La coqueluche est une maladie respiratoire aiguë, causée par la bactérie à Gram négatif Bordetella pertussis. L’hémagglutinine filamenteuse (FHA) est une adhésine responsable de la colonisation du tractus respiratoire de l’hôte, ainsi qu’un antigène vaccinal important. La FHA est transportée à la surface de la bactérie par une protéine de membrane externe, FhaC, selon la voie de sécrétion à deux partenaires (voie TPS). Le couple FHA/FhaC sert de modèle aux systèmes TPS. FhaC fait également partie de la superfamille de transporteurs TpsB/Omp85 qui regroupe des protéines de la membrane externe des bactéries et de certains organites eucaryotes (dont les chloroplastes et mitochondries). La structure cristallographique de FhaC est la première à avoir été obtenue parmi les protéines de cette superfamille. Le tonneau β de FhaC est composé de 16 brins anti-parallèles, reliés par des boucles extracellulaires ou périplasmiques. Le canal formé par FhaC est obstrué par une hélice amino-terminale (H1) et une boucle de surface conservée dans la superfamille repliée à l’intérieur du tonneau (L6). Le domaine périplasmique de FhaC contient deux domaines « POTRA » (pour Polypeptide Transport Associated) en tandem. Ces domaines sont conservés dans la superfamille et seraient responsables d’interactions protéine-protéine. Mon travail de thèse a consisté à appréhender, à partir de la structure de FhaC, les mécanismes moléculaires de la sécrétion de la FHA. J’ai étudié le rôle d’une tétrade de résidus conservés dans la boucle L6, puis j’ai caractérisé les déterminants d’interaction présents dans les domaines POTRA de FhaC. Nos travaux ont montré que la tétrade conservée VRGY localisée à l’extrémité de L6 est impliquée dans la fonction de FhaC. Les substitutions de l’arginine et de la tyrosine en alanine (FhaC-R450A et FhaC-Y452A) ont montré que l’arginine était essentielle à la sécrétion de la FHA. De plus, la structure cristallographique de FhaC-R450A indique que la substitution ne perturbe pas la position de L6. L’analyse des propriétés du canal de ces deux variants reconstitués en bicouche lipidique montre en revanche une perturbation des canaux de FhaC-Y452A. Les substitutions n’altèrent pas l’étape de reconnaissance de FHA par FhaC. L’arginine serait donc impliquée dans une étape tardive de la sécrétion, alors que la tyrosine semble participer au positionnement de L6 ou à la régulation de sa mobilité au cours de la sécrétion et pourrait stabiliser FhaC « au repos ». J’ai également caractérisé les déterminants d’interaction des deux domaines POTRA de FhaC et montré que des résidus de l’extrémité de POTRA1 sont impliqués dans le recrutement de la FHA, probablement par interaction électrostatique. Deux sites majeurs d’interaction ont été identifiés dans des sillons hydrophobes des POTRA1 et 2, qui seraient compatibles avec l’hypothèse que les deux protéines interagissent par « beta augmentation ». L’étude du couple FHA/FhaC est un modèle pour la voie de sécrétion TPS. Nos résultats indiquent que les motifs structuraux conservés sont impliqués dans la fonction de la protéine et apportent des précisions sur les mécanismes moléculaires de la voie TPS et des transporteurs de la superfamille TpsB/Omp85. / Whooping cough is an acute respiratory disease caused by the Gram-negative bacterium Bordetella pertussis. The filamentous hemagglutinin (FHA) is an adhesin involved in colonization of the host’s respiratory tract, and a major vaccine antigen. FHA is transported to the cell surface by an outer membrane protein, FhaC by the two-partner secretion (TPS) pathway. The FHA/FhaC pair is a model for TPS systems. FhaC belongs to the TpsB/Omp85 superfamily whose members are found in the outer membranes of bacteria and organelles such as chloroplasts and mitochondria. The crystal structure of FhaC has been the first in this superfamily. The β barrel of FhaC is composed of 16 anti-parallel strands, linked by extracellular loops and periplasmic turns. The FhaC channel is blocked by an amino-terminal helix (H1) and a conserved extracellular loop (L6). The periplasmic domain of FhaC has two POTRA domains (“Polypeptide Transport Associated”) that are conserved in the TpsB/Omp85 superfamily and