L'auxine est une hormone végétale qui coordonne plusieurs processus de développement des plantes à travers la régulation d'un ensemble spécifique de gènes. Les Auxin Response Factors (ARF) sont des régulateurs transcriptionnels qui modulent l'expression de gènes de réponse à l’auxine. Des données récentes montrent que les membres de la famille des ARF sont impliqués dans la régulation du développement des fruits de la nouaison à la maturation. L'objectif principal de la thèse est d’étudier la part qui revient aux ARF dans le contrôle du développement et de la maturation des fruits et d’en comprendre les mécanismes d’action. L’analyse des données d’expression disponibles dans les bases de données a révélé que, parmi tous les ARF de tomates, SlARF2 affiche le plu haut niveau d'expression dans le fruit avec un profil distinctif d’expression associé à la maturation. Nous avons alors entrepris la caractérisation fonctionnelle de SlARF2 afin d’explorer son rôle dans le développement et la maturation des fruits. Deux paralogues, SlARF2A et SlARF2B, ont été identifiés dans le génome de la tomate. Nous avons montré que l’expression de SlARF2A dans le fruit est régulée par l'éthylène tandis que celle de SlARF2B est induite par l'auxine. La sous-expression de SlARF2A, comme celle de SlARF2B, entraine un retard de maturation alors que l’inhibition simultanée des deux paralogues conduit à une inhibition plus sévère de la maturation suggérant une redondance fonctionnelle entre les deux paralogues lors de la maturation des fruits. Les fruits présentant une sous-expression des gènes SlARF2 produisent de faibles quantités d'éthylène, montrent une faible accumulation de pigments et une plus grande fermeté. Le traitement avec de l'éthylène exogène ne peut pas inverser les phénotypes de défaut de maturation suggérant que SlARF2 pourrait agir en aval de la voie de signalisation de l'éthylène. L'expression des gènes clés de biosynthèse et de signalisation de l'éthylène est fortement perturbée dans les lignées sous-exprimant SlARF2 et les gènes majeurs qui contrôlent le processus de maturation (RIN, CNR, NOR, TAGL1) sont sensiblement sous-régulés. Les données suggèrent que SlARF2 est essentiel pour la maturation des fruits et qu’il pourrait agir au croisement des voies de signalisation de l'auxine et de l'éthylène. Dans le but de mieux comprendre les mécanismes moléculaires par lesquels les ARF régulent l'expression des gènes de réponse à l'auxine, nous avons étudié l'interaction des SlARFs avec des partenaires protéiques ciblés, principalement les co-répresseurs de type Aux/IAA et Topless (TPL) décrits comme les acteurs clés dans la répression des gènes dépendant de la signalisation auxinique. Une fois les gènes codant pour les membres de la famille TPL de tomate isolés, une approche double hybride dans la levure a permis d’établir des cartes exhaustives d'interactions protéine-protéine entre les membres des ARFs et des Aux/IAA d’une part et les ARFs et les TPL d’autre part. L'étude a révélé que les Aux/IAA interagissent préférentiellement avec les SlARF activateurs et qu’à l’inverse les Sl-TPL interagissent uniquement avec les SlARF répresseurs. Les données favorisent l'hypothèse que les ARF activateurs recrutent les Sl-TPL via leur interaction avec les Aux/IAA, tandis que les ARF répresseurs peuvent interagir directement avec les Sl-TPL. Les études d’interactions ont permis également d’identifier de nouveaux partenaires comme les protéines VRN5 et LHP1, composantes des complexes Polycomb PRC impliqués dans la repression par voie épigénétique de la transcription par modification de l'état de méthylation des histones. Au total, le travail de thèse apporte un nouvel éclairage sur le rôle et les mécanismes d'action des ARF et identifie SlARF2 comme un nouvel élément du réseau de régulation contrôlant le processus de maturation des fruits chez la tomate. / The plant hormone auxin coordinates plant development through the regulation of a specific set of auxin-regulated genes and Auxin Response Factors (ARFs) are transcriptional regulators modulating the expression of auxin-response genes. Recent data demonstrated that members of this gene family are able to regulate fruit set and fruit ripening. ARFs are known to act in concert with Aux/IAA to control auxin-dependent transcriptional activity of target genes. However, little is known about other partners of ARFs. The main objective of the thesis research project was to gain more insight on the involvement of ARFs in fruit development and ripening and to uncover their interaction with other protein partners beside Aux/IAAs. Mining the tomato expression databases publicly available revealed that among all tomato ARFs, SlARF2 displays the highest expression levels in fruit with a marked ripening-associated pattern of expression. This prompted us to uncover the physiological significance of SlARF2 and in particular to investigate its role in fruit development and ripening. Two paralogs, SlARF2A and SlARF2B, were identified in the tomato genome and transactivation assay in a single cell system revealed that the two SlARF2 proteins are nuclear localized and act as repressors of auxin-responsive genes. In fruit tissues, SlARF2A is ethylene-regulated while SlARF2B is auxin-induced. Knock-down of SlARF2A or SlARF2B results in altered ripening with spiky fruit phenotype, whereas