experiment showed that the SH3 domain at the time of duplication displays the same interaction profile as the extant SH3s, but, as the SH3s get older, they gradually lose their interactions. Next, molecular docking of the SH3s with their predicted binding peptides and characterization of the free SH3s PPIs shows that the affinity does not decrease with the ancestral domain. Those results are confirmed by the PPI network of the SH3 domains free of a protein context. These experiments determined that the host protein is the primary factor influencing paralogous SH3 domain interactions instead of the SH3 binding preferences. Our results are consistent with recent research suggesting that protein domains are not isolated elements in a protein, contrary to popular belief.

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.

Les protéines RGS (Regulator of G-protein Signaling) sont des inhibiteurs des voies de signalisation des protéines G. RGS4 atténue l’activité de protéines G dans plusieurs tissus tel que la diminution de son activité peut accroître la sévérité de la bradycardie, cardiomyopathies liées au diabète, l’invasion de cellule cancéreuse du sein, résistance à l’insuline et intolérance au glucose. RGS4 a été localisé à la membrane plasmique ainsi que dans des compartiments intracellulaires, cependant, son mode de trafique intracellulaire reste méconnu. En utilisant des outils de microscopie confocale sur cellules vivantes et méthode de détection d’activité des voies de signalisation conditionnée par les protéines G, nous avons caractérisé l’importance de deux sites de palmitoylation, ces deux sites : Cys2 et Cys12 montrent des intérêts complémentaires dans le trafic de RGS4 vers la membrane cellulaire. Dans un axe linéaire, nous avons identifié DHHC3 et 7, deux enzymes de palmitoylation participant au trafique intracellulaire de RGS4 et donc à la maximalisation de son activité inhibitrice des voies de signalisation contrôlées par Galphaq. Enfin des marqueurs de membranes endosomales, les protéines rab ont permis de caractériser les voies de trafic intracellulaire empruntée par RGS4, par exemple RGS4 est internalisé de la membrane plasmique par Rab5 et recyclé à la membrane cellulaire par Rab11. L’activation ou inhibition de Rab5 et 11 ont permis d’observer des changements d’activité de RGS4. Ces travaux confèrent une base de données pour des études ultérieures visant à développer des stratégies thérapeutiques à accroître les fonctionnalités de RGS4. / RGS proteins (Regulator of G-protein Signaling) are potent inhibitors of heterotrimeric G-protein signaling. RGS4 attenuates G-protein activity in several tissues such that loss of its function may lead to bradycardia, diabetic cardiomyopathy, breast cancer cell invasion, insulin resistance and glucose intolerance. RGS4 has been localized to both plasma membrane and intracellular pools, however, the nature of its intracellular trafficking remains to be elucidated. G-protein inhibition requires the presence of RGS4 at the plasma membrane. In this work, we characterized the complementary roles of two putative palmitoylation sites on RGS4 to target intracellular compartments and plasma membrane. We identified palmitoylation on Cys2 and 12 respectively important for RGS4 endosomal targeting and plasma membrane localization, when mutations were introduced to the palmitoylation sites, RGS4 capability of inhibiting Gq-mediated signaling was impaired. As a continuum we identified two palmitoylating enzymes, DHHC3 and 7 as modulator of RGS4 localization and function. Knock downs of DHHC3 and 7 impaired RGS4 endosomal and plasma membrane targeting and capability of inhibiting M1-muscarinic receptor signaling. Finally we used live cell confocal microscopy to define RGS4 intracellular trafficking routes. Specifically Rab5 mediated RGS4 trafficking from the plasma membrane to intracellular compartments while Rab11 mediated RGS4 trafficking to the plasma membrane. Activation and inhibition of Rab5 and 11 routes impaired RGS4 capability of inhibiting M1-muscarinic receptor signaling pathway. These novel findings provide a strong rationale for future studies aimed at developing new strategies to increase the function of RGS4.

