Dans la rétine, on retrouve deux types de photorécepteurs appelés cônes et bâtonnets. Les bâtonnets, qui sont impliqués dans la vision scotopique, comprennent un segment externe qui s'appose sur une couche de cellules appelée epithelium pigmentaire rétinien (EPR). L'absorption de la lumière dans les disques du segment externe des bâtonnets est possible grâce à la rhodopsine, qui est composée d'une protéine appelée opsine et du 11 -cis rétinal. La lumière entraîne l'isomérisation du 1 l-cis rétinal en tout-trans rétinal qui se dissocie alors de la rhodopsine. L'isomère tout-trans est ensuite traité par un processus appelé "cycle visuel des rétinoïdes" qui permet la reconversion du tout-trans rétinal en 11-c/s-rétinal par une série de réactions enzymatiques qui sert à régénérer la rhodopsine. Parmi les enzymes impliquées dans ce cycle visuel, on retrouve les rétinol déshydrogénases (RDH) qui sont responsables de la formation du rétinol à partir du rétinal et vice versa. Il existe plusieurs isoformes des RDH, dont la RDH11 et la RDH8, qui sont localisées respectivement dans l'EPR et dans le segment externe des photorécepteurs, mais aucune structure n'est connue encore au sein de cette famille de protéines. L'objectif ultime de ce travail de recherche était de détenniner la structure d'un membre de la famille des RDH. Cependant, notre objectif à court terme était d'identifier et de caractériser un type de RDH qui serait suffisamment soluble pour satisfaire les conditions nunimales de cristallisation de ces protéines. Nous avons donc surexprimé et purifié la RDH 11 et la N-del-RDHll et détenriiné leur niveau de solubilité qui était insuffisant pour entreprendre des essais de cristallisation. Nous avons ensuite clone et surexprimé la RDH8 en fusion avec la GST afin de trouver une RDH plus soluble pour cristalliser un membre de cette famille de protéines.

L'épithélium pigmentaire rétinien (EPR) est constitué d'une monocouche de cellules tapissant le fond de l'oeil et est localisée de façon apicale par rapport à la rétine neurale. Outre ses fonctions au niveau du cycle visuel, PEPR permet aussi la phagocytose des segments externes des bâtonnets (SEB) et la production de phagosomes. L'EPR digère ces phagosomes à l'aide d'enzymes telles les phospholipases A₂ (PLA₂) et recycle certaines de ses composantes tels les acides gras polyinsaturés (AGPI). Fait notable, plus de 60% des acides gras des phospholipides des SEB sont polyinsaturés. Ces membranes sont donc très susceptibles à l'oxydation. Il a déjà été démontré dans notre laboratoire que PEPR exprime une PLA₂ gamma cytosolique (cPLA₂ gamma). La spécificité et l'activité constitutive de cette PLA₂ suggèrent qu'elle pourrait participer au recyclage des AGPI. Les objectifs poursuivis dans cette partie de la thèse étaient de surexprimer, de purifier la cPLA₂ gamma et de caractériser ses propriétés enzymatiques et de liaison avec des modèles membranaires. Au niveau des interactions membranaires, nous avons d'une part démontré que la cPLA2-gamma recombinante était active, hydrolysant le L-DPPC en monocouche ainsi que le PAPC en vésicules (résultats non-montrés). Il s'agit selon nous de la première fois où une cPLA2-gamma recombinante issue d'un système prokaryote, dépourvue des modifications postraductionnelles associées à celle produite à partir du système eukaryote, notamment la farnésylation de son extrémité C-terminale et de nombreux sites potentiels de palmitoylation et d'un site de myristoylation (Tucker et al., 2005), était démontrée active. La vision chez les vertébrés commence avec l'absorption de lumière par les pigments visuels dans les cellules des photorécepteurs. Les pigments visuels, ou opsines, sont des récepteurs à sept hélices transmembranaires couplés aux protéines G localisés dans la membrane des disques des segments externes des bâtonnets et des cônes. Dans l'obscurité, le chromophore sensible à la lumière, le 11 cis retinal, est lié de manière covalente à l'opsine via un lien de base de Schiff à un résidu de lysine spécifique localisé au centre de la septième hélice alpha transmembranaire. La stimulation lumineuse a pour résultat Pisomérisation du 11-cis rétinal en tout-trans rétinal, ce qui cause un changement dans la conformation de la rhodopsine. La métarhodopsine II photoactivée résultante réagit avec la protéine G, appelée transducine, et déclenche la cascade de phototransduction qui mène à u l'hyperpolarisation des photorécepteurs et, finalement, à l'inhibition du relargage de