simultaneous down-regulation of SlARF2A and SlARF2B leads to more severe ripening inhibition suggesting a functional redundancy among the two SlARF2 paralogs during fruit ripening. Double knock-down fruits produce less climacteric ethylene and show delayed pigment accumulation and higher firmness. Exogenous ethylene treatment cannot reverse the ripening defect phenotypes suggesting that SlARF2 may act downstream of ethylene signaling. The expression of key ethylene biosynthesis and signaling genes is dramatically disturbed in SlARF2 down-regulated fruit and major regulators of the ripening process, like RIN, CNR, NOR, TAGL1, are under-expressed. The data support the notion that SlARF2 is instrumental to fruit ripening and may act at the crossroads of auxin and ethylene signaling. Altogether, while ethylene is known as a key hormone of climacteric fruit ripening, the ripening phenotypes associated with SlARF2 down-regulation bring unprecedented evidence supporting the role of auxin in the control of this developmental process. To further extend our knowledge of the molecular mechanism by which ARFs regulate the expression of auxin-responsive genes we sought to investigate interactions SlARF and putative partners, mainly Aux/IAAs and Topless co-reppressors (TPLs) reported to be key players in gene repression dependent on auxin signaling. To this end, genes encoding all members of the tomato TPL family were isolated and using a yeast-two-hybrid approach comprehensive protein-protein interaction maps were constructed. The study revealed that Aux/IAA interact preferentially with activator SlARFs while Sl-TPLs interact only with repressor SlARFs. The data support the hypothesis that activator ARFs recruit Sl-TPLs co-repressors via Aux/IAAs as intermediates, while repressor ARFs can physically interact with Sl-TPLs. Further investigation indicated that SlARFs and Sl-TPLs can interact with polycomb complex PRC1 PRC2 components, VRN5 and LHP1, known to be essential players of epigenetic repression of gene transcription through the modification of histones methylation status. These data establish a potential link between ARFs and epigenetic regulation and thereby open new and original perspectives in understanding the mode of action of ARFs. Altogether, the thesis work provides new insight on the role of ARFs and their underlying action mechanisms, and defines SlARF2 as a new component of the regulatory network controlling the ripening process in tomato.

Zahlreiche pathogene „missense“-Mutation, die verhindern, dass Proteine korrekt gefaltet werden, befinden sich in geordneten Regionen von Proteinen. Andere krankheitsrelevante Mutationen befinden sich in ungeordneten Regionen und beeinflussen somit nur begrenzt die Funktionalität, zum Beispiel durch Veränderungen kurzer linearer Sequenzmotive, die Protein-Protein Interaktionen vermitteln. In dieser Arbeit wird ein peptidbasierter Interaktionsscreen präsentiert mit dem sich Veränderungen im Interaktom identifizieren lassen. Synthetische Peptide von wild-typ und zugehörigen mutierten Proteinregionen ermöglichen die gleichzeitige Untersuchung von mehr als hundert Mutationen mittels Massenspektrometrie. Mehr als ein Drittel aller getesteten Mutationen hatten veränderte Interaktionen zur Folge. Darunter befanden sich auch drei Prolin zu Leucin Mutationen in zytosolischen Regionen von Transmembranproteinen, die zusammen mit dem benachbarten Leucin einem Dileucinmotiv ergeben und dadurch verstärkt mit Clathrin interagieren. Dieses Motiv wurde bereits mit Clathrin-vermittelter Endozytose in Verbindung gebracht. Die hinzugewonnene Endozytose könnte Krankheitsmechanismen erklären, da die Mislokalisation der betroffenen Transmembranproteine zum effektiven Verlust derer Funktion führen würde. Diese Hypothese wurde hier von verschiedenen in vitro und in vivo Experimenten bezüglich der P485L Mutation im Glukose Transporter-1 (GLUT1), die das GLUT1-Defizit-Syndrom hervorruft, bestätigt. Weitere Evidenz wurde außerdem für die Funktionalität anderer mutationsbedingter Dileucinmotive gewonnen. Die systematische Analyse von pathogenen Mutationen hat gezeigt, dass Dileucinmotive signifikant und spezifisch in ungeordneten zytosolischen Regionen von Transmembranproteinen überrepräsentiert sind. Dieser Peptidescreen macht das Potenzial unvoreingenommener Analysen zur Aufklärung von Krankheitsmechanismen deutlich, die von Veränderungen in Protein-Protein Interaktionen hervorgerufen werden. / Many disease-associated missense mutations prevent proteins from folding correctly and lead to loss-of-function. These mutations are often found in ordered regions of proteins. Another class of disease-related missense mutations can be found in disordered regions. These are thought to impair only specific parts of a protein’s functions. Those mutations could modify short linear motifs that mediate protein-protein interactions. Here, we designed a peptide-based interaction screen to identify interactions that are affected by mutations in disordered regions. We used synthetic peptides corresponding to the wild type and mutated protein regions spotted on cellulose membrane to pull-down interaction partners. This setup allows for the screening of more than hundred mutations at a time via mass spectrometry. Here, we focused on mutations implicated in neurological diseases. More than