involved in protein-protein interactions. My PhD work aimed at investigating the molecular mechanisms of FHA secretion based on the FhaC structure. I analyzed the role of a conserved tetrad in the L6 loop, and I also characterized the determinants of interaction with FHA in the POTRA domains of FhaC. Our work has shown that the conserved VRGY tetrad of L6 is involved in FhaC’s function. Substitution of arginine and tyrosine by alanine (FhaC-R450A et FhaC-Y452A) indicated that the arginine residue is essential for FHA secretion. Moreover, the crystal structure of FhaC-R450A showed that the positioning of L6 is similar to that in the wild type protein. Channel analyses of both variants reconstituted in lipid bilayers indicated that the FhaC-Y452A channels are affected. Both substitutions have no effect on the recognition step in the periplasm. The arginine residue is thus most likely involved in a late step of FHA secretion, while the tyrosine residue might participate in the positioning of L6 positioning or the regulation of its mobility in the course of secretion; it could stabilize FhaC in its “resting state”. I also characterized the determinants of interaction with FHA of the POTRA domains of FhaC and showed that residues at the extremity of POTRA1 might be involved in FHA recruitment, probably by electrostatic interactions. Two major sites of interactions were identified in hydrophobic grooves in both POTRA1 and 2, which are in agreement with a model of interaction between the 2 proteins by “beta augmentation”. The FHA/FhaC pair is a model for the TPS pathway. Our results indicate that conserved structural motifs of FhaC are involved in the function of the protein and give new insights into the molecular mechanisms of the TPS pathway and of transporters of the TpsB/Omp85 superfamily.

La voie de sécrétion bactérienne de type V permet l’exportation à la surface cellulaire de protéines dont certaines ont été identifiées comme d’importants facteurs de la pathogénicité bactérienne. Le type V regroupe la sécrétion des autotransporteurs et la sécrétion à deux partenaires (TPS). Les autotransporteurs sont constitués d’un domaine en tonneau β; et d’un domaine passager. L’interaction de l’autotransporteur avec le complexe protéique Bam, dont la pièce centrale est le transporteur BamA, permet l’insertion dans la membrane externe du tonneau β; et la sécrétion du passager. En revanche, la sécrétion à deux partenaires fait intervenir deux protéines, l’une appelée TpsA correspondant à la protéine exportée et l’autre, TpsB, formant un tonneau β qui contrôle le transport à travers la membrane externe. Les protéines TpsB sont spécifiques à leur(s) TpsA associée(s), et font partie de la superfamille des transporteurs Omp85 qui effectuent l’insertion de protéines dans la membrane externe bactérienne comme BamA, et dans celles des organites eucaryotes dont les chloroplastes et les mitochondries. Au cours de mon doctorat, je me suis intéressé à la sécrétion de l’hémagglutinine filamenteuse (FHA), qui est l’adhésine majoritaire de Bordetella pertussis, l’agent étiologique de la coqueluche. Cette adhésine qui permet à la bactérie de coloniser le tractus respiratoire de l’hôte est une protéine TpsA de 220 kD. Elle est très efficacement sécrétée par la voie de sécrétion à deux partenaires grâce à son transporteur spécifique TpsB nommé FhaC. L’étude cristallographique de FhaC a révélé un tonneau β; à 16 brins qui forme un canal dans la membrane externe obstrué par l’hélice-α; amino-terminale, H1, partagée par la majorité des TpsB, et par une boucle de surface, L6, conservée dans la superfamille Omp85. Cette conformation suggère un état au repos dans lequel le canal bouché ne pourrait pas transporter son partenaire. Afin de comprendre comment la FHA transite à l’intérieur du pore, il est donc nécessaire de connaître les changements de conformations que subit FhaC. Durant mon travail de thèse, nous avons apporté une vision plus dynamique de la sécrétion à deux partenaires en utilisant le couple FHA/FhaC comme modèle d’étude. Pour cela nous avons utilisé principalement la Résonance Paramagnétique Electronique (RPE). Cette technique de biophysique permet d’étudier FhaC en solution