Peu de données sont connues à savoir comment des protéines méiotiques régulent la recombinaison homologue de façon biochimique. Lors d'études effectuées chez l'humain, il a été démontré que hRad51 se comporte sensiblement comme le fait son homologue bactérien, RecA. Malgré que hDmc1 possède une séquence d'acides aminés possédant 52% d'identité à celle de hRad51, ses caractéristiques et ses capacités sont différentes. Afin d'étudier si cette disparité est conservée chez l'organisme Schizosaccharomyces pombe nous avons purifié et étudié biochimiquement la protéine Dmc1 de cet organisme. Nous montrons que spDmc1 lie préférentiellement l'ADN simple brin et protubérant à l'ADN double brin, une propriété similaire à son homologue bactérien RecA. SpDmc1 purifiée est capable de catalyser des réactions d'échange de brins, telles que rencontrées durant la recombinaison homologue. Contrairement à la protéine humaine, spDmc1 a la capacité de lier l'ADN et d'y former un filament hélicoïdal, la signature des recombinases classiques.

La présente étude avait pour but d'étudier la HE4 humaine, une protéine faisant partie de la famille des protéines à motif Whey Acidic Protein (WAP) et normalement retrouvée dans différents tissus incluant le poumon, et n'ayant aucune fonction connue, afin d'établir son rôle physiologique. Pour ce faire, la HE4 a été comparée à la pré-élafine et au Secretory leucocyte proteinase inhibitor (SLPI), deux protéines structuralement semblables à la HE4 et ayant des activités anti-protéolytique, anti-inflammatoire, anti-microbienne et une implication dans le contrôle de la prolifération cellulaire. Les résultats obtenus démontrent que, si la HE4 est un inhibiteur de protéases, son profil d'inhibition est différent de celui du SLPI et de la pré-élafine, et que HE4 n'a aucun effet sur la production de cytokines pro-inflammatoires de base et induite par des LPS chez des cellules épithéliales alvéolaires et bronchiques. Cependant, la HE4 semble posséder une fonction antiproliférative puisqu'elle induit une diminution dose dépendante de la prolifération cellulaire des mêmes lignées de cellules épithéliales pulmonaires.