one-third of tested variant pairs show differential interactions. Three disease-related proline to leucine mutations in cytosolic tails of transmembrane proteins lead to gain of a dileucine sequence. Several dileucine-containing peptide motifs are involved in clathrin-mediated endocytosis (CME). Also in the presented screen, the newly created motifs mediate interaction with the CME machinery. This could explain the disease mechanisms since mislocalization of the affected transmembrane proteins would lead to their loss of function. This hypothesis has been corroborated for glucose transporter-1 (GLUT1) P485L, causing GLUT1 deficiency syndrome. We were able to provide functional evidence also for additional gained dileucine motifs. A systematic analysis of pathogenic mutations revealed dileucine motifs to be overrepresented in structurally disordered cytosolic regions of transmembrane proteins. The data gained with the peptide screen highlights the power of differential interactome mapping as a generic approach to unravel disease mechanisms caused by changes in protein-protein interactions.

Le travail de thèse consistera à explorer et caractériser l'ensemble conformationnel de protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) en utilisant plusieurs techniques complémentaires, notamment des simulations avancées de dynamique moléculaire et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). Les IDPs sont des protéines possédant une ou plusieurs régions n'ayant pas de structures secondaires stables lorsqu'elles sont isolées, mais pouvant en adopter lors de leur association avec de multiples autres protéines. La question, à laquelle ce travail souhaite répondre dans le cas de trois IDPs, est de savoir si ces éléments de structures secondaires, formés à l'interfaces des complexes protéine-protéine, pré-existent de façon transitoire, ou non, à l'état non-lié des IDPs en solution. S'il est possible d'identifier et de caractériser ces éléments de reconnaissance moléculaire dans les IDPs isolées, alors les résultats de ce travail permettront de guider par la suite la détermination des structures de complexes protéiques impliquant des IDPs. / The PhD work will consist in exploring and characterizing the conformational ensemble of intrinsically disordered proteins (IDPs), by using several complementary methods, including enhanced molecular dynamics simulations and small angle X-ray scattering (SAXS). IDPs are proteins having one or several regions that lack stable secondary structures in the unbound state, but which can adopt various structured conformations to bind other proteins. In the case of three IDPs, the project aims to answer the question of whether these secondary structures formed at the protein-protein interfaces transiently pre-exist or not in the unbound state of solvated IDPs. If it is possible to identify and characterize these molecular recognition features (MoRFs) in the IDP unbound state, then the results of this work will subsequently help to determine the structures of protein complexes involving IDPs.

Proteins are considered the primary actors in living organisms. Proteins mainly perform their functions by interacting with other proteins. Protein-protein interactions underpin various biological activities such as metabolic cycles, signal transduction, and immune response. PPI identification has been addressed by various experimental methods such as the yeast two-hybrid, mass spectrometry, and protein microarrays, to mention a few. However, due to the sheer number of proteins, experimental methods for finding interacting and non-interacting protein pairs are time-consuming and costly. Therefore a sequence-based framework called ProtInteract is developed to predict protein-protein interaction. ProtInteract comprises two components: first, a novel autoencoder architecture that encodes each protein's primary structure to a lower-dimensional vector while preserving its underlying sequential pattern by extracting uncorrelated attributes and more expressive descriptors. This leads to faster training of the second network, a deep convolutional neural network (CNN) that receives encoded proteins and predicts their interaction. Three different scenarios formulate the prediction task. In each scenario, the deep CNN predicts the class of a given encoded protein pair. Each class indicates different ranges of confidence scores corresponding to the probability of whether a predicted interaction occurs or not. The proposed framework features significantly low computational complexity and relatively fast response. The present study makes two significant contributions to the field of protein-protein interaction (PPI) prediction. Firstly, it addresses the computational challenges posed by the high dimensionality of protein datasets through the use of dimensionality reduction techniques, which extract highly informative sequence attributes. Secondly, the proposed framework, ProtInteract, utilises this information to identify the interaction characteristics of a protein based on its amino acid configuration. ProtInteract encodes the protein's primary structure into a lower-dimensional vector space, thereby reducing the computational complexity of PPI prediction. Our results provide evidence of the proposed framework's accuracy and efficiency in predicting protein-protein interactions.

