Le séquençage intégral du génome de Mycobacterium tuberculosis a permis de mettre en évidence l’existence de onze Sérine/Thréonine Protéine-Kinases (STPKs) chez cette bactérie. Bien que la quasi-totalité des STPKs aient été biochimiquement caractérisées, très peu de substrats endogènes ont pu être identifiés. Par conséquent, le rôle physiologique de ces couples kinase/substrat reste à élucider. Tout d’abord, les études réalisées au cours de ce travail ont concerné la caractérisation biochimique de la protéine-kinase PknL, ainsi que l’identification de ses substrats potentiels, et notamment la protéine Rv2175c. En effet, l’analyse de l’environnement génétique du gène pknL de la kinase a révélé la présence du gène adjacent rv2175c, pouvant ainsi représenter un substrat éventuel de PknL. Les différentes approches mises en oeuvre ont permis d’identifier cinq sites de phosphorylation sur PknL, et de mettre en évidence le caractère essentiel des résidus K48, T173 et T175 dans les mécanismes d’autophosphorylation de PknL et de phosphorylation de Rv2175c, confirmant ainsi Rv2175c comme substrat spécifique de PknL. Par ailleurs, la caractérisation par RMN de la structure de Rv2175c a permis de déterminer la fonction de cette protéine. Rv2175c possède toutes les caractéristiques structurales d’une protéine capable de fixer l’ADN. Des études fonctionnelles ont permis de confirmer la capacité de Rv2175c de fixer l'ADN et ont mis en évidence le mécanisme de régulation via phosphorylation régissant son activité de fixation. Ensuite, nous avons mis en évidence la phosphorylation des protéines chaperonnes mycobactériennes et, plus particulièrement, caractérisé GroEL1. Nous avons démontré que GroEL1 était phosphorylée par PknF, et identifié les résidus T25 et T54 comme étant les sites de phosphorylation de GroEL1. L’ensemble de cette étude nous a donc permis de caractériser de nouveaux substrats de phosphorylation chez M. tuberculosis, de mieux appréhender les interactions kinase/substrat et d’impliquer la phosphorylation dans la régulation de l’activité de ces substrats / Analysis of the genome sequence of Mycobacterium tuberculosis predicted the presence of eleven Serine / Threonine Protein-Kinases (STPKs). Although most kinases have been investigated for their physiological roles, little information is available regarding how STPK-dependent phosphorylation regulates the activity of kinase substrates. As a result, the physiological role of these kinase / substrate couples remains to be clarified. During the course of this work, we first characterized a substrate/kinase pair, PknL/Rv2175c. Moreover, pknL (rv2176) is adjacent to rv2175c, a gene encoding a putative DNA-binding transcriptional regulator. We demonstrated that PknL can recruit and phosphorylate Rv2175c and that phosphorylation of Rv2175c was dependent on a specific phosphorylated residue located within the activation loop of PknL. However, although Rv2175c harbours a DNAbinding domain carrying a helix-turn-helix (HTH) motif, it shares only weak similarity to transcriptional regulatory proteins. Therefore, to provide further evidence for the function of Rv2175c, we have solved the soluble NMR structure of Rv2175c. In addition, we confirmed by gel shift mobility assays that Rv2175c was indeed able to bind DNA. More importantly, we identified Thr9 as the unique phosphorylation site in Rv2175c, and demonstrated that phosphorylation of Rv2175c strongly altered its DNA-binding activity. In addition, although mycobacterial GroEL1 proteins have been extensively studied, no data were available with respect to their potential post-translational modifications. We reported here, for the first time, phosphorylation of the M. tuberculosis GroEL1 chaperone. We demonstrated that M. tb GroEL1 is phosphorylated by PknF at two positions, Thr25 and Thr54. Unexpectedly, Mycobacterium smegmatis GroEL1 is not a substrate of its cognate PknF. This study showed that the phosphorylation profile of conserved proteins is species dependent and provides insights that may explain the numerous biological functions of these important proteins