La vision est rendue possible grâce à la conversion du signal lumineux en un signal électrique par la cascade de phototransduction visuelle, qui implique plusieurs protéines incluant la phosphodiestérase (PDE). L’inactivation des différentes protéines de la phototransduction est primordiale pour que les photorécepteurs retrouvent leur sensibilité aux changements d’intensité lumineuse. Au cours de ce processus, un complexe de protéines incluant la R9AP (RGS9-1 Anchor Protein) inactive la PDE. La R9AP permet l’ancrage d’un complexe protéique à la membrane des disques des photorécepteurs via son segment C-terminal hydrophobe. Des mutations au niveau de la séquence de la R9AP mènent à une maladie appelée bradyopsie qui se caractérise notamment par une photophobie et une difficulté à suivre des objets en mouvement. Cette maladie peut être causée par la perte de la liaison membranaire de la R9AP en raison de mutations menant à une modification de la séquence en acides aminés de son segment C-terminal. La liaison membranaire de la R9AP joue donc un rôle majeur dans l’inactivation de la PDE. Par contre, aucune donnée de liaison membranaire et structurale n’est disponible pour cette protéine. Nous avons donc initié la caractérisation de la structure et de la liaison membranaire de différentes formes de la R9AP, soit la protéine avec et sans son segment C-terminal (∆TM, R9AP∆TM) ainsi que le segment C-terminal seul. Afin d’obtenir la R9AP pure, nous avons cloné, surexprimé et purifié la R9AP∆TM en fusion avec différentes étiquettes de solubilisation/purification. Les protéines recombinantes ont été produites à l’aide d’un système d’expression bactérien. En plus de permettre d’obtenir la R9AP pure pour caractériser sa structure et sa liaison membranaire, ces travaux ont significativement contribué à faire avancer les connaissances à propos de l’utilisation des étiquettes de purification/solubilisation en fusion avec une protéine d’intérêt. En effet, nous avons effectué une étude systématique pour étudier l’impact de la conception des protéines de fusion sur la solubilité, l’expression et la purification de protéine d’intérêt. Il s’agit de la première étude systématique évaluant l’effet du positionnement et de l’identité des différentes étiquettes de purification/solubilisation sur ces paramètres. Également, la production des protéines recombinantes a permis d’identifier un site alternatif d’initiation de la traduction dans la séquence de l’étiquette GST (glutathione S-transférase) qui cause l’expression d’une protéine de fusion tronquée. Cette observation aura certainement un fort impact compte tenu de l’utilisation répandue de l’étiquette GST. Concernant les résultats obtenus avec la R9AP, des données de centrifugation ont montré que la protéine complète est beaucoup moins soluble que la R9AP∆TM, ce qui suggère un rôle important du segment C-terminal hydrophobe dans la solubilité de cette protéine. Ainsi, seulement la structure et la liaison membranaire de la R9AP∆TM ont pu être investiguées dans le cadre de cette thèse. Des mesures par dichroïsme circulaire et spectroscopie infrarouge ont montré que la R9AP∆TM ainsi que le peptide C-terminal sont majoritairement constitués d’hélices alpha, ce qui appuie les prédictions structurales de cette protéine et un rôle d’ancrage membranaire de son segment C-terminal. Également, les mesures de liaison membranaire à l’aide des monocouches de Langmuir ont montré que ce segment C-terminal seul possède une forte affinité pour la majorité des phospholipides qui sont représentatifs de la composition lipidique des photorécepteurs. En revanche, la R9AP sans son segment transmembranaire a montré une faible affinité pour la majorité de ces phospholipides. Ainsi, nos travaux suggèrent fortement que la spécificité de liaison membranaire de la R9AP est en majorité dictée par son segment C-terminal, ce qui supporte son rôle important dans l’ancrage du complexe protéique aux membranes des disques des photorécepteurs et dans la bradyopsie. / Visual phototransduction involves many proteins including phosphodiesterase, which leads to photoreceptor hyperpolarization and then signal transmission to the brain. Inactivation of the different proteins involved in this process is essential such that photoreceptors remain sensitive to changes in light intensity. In the course of this inactivation, a protein complex including R9AP (RGS9-1 Anchor Protein) inactivates phosphodiesterase (PDE). R9AP anchors a protein complex to disk membranes of the photoreceptor outer segments most likely by use of its C-terminal hydrophobic domain. Mutations in the coding sequence of R9AP lead to a visual disease called bradyopsia, which results in problems with adjusting to light variations and difficulties to follow moving objects. This disease can be caused by the loss of the membrane binding of R9AP as a result of mutations that modify the amino acid sequence of its C-terminal domain. Membrane binding of R9AP thus plays a major role in the inactivation process of PDE. However, membrane binding and structural data are still lacking for this particular protein. We have thus initiated the characterization of the structure and membrane binding of R9AP, including the fulllength protein, R9AP without its C-terminal domain (R9AP∆TM), as well as its Cterminal domain alone. In order to get pure R9AP, we have cloned, overexpressed and purified R9AP∆TM in fusion with solubility-enhancing/purification tags. Recombinant proteins were expressed using a bacterial expression system. This study allowed us to develop a procedure to obtain pure R9AP∆TM as well as to significantly improve our understanding of the use of fusion proteins. Indeed, we have performed a systematic analysis of the impact of the design of fusion proteins on their solubility, expression and purification. This study was the first one to evaluate the effect of both the identity and the position of the tags on the solubility, expression and purification of proteins of interest. Also, the production of R9AP∆TM recombinant proteins allowed us to identify an alternative translation initiation site in the coding sequence of the GST (glutathione S-transferase) tag, which results in the expression of a truncated fusion protein. This finding will certainly have an important impact when considering the extensive use of the GST tag. Results have shown that the R9AP∆TM protein is much more soluble than the fulllength protein, which suggests a major role of the C-terminal domain of R9AP for its solubility. Thus, the structure and the membrane binding of R9AP∆TM have been investigated within the scope of this thesis. Infrared spectroscopy as well as circular dichroism measurements have allowed determining that R9AP∆TM as well as the C-terminal domain adopt an alpha-helical structure, which is in good agreement with both the predicted structure of R9AP and the transmembrane role of its C-terminal domain. Also, Langmuir monolayer measurements revealed that the C-terminal segment has a high affinity for most of the phospholipids found in photoreceptor membranes. In contrast, R9AP∆TM has a low affinity for these phospholipids. Thus, our results demonstrate that the membrane binding of R9AP is highly dependent on its C-terminal segment, which is consistent with its important role in anchoring the protein complex to disk membranes of the photoreceptor outer segments and in bradyopsia.