Caractériser la fonction des protéines est crucial pour notre compréhension des mécanismes moléculaires de la vie, des maladies, et aussi pour inspirer de nouvelles applications en bionanotechnologie. Pour y arriver, il est nécessaire de caractériser la structure et la dynamique de chaque état occupé par la protéine durant sa fonction. La caractérisation expérimentale des états transitoires des protéines représente encore un défi majeur parce que les techniques à haute résolution structurelle, telles que la spectroscopie RMN et la cristallographie aux rayons X, peuvent difficilement être appliquées à l’étude des états de courte durée. De plus, les techniques à haute résolution temporelle, telles que la spectroscopie de fluorescence, nécessitent généralement une chimie complexe pour introduire des fluorophores à des endroits spécifiques dans la protéine. Dans cette thèse nous introduisons l’utilisation des nanoantennes fluorescentes en tant que nouvelle stratégie pour détecter et signaler les changements de conformation des protéines via des interactions non covalentes entre des fluorophores spécifiques et la surface de la protéine. En utilisant des expériences et des simulations moléculaires, nous démontrons que des fluorophores chimiquement divers peuvent se lier et être utilisés pour sonder différentes régions d’une enzyme modèle, la phosphatase alcaline (PA). Ces nanoantennes peuvent être fixées directement aux protéines ou utilisées à l'aide du système de fixation simple et modulaire, le complexe biotine-streptavidine (SA), qui permet un criblage rapide et efficace de la nanoantenne optimale tant dans sa composition que sa longueur. Dans le cas de la PA, nous montrons que nos nanoantennes permettent la détection et la caractérisation des conformations distinctes incluant les changements conformationnels nanoscopiques produisant durant la catalyse du substrat. Nous démontrons également que les signaux fluorescents émis par la nanoantenne peuvent également permettre de caractériser la cinétique enzymatique d’une protéine en une seule expérience tout en incluant la détermination des paramètres « Michaelis-Menten » de ses substrats et inhibiteurs. Nous avons également exploré l'universalité de la stratégie ces nanoantennes fluorescentes en utilisant une autre protéine modèle, la Protéine G et son interaction avec les anticorps, et avons démontré son utilité pour mettre au point un essai permettant de détecter les anticorps. Ces nanoantennes simples et faciles à utiliser peuvent être appliquées pour détecter et analyser les changements conformationnels de toutes tailles et nos résultats suggèrent qu'elles pourraient être utilisées pour caractériser n’importe quel type de fonction. / The characterisation of protein function is crucial to understanding the molecular mechanisms of life and disease, and inspires new applications in bionanotechnology. To do so, it is necessary to characterise the structure and dynamics of each state that proteins adopt during their function. Experimental study of protein transient states, however, remains a major challenge because high-structural-resolution techniques, including NMR spectroscopy and X-ray crystallography, can often not be directly applied to study short-lived protein states. On the other hand, high-temporal-resolution techniques, such as fluorescence spectroscopy, typically require complicated site-specific labelling chemistry. This thesis introduces the use of fluorescent nanoantennas as a new strategy for sensing and reporting on protein conformational changes through noncovalent dye-protein interactions driven by a high local concentration. Using experiments and molecular simulations, we first demonstrate that chemically diverse dyes can bind and be used to probe different regions of a model enzyme, intestinal alkaline phosphatase (AP). These nanoantennas can be attached directly to proteins or employed using the simple and modular biotin-streptavidin (SA) attachment system, which enables rapid and efficient screening for high sensitivity by tuning their length and composition. We show that these nanoantennas enable the detection and characterisation of distinct conformational changes of AP, including nanoscale conformational changes that occur during substrate catalysis. We also show that the fluorescent signal emitted by the nanoantenna enables complete characterisation of enzyme kinetics in one experiment, including determination of Michaelis-Menten parameters of substrates and inhibitors of AP. We then explored the universality of the nanoantenna strategy by using a different model protein system. Protein G was shown to interact with antibodies, using a rapid screening strategy for antibody detection. These effective and easy-to-use nanoantennas could potentially be employed to monitor various conformational changes, and our results offer potential for characterising various protein functions.