neurotransmetteur au niveau de la terminaison synaptique. Après isomérisation du 11-cis-rétinal à la configuration tout-trans, la base de Schiff est hydrolysée et le chromophore photolyse se détache de l'opsine. Le tout-trans rétinal est alors réduit en tout-trans rétinol par une rétinol dehydrogenase (RDH) localisée dans la membrane discale des segments externes des photorécepteurs (Blaner et al, 1980; Nicotra et Livrea, 1982; Ishiguro et al, 1991; Palczewski et al, 1994). Les enzymes spécifiques responsables de cette réaction sont la RDH8 et la RDH 12 (Molday et al., 2009; Rattner et al., 2000; Maeda et al., 2006, Maeda et al. 2009). Six RDHs distinctes exprimées dans les photorécepteurs ont été récemment clonées. Leurs fonctions, in vivo, demeurent inconnues, mais elles ont toutes démontré leur capacité à réduire le tout-trans rétinal in vitro (Kasus-Jacobi et al. 2006). Plusieurs évidences suggèrent que cette réduction du tout-trans rétinal dans les cellules des photorécepteurs est cruciale pour le maintien du caractère fonctionnel et de l'intégrité structurale de la rétine. Cette réaction est la première étape d'une voie métabolique appelée le cycle visuel, lequel est essentiel pour une phototransduction soutenue. Cette voie intervient au niveau des photorécepteurs et de l'épithélium de pigment rétinien (EPR) et permet de recycler le tout-trans rétinal en 11-cis rétinal. Quand le tout-trans rétinol issu de la réduction du tout-trans rétinal est produit dans les photorécepteurs, il est transporté dans PEPR où il est estérifié par la lécithine rétinol acyl transferase (LRAT) et est emmagasiné sous forme de tout-trans rétinyl ester. Le tout-trans-rétinol peut aussi être acheminé à PEPR par la vascularisation choroïdienne, entrant dans PEPR via un processus récepteur-dépendant impliquant un complexe de protéine/transthyretin - protéine sérique liant le rétinol (SRBP) (Malpeli et al., 1996). Les rétinyl esters emmagasinés dans PEPR constituent le substrat pour Pisomérohydrolase (IMH), aussi appelée RPE65, une enzyme dont le rôle proposé serait de catalyser l'hydrolyse concertée du tout-trans rétinyl ester et l'isomérisation en 11-cis rétinol. L'oxydation du 11 cis-rétinol en 11-cis rétinal par la 11 cis rétinol dehydrogenase (RDH5) et/ou la RDH11 dans PEPR complète le cycle visuel. Le 11-cis rétinal est ensuite réacheminé vers les photorécepteurs où il se combine avec l'opsine pour régénérer la rhodopsine photosensible. La première étape du cycle visuel est importante parce qu'elle produit du tout-trans rétinol, utilisé pour approvisionner PEPR en Ill rétinyl ester. U ne s'agit cependant pas de Punique source de tout-trans-rétinol puisque celui en circulation dans l'organisme peut également être utilisé de façon alternative. À ce jour, on connaît encore peu de choses sur ces enzymes. Il est connu que des mutations de la RDH5 sont associées avec la maladie récessive rare fundus albipunctatus, alors que des mutations de la RDH 12 causent l'amaurose congénitale de Leber. Cependant le rôle physiologique exact de plusieurs autres isozymes de la RDH et de leur implication possible dans des pathologies de l'oeil demeurent toujours inconnus jusqu'à maintenant. L'objectif de ces travaux consistait à surexprimer et purifier la RDH 11 et une forme tronquée (N-delRDHll) pour ensuite mesurer ses interactions membranaires et, finalement, déterminer sa structure tridimensionnelle. Lors de cette étude, nous avons obtenu deux versions de la RDH-11, soit une version complète comportant les 318 acides aminés, ainsi qu'une version tronquée comportant une deletion des 26 premiers acides aminés en N-terminal que l'on appelera N-delRDHll tout au long de cette thèse. La version N-delRDHl 1 fut produite par génie moléculaire en raison du très faible niveau d'expression et de solubilité de la version complète de la RDH-11. Les meilleurs essais de purification ont produit une N-delRDHll d'une pureté supérieure à 95% et d'une concentration d'environ 1 mg/ml, ce qui nous a permis de tenter la cristallogénèse de cette protéine, malheureusement sans succès. Nous avons de plus démontré que la N-delRDH 11 surexprimée dans un système prokaryote était active, convertissant rapidement le tout-trans rétinal en rétinol. Or, il s'agit à notre connaissance de la première fois qu'une activité était démontrée pour une protéine issue d'un tel système d'expression. Les mesures effectuées en pression de surface ont permis d'établir comment la présence du segment N-terminal, sans être le seul élément