ou réincorporée dans une bicouche lipidique et de rendre compte de la mobilité à un site donné par l’utilisation de sondes paramagnétiques. Ainsi nous avons pu montrer que FhaC est en équilibre entre plusieurs conformations, avec H1 dans le pore ou du côté périplasmique de FhaC. La présence de la FHA déplace cet équilibre, favorisant ainsi la sortie de l’hélice hors du pore. Nous avons, par ailleurs, pu démontrer expérimentalement que la FHA transitait bien à l’intérieur du pore formé par FhaC et que l’hélice H1 se trouvait alors dans le périplasme. L’étude de la boucle L6 nous a permis de montrer que la mobilité de cette boucle était fortement contrainte à l’intérieur du pore même lors de la reconnaissance avec la FHA. Ce ralentissement de mobilité est lié, en autre, à une interaction avec un résidu d’un motif conservé présent sur le brin β13 qui influence la taille du pore. De manière plus générale, cette étude de la dynamique de FhaC contribue à la compréhension des mécanismes moléculaires de la voie TPS et des transporteurs de la superfamille Omp85. / Type V secretion in bacteria mediates the export to the cell surface of proteins, some of which have been identified as important factors of pathogenicity. Type V includes the secretion of autotransporters and the ‘Two-partner Secretion’ (TPS) pathway. Autotransporters consist of a β barrel domain and a passenger domain. The interaction of autotransporters with the Bam complex, of which the BamA transporter is the central component, allows the insertion of the β; barrel in the outer membrane and the secretion of passenger domain. In contrast, the two-partner secretion involves two proteins, the exported ‘TpsA’ protein and its TpsB partner that controls its transport across the outer membrane. TpsB proteins are specific to their associated TpsA(s) and belong to the superfamily of the Omp85 transporters, which carry out the insertion of proteins into the bacterial outer membrane, like BamA, or in the outer membranes of eukaryotic organelles including chloroplasts and mitochondria. For my PhD work, I have been interested in the secretion of filamentous hemagglutinin (FHA), which is the major adhesin of Bordetella pertussis, the causative agent of whooping cough. This adhesin allows the colonization by this bacterium of its host’s respiratory tract. This protein corresponds to a 220kD TpsA protein efficiently secreted by its specific transporter TpsB named FhaC. Crystallographic studies have revealed that FhaC harbours a 16-stranded β;-barrel occluded by both the N-terminal α;-helix, H1, shared by the majority of TpsB proteins, and by a surface loop, L6, that carries a conserved, hallmark motif of the Omp85 superfamilly. This conformation suggests that FhaC is in a resting state in which the channel does not transport its partner. To understand how the FHA passes through the FhaC pore, it is necessary to address the conformational changes undergone by FhaC. During my thesis work, we provided a more dynamic view of the TPS pathway using the FHA/FhaC couple as study model. For this we used Electron Paramagnetic Resonance (EPR). This biophysical technique allows to study of FhaC in solution or reincorporated into a lipid bilayer and it reports the mobility at specific sites of the protein by using paramagnetic probes. Thus we have shown that FhaC is in equilibrium between multiple conformations, with H1 in the pore or at the periplasmic side of FhaC. The presence of FHA displaces the conformational equilibrium, promoting the exit of the helix going from the pore. We have also experimentally demonstrated that FHA does transit through the pore formed by FhaC while helix H1 is then in the periplasm. The study of the L6 loop enabled us to show that the mobility of this loop is highly constrained in the pore and remains so upon the recognition of FHA. Its slow mobility is linked to an interaction between an invariant L6 residue and a conserved motif present on the β; strand 13 of the barrel. This interaction affects the size of the FhaC pore.More generally, the study of the dynamics of FhaC contributes to the understanding the molecular mechanisms of the TPS pathway and of transporters of the Omp85 superfamily.