[ES] Los virus de plantas son los agentes causales de un gran número de enfermedades en plantas que ocasionan grandes pérdidas económicas. El virus de las manchas necróticas del melón (MNSV), es un pequeño virus de RNA monocatenario de polaridad positiva, perteneciente al género Gammacarmovirus, cuyo genoma codifica cinco proteínas. La proteína de cubierta (CP), está formada por tres dominios distintos. El descubrimiento de un péptido de transito dual en la región amino-terminal de la CP fue el punto de partida de esta tesis. Al inicio de una infección por MNSV, la CP nuevamente sintetizada es transportada al interior de cloroplastos y mitocondrias mientras que, una parte mucho menor se mantiene en el citoplasma aumentando a medida que avanza la infección. La inhibición de este transporte dual conlleva un aumento de la actividad supresora del silenciamiento del RNA de la CP. Sin embargo, la infección sistémica se ve particularmente afectada. Por tanto, la acumulación de la CP en el citoplasma puede provocar un aumento de la replicación viral pero a su vez una sobreexpresión de la p29, puede provocar una explosión oxidativa y una necrosis que restringe el movimiento viral. De este modo, el transporte de la CP a los orgánulos podría evitar una replicación viral excesiva mediante la modulación de la actividad supresora para gestionar el equilibrio entre la defensa de la planta y la contradefensa viral favoreciendo una interacción compatible entre ambos. Desafortunadamente, Arabidopsis thaliana no es huésped para el MNSV. Por tanto, para entender mejor el transporte de la CP a estos orgánulos, se identificaron los receptores y los poros de los translocones de las membranas externas de las mitocondrias y los cloroplastos en Nicotiana benthamiana. Esta caracterización funcional se realizó principalmente mediante VIGS y RT-qPCR, que mostró una redundancia funcional mayor que la observada entre los homólogos de Arabidopsis. Además, esta herramienta también se utilizó para evaluar la relevancia de cada componente bajo la infección por MNSV, y junto con los estudios de interacción CP-receptor realizados mediante BiFC y Y2H, nos permitió identificar NbToc159A para cloroplastos y NbOm64 para mitocondrias, como principales receptores. A su vez, el silenciamiento de NbToc34, NbToc75 o NbTom40 resultó en una resistencia generalizada no solo a MNSV sino también al virus del arrugamiento del nabo (TCV) y al virus del moteado del clavel (CarMV), lo que respalda la idea actualmente aceptada y que involucra el estado fisiológico del cloroplasto y la mitocondria en la señalización temprana de la respuesta defensiva. Finalmente, se realizó una búsqueda de factores del huésped que interaccionasen con la CP mediante con TurboID, una ligasa de biotina, que permite la detección de interacciones tanto directas e indirectas como transitorias y estables. Así, se obtuvo un gran número de proteínas candidatas utilizando la CP de MNSV y su mutante de localización citoplásmica, ∆NtCP. Tres de ellas, NbSIK1, NbSMU2 y NbMAP3K mostraron un efecto perjudicial constante y repetitivo sobre la acumulación del RNA viral. Después de la validación de las interacciones mediante otro método, y el análisis de la localización subcelular de la CP bajo el silenciamiento del interactor correspondiente, se establecieron dos hipótesis principales. En primer lugar, dado que la función principal de NbSMU2 está relacionada con el procesamiento y regulación del RNA mensajero, esta proteína podría ser secuestrada por la CP provocando la expresión de genes provirales. Por otro lado, NbSIK1 y NbMAP3K, actúan como reguladores positivo y negativo de la respuesta PTI a la infección, respectivamente. Además, ambas proteínas interaccionan entre sí y forman parte de la cascada de MAP quinasas, por lo que en nuestra segunda hipótesis, la CP interaccionaría con este complejo, promoviendo una regulación negativa de la PTI que facilitaría el desarrollo de la infección. / [CA] Els virus de plantes són els principals causants de la major part de malalties en plantes i les consegüents pèrdues econòmiques. El virus de les taques necròtiques del meló (MNSV) és un virus menut d'RNA monocatenari de polaritat positiva, pertanyent al gènere Gammacarmovirus, el genoma del qual codifica cinc proteïnes. La proteïna de coberta (CP) està formada per tres dominis diferents. El descobriment d'un pèptid de trànsit dual a la part aminoterminal de la CP va ser el punt de partida d'aquesta tesi. A l'inici d'una infecció per MNSV, la CP novament sintetitzada és transportada a l'interior dels cloroplasts i mitocondris mentre que, una part molt menor es manté al citoplasma augmentant a mesura que avança la infecció. La inhibició d'aquest transport dual comporta un augment de l'activitat supressora del silenciament de l'RNA de la CP. No obstant això, la infecció sistèmica es va frenar. Per tant, l'acumulació de la CP al citoplasma pot provocar un augment de la replicació viral però alhora una sobreexpressió de la p29, una replicasa auxiliar que ocasiona alteracions morfològiques als mitocondris, una explosió oxidativa i necrosi que restringeix el moviment viral. D'aquesta manera, el transport de la CP als orgànuls podria evitar una replicació viral excessiva