Le séquençage intégral du génome de Mycobacterium tuberculosis a permis de mettre en évidence l'existence de onze Sérine/Thréonine Protéine-Kinases (STPKs) chez cette bactérie. Bien que la quasi-totalité des STPKs aient été biochimiquement caractérisées, très peu de substrats endogènes ont pu être identifiés. Par conséquent, le rôle physiologique de ces couples kinase/substrat reste à élucider. Tout d'abord, les études réalisées au cours de ce travail ont concerné la caractérisation biochimique de la protéine-kinase PknL, ainsi que l'identification de ses substrats potentiels, et notamment la protéine Rv2175c. En effet, l'analyse de l'environnement génétique du gène pknL de la kinase a révélé la présence du gène adjacent rv2175c, pouvant ainsi représenter un substrat éventuel de PknL. Les différentes approches mises en oeuvre ont permis d'identifier cinq sites de phosphorylation sur PknL, et de mettre en évidence le caractère essentiel des résidus K48, T173 et T175 dans les mécanismes d'autophosphorylation de PknL et de phosphorylation de Rv2175c, confirmant ainsi Rv2175c comme substrat spécifique de PknL. Par ailleurs, la caractérisation par RMN de la structure de Rv2175c a permis de déterminer la fonction de cette protéine. Rv2175c possède toutes les caractéristiques structurales d'une protéine capable de fixer l'ADN. Des études fonctionnelles ont permis de confirmer la capacité de Rv2175c de fixer l'ADN et ont mis en évidence le mécanisme de régulation via phosphorylation régissant son activité de fixation. Ensuite, nous avons mis en évidence la phosphorylation des protéines chaperonnes mycobactériennes et, plus particulièrement, caractérisé GroEL1. Nous avons démontré que GroEL1 était phosphorylée par PknF, et identifié les résidus T25 et T54 comme étant les sites de phosphorylation de GroEL1. L'ensemble de cette étude nous a donc permis de caractériser de nouveaux substrats de phosphorylation chez M. tuberculosis, de mieux appréhender les interactions kinase/substrat et d'impliquer la phosphorylation dans la régulation de l'activité de ces substrats

La capacité d'adaptation des bactéries à leur environnement repose, entre autres choses, sur des mécanismes de transduction du signal. Ces mécanismes leur permettent de percevoir la nature et les modifications du milieu dans lequel elles évoluent et d'adapter en conséquence leur métabolisme et leur physiologie. L'un de ces mécanismes identifié chez les procaryotes repose sur un processus de régulation impliquant, suite à un stimulus extérieur, une modification réversible des protéines au niveau de résidus séryles et thréonyles par phosphorylation via les sérine/thréonine protéine-kinases (STPK). Chez les bactéries pathogènes, notamment Mycobacterium tuberculosis et Staphylococcus aureus, les STPKs sont impliquées dans la régulation du métabolisme central, de la division cellulaire, de la composition de la paroi et de la virulence. Mes travaux de thèse ont eu pour objectif d'approfondir les connaissances sur la régulation post-traductionnelle des protéines via les STPKs chez ces deux pathogènes humains. Nous avons ainsi identifié de nouveaux substrats des STPKs chez M. tuberculosis et S. aureus et caractérisé l'effet de la phosphorylation sur l'activité de ces substrats. L'ensemble de mes travaux de thèse met en avant le rôle important de la régulation par les STPKs de voies métaboliques diverses chez ces deux pathogènes. / To overcome the stressful conditions imposed during host infections, pathogens have evolved various protective and offensive responses that could be achieved through cascades of phosphorylation. Many of the encountered external stimuli are transduced via sensor kinases embeded within the bacterial membrane, allowing the pathogen to adapt and survive in hostile environments. In addition to the classical two-component systems, Staphylococcus aureus and Mycobacterium tuberculosis possess eukaryotic-like Serine/Threonine Protein-Kinases (STPK). It is becoming clear that in these two human pathogens, many of the STPKs are involved in the regulation of metabolic processes, division, cell wall composition, virulence, etc. Therefore, signalling through STPK phosphorylation has recently emerged as a key regulatory mechanism in pathogenic bacteria. Thus, to investigate the mechanisms of STPK-dependent regulation in M. tuberculosis and S. aureus, we identified and characterized novel endogenous phosphorylated substrates, and analyzed the impact of phosphorylation on their specific activity. Overall, the results presented herein emphasize the important role of STPK-dependent mechanisms in various metabolic pathways in these two pathogens.