nécessaire à la liaison membranaire, venait néanmoins accélérer grandement la cinétique de mobilisation de la protéine du coeur de phase jusqu'à l'interface. Cependant, ce segment N-terminal n'aurait pas d'effet significatif sur la pression d'insertion maximale (PIM) sous une monocouche de DOPE. Par ailleurs, les mesures de PIM avec les lipides comportant deux chaînes grasses 18:1 nous ont également permis de constater des différences significatives entre les différentes têtes polaires des phospholipides testés. / Les PIM les plus élevées ont été obtenues avec le DOPE (~ 44 mN/m) et les plus faibles avec le DOPC (~ 25 mN/m). Quant aux mesures faites en spectroscopic PM-IRRAS, nous avons d'une part confirmé que la N-delRDHll ainsi que la RDH 11 ont une structure secondaire à l'interface air-eau composée d'une proportion importante d'hélices-a, en accord avec les données que nous avions obtenues en solution par dichroïsme circulaire et spectroscopie infrarouge. Le maintien de la structure secondaire de la N-delRDHll à l'interface air-eau démontre également que l'intégrité de la protéine est préservée dans cet environnement. Ces mesures en PM-IRRAS ont de plus révélé un possible changement conformationnel de la N-delRDHll suite à la liaison de son substrat, le tout-trans rétinal, en plus de démontrer que la composition lipidique de la monocouche pouvait avoir un effet direct sur la stabilisation des hélices-a de la protéine.

Lors du processus de phototransduction visuelle, la recoverine est responsable de la régulation de la phosphorylation de la rhodopsine. Notre objectif est de comprendre ce qui favorise son interaction avec les membranes des photorécepteurs et d'évaluer l'importance du calcium sur cette liaison. La recoverine est injectée sous une monocouche formée de différents phospholipides et son adsorption est mesurée par la variation de pression de surface. Des mesures de spectroscopie infrarouge par modulation de polarisation ont aussi été effectuées pour connaître la conformation qu'adopte la recoverine lors de son adsorption aux monocouches. La recoverine démontre une affinité marquée pour des phospholipides possédant une longue chaîne hydrocarbonée, plusieurs insaturations et une tête polaire de charge nette nulle. Cela met en évidence comment la composition lipidique membranaire est essentielle à l'ancrage de la recoverine dans la membrane. D'autre part, la présence du myristoyl de la recoverine semble être une condition presqu'essentielle à sa liaison aux membranes des photorécepteurs.

La neurocalcine delta (NCd) fait partie d'une petite famille de protéines appelées ± neuroprotéines sensibles au calcium ¿. Dans la rétine, la NCd est exprimée dans les cellules ganglionnaires et amacrines. La NCd est composée de 4 motifs EF-hand dont 3 ont la capacité de lier le calcium. La liaison du calcium par la NCd mène à un changement de conformation et à l'extrusion du groupement myristoyle ainsi que certains acides aminés hydrophobes. Ce mécanisme, appelé calcium myristoyl switch, semble impliqué dans sa liaison membranaire. Le mécanisme de liaison membranaire de la NCd est seulement partiellement élucidé. Cette étude a donc pour objectif de déterminer les paramètres responsables de la liaison membranaire de la NCd. Pour ce faire, nous avons utilisé le modèle membranaire des monocouches. Ce système modèle pour les membranes a permis de déterminer la pression maximale d'insertion de la NCd lorsqu'elle est injectée dans la sous-phase de monocouches de différents phospholipides.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Cette étude vise à comprendre les facteurs impliqués dans la liaison membranaire de la recoverine, une neuroprotéine sensible au calcium jouant un rôle dans le processus de phototransduction visuelle des photorécepteurs. Il est connu que la liaison de 2 ions calcium par les motifs EF-Hand de cette protéine entraîne l'extrusion de son groupement myristoyle et ainsi, son recrutement aux membranes et l'inhibition de la protéine qu'elle régule. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire des solides ont été utilisées afin d'étudier le rôle méconnu de la composition membranaire des photorécepteurs sur la liaison de la recoverine, en plus du rôle du calcium et de la N-myristoylation. Les résultats obtenus suggèrent que la présence de calcium ainsi que de membranes insaturées favorisent significativement à la fois la stabilité structurale de la recoverine et l'insertion de son groupement myristoyle dans les membranes.