mitjançant la modulació de l'activitat supressora per gestionar l'equilibri entre defensa de la planta i contradefensa viral que condueixen a una interacció compatible entre tots dos. Per entendre millor el mecanisme molecular que regeix el transport de la CP a aquests orgànuls, es van identificar els receptors i els porus dels translocon de les membranes externes dels mitocondris i els cloroplasts a Nicotiana benthamiana. Aquesta caracterització funcional es va realitzar principalment mitjançant VIGS i RT-qPCR, que va mostrar una redundància funcional més gran que l'observada entre els homòlegs d'Arabidopsis. A més, aquesta eina també es va utilitzar per avaluar la rellevància de cada component sota la infecció per MNSV, i juntament amb els estudis d'interacció CP-receptor realitzats mitjançant BiFC i Y2H, ens va permetre identificar a NbToc159A per a cloroplasts i NbOm64 per a mitocondris, com els principals receptors implicats en el transport de la CP a aquests orgànuls. Alhora, el silenciament de NbToc34, NbToc75 o NbTom40 va resultar en una resistència generalitzada a MNSV, TCV i CarMV, la qual cosa recolza la idea que circula actualment i que involucra l'estat fisiològic del cloroplast i el mitocondri en la senyalització primerenca de la resposta defensiva. Finalment, es va fer una cerca de factors de l'hoste que interaccionessin amb la CP mitjançant la innovadora tècnica de marcatge de proximitat amb TurboID, una lligasa de biotina, que permet la detecció d'interaccions tant directes i indirectes com transitòries i estables. Així, es va obtenir un gran nombre de proteïnes candidates utilitzant la CP de MNSV i el seu mutant de localització citoplàsmica, ∆NtCP. Tres de elles, NbSIK1, NbSMU2 i NbMAP3K van mostrar un efecte perjudicial constant i repetitiu sobre l'acumulació de l'RNA viral. Després de la validació de les interaccions mitjançant un altre mètode, i l'examen de la localització subcel·lular de la CP sota el silenciament de cada interactor, es van establir dues hipòtesis principals. En primer lloc, atès que la funció principal de NbSMU2 està relacionada amb el processament i la regulació de l'RNA missatger, aquesta proteïna podria ser segrestada per la CP provocant l'expressió de gens provirals. D'altra banda, NbSIK1 i NbMAP3K actuen com a reguladors positiu i negatiu de la resposta PTI a la infecció, respectivament. A més, les dos proteïnes interaccionen entre si i formen part de la cascada de MAP quinases, per la qual cosa en la nostra segona hipòtesi, la CP interaccionaria amb aquest complex, promovent una regulació negativa de la PTI que facilitaria el desenvolupament de la infecció. / [EN] Plant viruses are the causal agents of many plant diseases and the subsequent economic losses, estimated to be US$60 billion worldwide each year. The melon necrotic spot virus (MNSV) is a small, single-stranded, positive-sense RNA virus that belongs to the genus Gammacarmovirus and encodes five proteins. The coat protein (CP) is composed of three distinct domains. The discovery of a dual transit peptide in the amino-terminal part of the CP was the starting point of this thesis. Early in MNSV infection, the new synthesized CP is imported into chloroplasts and mitochondria, while the cytoplasmic pool increases as the infection progresses. Inhibiting this dual transport leads to an increase in the RNA silencing suppressor activity of the CP. However, far from resulting in an enhanced infection development, systemic spread was impaired. Therefore, the accumulation of cytoplasmic CP may cause an increase in viral replication and overexpression of p29, an auxiliary replicase that causes morphological alterations, ROS, and necrosis that may restrict viral movement. Thus, a new role for CP targeting would be to avoid excessive viral replication by modulating the suppressor activity to manage the balance between plant defense and viral counter-defense, leading to a compatible interaction. Unfortunately, Arabidopsis thaliana is not a host for MNSV. Thus, to better understand the molecular mechanism behind the CP dual targeting, the receptors and pores of the Nicotiana benthamiana mitochondrial and chloroplast outer membrane translocons were genome identified, and some functional characterization was carried out. We assigned the following names NbToc75-III, NbToc34, NbToc90, NbToc120, NbToc159A, NbToc159B, NbTic22-III for chloroplast translocon components, and NbTom40, NbTom20-1, NbTom20-2, NbOm64 for mitochondrion translocon components. The functional characterization was mainly carried out by virus-induced gene silencing (VIGS) and RT-qPCR, revealing a functional redundancy higher than that reported for Arabidopsis homologs. Additionally, VIGS was also used to evaluate the relevance of each translocon component in MNSV infection, and together with CP-receptor interaction studies performed by BiFC and Y2H, allowed us to identify NbToc159A for chloroplasts and NbOm64 for mitochondria as the main receptors involved in the CP organelle import. Moreover, silencing of NbToc34, NbToc75, or NbTom40 resulted in a generalized resistance not only to MNSV but also to turnip crinkle virus (TCV), and carnation mottle virus (CarMV), supporting the current idea that involves the