La bactérie Streptococcus pneumoniae peut provoquer de sérieuses pathologies chez l'homme telles que des pneumonies, méningites ou septicémies. L'étude de cette bactérie constitue donc un enjeu de santé publique international. Ces dernières années, il a été mis en évidence que les bactéries exprimaient des Sérine/Thréonine Protéine‐Kinases de type eucaryote (STPKs) et que ces dernières intervenaient dans la régulation de nombreux processus cellulaires. Une approche prometteuse serait donc de cibler les mécanismes de régulation contrôlés par les STPKs pour lutter contre les infections à pneumocoque. L'analyse du génome de S. pneumoniae a montré que cette bactérie possède un seul gène codant pour une STPK, la protéine StkP. Mes travaux de thèse ont montré que StkP est un acteur majeur de la division cellulaire et de la morphogenèse du pneumocoque. J'ai montré que son activité kinase est dépendante de la protéine GpsB et qu'elle phosphoryle spécifiquement plusieurs protéines dont la protéine de division DivIVA. L'ensemble de mes travaux permet de proposer un modèle dans lequel la triade StkP/GpsB/DivIVA régulerait finement la division et l'élongation cellulaire du pneumocoque. À plus long terme, ces travaux pourront servir de base à des études plus structurales pour développer des molécules bloquant les processus dépendants de la phosphorylation assurée par StkP, et générer ainsi de nouvelles molécules affectant le pouvoir pathogène du pneumocoque / The bacterium Streptococcus pneumoniae is the causative agent of several diseases such as pneumonia, meningitis or septicemia. The study of this bacterium represents thus an international health challenge. Over the last decade, bacteria have been shown to produce eukaryotic‐like Serine/Threonine Protein‐Kinases (STPKs) that are involved in the regulation of several cellular processes. A promising approach would be to target the regulatory mechanisms controlled by STPKs to combat pneumococcal infections. The pneumococcus possesses a single gene encoding for a STPK, the protein StkP. The aim of my work was to characterize the biological function of StkP. My work shows that StkP plays crucial roles in the cell division and morphogenesis of S. pneumoniae. I show that the cell division protein GpsB is required for the kinase activity of StkP that, in turn, specifically phosphorylates the cell division protein DivIVA. Altogether, I propose a model in which the StkP/GpsB/DivIVA triad finely tunes S. pneumonia cell division and elongation. These data could provide the basis for future structural studies to develop specific inhibitors of StkP‐mediated phosphorylation and affecting pneumococcal virulence

Streptococcus pneumoniae (ou pneumocoque) est un agent pathogène humain responsable de maladies invasives et potentiellement mortelles. Les mécanismes impliqués dans le processus d'invasion restent largement inconnus, mais plusieurs observations suggèrent que les processus de signalisation impliquant la phosphorylation des protéines participeraient au caractère invasif du pneumocoque. Le génome de S. pneumoniae code pour une seule tyrosine-kinase (CpsD) et une seule sérine/thréonine-kinase (StkP). Cette dernière serait notamment impliquée dans la virulence, la compétence et la division cellulaire. Elle représente donc une cible thérapeutique potentielle intéressante pour lutter contre les infections liées au pneumocoque. L'objectif de cette thèse a donc été de caractériser le rôle de cette sérine/thréonine-kinase StkP dans la division cellulaire du pneumocoque. StkP est une protéine transmembranaire qui se caractérise par la présence de motifs structuraux conservés dans son domaine catalytique appelés motifs de Hanks. De plus, StkP possède un domaine extracellulaire composé de la répétition de quatre domaines PASTA (Penicillin-binding protein And Serine/Threonine