chloroplast and mitochondrion physiological state in early defense response signaling. Finally, a search for host factors interacting with the CP was performed by the innovative TurboID proximity labeling tool, which allows the detection of both direct/indirect and transient/stable interactions. Thus, a large number of candidate proteins were obtained that interacted either with the MNSV CP or with ∆NtCP, a cytoplasm-localized mutant. Three of them, NbSIK1, NbSMU2, and NbMAP3K, showed a consistent and repetitive detrimental effect on MNSV RNA accumulation. After the validation of the interactions using another method and the analysis of the subcellular localization of the MNSV CP under each interactor silencing, two main hypotheses were proposed. Firstly, since the main function of NbSMU2 is related to messenger RNA regulation by splicing, this protein could be sequestered by the CP, causing the expression of proviral genes. On the other hand, NbSIK1 and NbMAP3K act as positive and negative regulators of the PTI response to infection, respectively. Moreover, both proteins interact with each other and are part of the MAP kinase cascade, so in our second hypothesis, CP would interact with this complex, promoting a negative regulation of PTI that would facilitate viral infection. / La autora ha disfrutado de un contrato predoctoral de formación de personal investigador (FPI) (PRE-2018-84130) otorgado por el Ministerio de Ciencia e Innovación asociado al proyecto BIO2017-88321-R. Este trabajo de tesis doctoral ha sido realizado con el apoyo económico de los proyectos de investigación del Ministerio de Ciencia e Innovación, BIO2017-88321-R y PID2020-115571RB- I00. / Sáiz Bonilla, M. (2023). Deciphering the intracellular dual targeting of the melon necrotic spot virus coat protein, its interaction with host factors and their roles in plant defense [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195836

Patients not responding to therapy as expected is one of the most pressing healthcare concerns of today. It causes economical, medical and societal issues along with suffering for patients. This project aimed to address this problem and evaluate how to find the best suited drug treatments for individual patients to treat Covid-19. This project was carried out in collaboration with the company AB Mavatar, that have two networks, one experimental and one predicted, which produce drug treatment rankings differently. Different methods are used to connect drug targets to disease associated genes and thus evaluate what drugs are best suited for specific patients to treat Covid-19. The aim of this project is to examine how network, method and drug category affect the ranking of a drug treatment for four mapped Covid-19 patients. Which drug category a drug belongs to did not seem to significantly affect the drug ranking. Yet, certain drug subcategories were closely correlated. However, these subcategories were not those that are typically associated with Covid-19. The method used to connect drug targets to disease associated genes heavily impacts the ranking of the drug treatment. The methods should be further evaluated to see if some should be excluded or weighted less in drug ranking calculations. The two networks are similar in how they rank different drugs, especially in severely ill patients. Through this project and the evaluation of the impact of method choice, one can start to figure out what should be prioritized among disease related changes. Also, important parameters for personalized treatment can be evaluated. / Patienter som inte svarar på terapi som förväntat är en av de största utmaningarna inom hälso- och sjukvård idag. Det orsakar ekonomiska, medicinska och samhälleliga problem samt lidande för patienter. Det här projektet adresserade detta problem och evaluerade hur man kan hitta det bäst lämpade läkemedlet för specifika patienter för att behandla Covid-19. Projektet gjordes tillsammans med företaget AB Mavatar, som har två interaktom, en experimentell och en datadriven, som rangordnar läkemedelsrekommendationer på olika sätt. Olika metoder används för att koppla samman läkemedelsmål med sjukdomsrelaterade gener och således evaluera vilka läkemedel som är bäst lämpade för specifika patienter för behandling av Covid-19. Syftet med projektet var att undersöka hur nätverk, metod och läkemedelskategori påverkar hur läkemedel rangordnas för fyra kartlagda Covid-19-patienter.  Vilken läkemedelskategori ett läkemedel tillhör tycks inte märkbart påverka läkemedelsrangordning. Trots detta var vissa läkemedelsunderkategorier nära korrelerade. Dock var dessa underkategorier inte typiskt associerade med Covid-19. Metoden för att koppla samman läkemedelsmål med sjukdomsassocierade gener påverkade läkemedelsrangordningen väsentligt. Metoderna borde dock evalueras ytterligare för att eventuellt exkludera eller vikta vissa mindre i uträkningar av läkemedelsrang. De två nätverken är lika i hur de rangordnar olika läkemedel, särskilt för svårt sjuka patienter. Genom detta projekt och genom evaluering av metodvalets påverkan kan man börja begripa hur man borde priorita bland sjukdomsrelaterade förändringar. Dessutom kunde viktiga parametrar inom personlig behandling evalueras.

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Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Durchführung eines quantitativen Ansatzes zur Detektion von Protein-Protein-Interaktionen (PPI) mit einem Schwerpunkt für Proteine, die in vier häufigen neurodegenerativen Krankheiten eine Rolle spielen: die Alzheimer-, Parkinson- und Huntington-Krankheit, sowie die spinozerebelläre Ataxie Typ 1 (SCA1). Die Interaktionsstudie kombiniert die stabile Isotopen-Markierung von Aminosäuren in der Zellkultur mit der Affinitätsaufreinigung von Proteinen und hochauflösender Massenspektrometrie. Dieser Ansatz zielt darauf ab, systematisch die Interaktionspartner von gesunden und krankheitsassoziierten Proteinvarianten zu identifizieren und zu quantifizieren. Darüber hinaus wurde das quantitative Interaktionsverfahren genutzt, um zu prüfen ob PPI durch krankheitsassoziierte Mutationen beeinträchtigt werden. Neben der Validierung möglicher Nebeneffekte, sowie dem Vergleich mit Informationen über PPI aus der Literatur, wurde ein Teil der identifizierten Interaktoren durch zusätzliche Koimmunopräzipitations-Experimente in zwei verschiedenen Zelllinien bestätigt. Mit Hilfe von Drosophila SCA1-Krankheitsmodellen und in Kombination mit RNAi-basierter Stummschaltung identifizierter Interaktoren wurde festgestellt, dass ein großer Teil der Kandidaten Neurodegeneration in vivo beeinflusst. Zusätzlich wurden die Alzheimer-spezifischen PPI-Daten auf genomweite Assoziationsstudien übertragen. Bemerkenswerterweise waren Polymorphismen in einzelnen Nukleotiden in den Genen zugehöriger Interaktoren wahrscheinlicher mit solchen Genen assoziiert, die eine Prädisposition für die Alzheimer-Krankheit haben, als mit zufällig ausgewählten Genen. Schlussendlich konnten Folgeexperimente für zwei ausgewählte Interaktionspartner den Nachweis für eine bislang unbekannte Rolle der N-Glykosylierung und einen neuen Zusammenhang zwischen dem RNA-bindenden Protein LRPPRC und mitochondrialer Dysfunktion in der Alzheimer-Krankheit vorlegen. / The first part of the present thesis describes the establishment of a quantitative protein-protein interaction (PPI) screen with a focus on proteins involved in four common neurodegenerative diseases (NDDs): Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD) and spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1). The interaction screen combines stable-isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC) with protein affinity purification and high-resolution mass spectrometry. This approach aims to systematically identify and quantify interaction partners of normal and known disease-associated variants of proteins involved in NDDs. Moreover, the quantitative interaction screen was employed to study how PPIs are affected by disease-associated mutations. Along with validation of possible off-target effects and comparison of the data with literature-reported PPIs, a subset of identified interactors was validated by additional co-immunoprecipitation experiments in two different cell lines. Utilizing Drosophila models for SCA1 in combination with RNAi-mediated silencing of identified interactors, a large fraction of candidates was observed to also affect neurodegeneration in vivo. In addition, AD-specific PPI data was mapped to patient cohort data obtained from genome-wide associations studies. Notably, single-nucleotide polymorphisms in the genes of interactors of the disease-associated protein variants were more likely associated with susceptibility to AD than randomly selected genes. Finally, functional follow-ups for two selected interaction partners provided evidence for a yet unreported role of N-linked glycosylation in AD, and a novel link to mitochondrial dysfunction in AD by means of the RNA-binding protein LRPPRC.

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