kinase Associated). Le modèle actuel suggère que ces domaines PASTA seraient capables de fixer des fragments de la paroi cellulaire afin de permettre l'activation de StkP qui se comporterait donc comme un récepteur membranaire permettant de réguler la division cellulaire du pneumocoque. Mes travaux de thèse ont permis de revisiter ce modèle en démontrant que les domaines PASTA ne servent pas uniquement à contrôler l'activité protéine-kinase de StkP mais également à contrôler l'épaisseur de la paroi cellulaire et ainsi permettre la constriction de la cellule. Plus précisément, j'ai démontré que le domaine PASTA distal est spécialisé dans l'interaction avec une hydrolase de la paroi cellulaire alors que les trois autres domaines PASTA sont nécessaires à l'activité kinase de StkP mais également au positionnement du domaine PASTA distal. Ainsi, le domaine extracellulaire de StkP se comporterait comme une règle permettant de définir l'épaisseur de la paroi cellulaire de la bactérie. Ces travaux permettent donc de proposer un nouveau modèle d'activation et de régulation de la division cellulaire par la sérine/thréonine-kinase StkP / Streptococcus pneumoniae (the pneumococcus) is one of the most important human pathogens that causes potentially fatal invasive diseases. Mechanisms required for the pneumococcal invasion process remain largely unknown, but several observations suggest that phosphorylation-based signaling processes will be at play in the invasiveness of the pneumococcus. S. pneumoniae encodes only one tyrosine-kinase (CpsD) and one serine/threonine-kinase (StkP). The latter would be involved in virulence, competence, and cell division. StkP represent therefore a promising target to combat pneumococcal infections. My aims were to better understand the role of StkP in pneumococcal cell division. StkP is a transmembrane protein characterized by the presence of a series of conserved structural motifs called Hanks motifs in its catalytic domain. In addition, StkP possesses an extracellular domain composed of the repetition of four PASTA domains (Penicillin-binding protein And Serine/Threonine kinase Associated). The current model proposes that PASTA domains are able to bind cell wall fragments resulting in StkP kinase activation. StkP would thus behave as an authentic kinase receptor regulating cell division. My thesis works has allowed to revisit this model by showing that PASTA domains do not only serve StkP kinase activation. Rather, they contribute to determine the cell wall thickness and govern cell constriction. More precisely, I demonstrated that the distal PASTA domain possesses unique features for the binding of a cell wall hydrolase whereas the other three contributes to StkP kinase activation and the positioning of the distal PASTA domain. Thus, the extracellular domain of StkP acts as a ruler determining the cell wall thickness. This work allows to propose an alternative model of activation and regulation of cell division by the serine/threonine-kinase StkP

Malgré les modèles établis pour certaines bactéries, la morphogenèse de bactéries de formes atypiques est peu comprise. C'est le cas de la bactérie pathogène pour l'homme Streptococcus pneumoniae, ou pneumocoque, qui possède une forme ovo-diplococcale. Cependant, à mon arrivé au laboratoire, il avait été démontré qu'une sérine/thréonine protéine-kinase membranaire appelée StkP était indispensable à la division cellulaire et à la morphogenèse du pneumocoque. L'objectif de ma thèse a ainsi été de caractériser certains substrats de StkP et d'étudier leur rôle, ainsi que l'impact de leur phosphorylation, au cours du processus de division cellulaire. Dans ce contexte, j'ai montré que le substrat DivIVA et son paralogue GpsB coordonnent l'élongation et la division cellulaire du pneumocoque. Ces travaux permettent de proposer un nouveau modèle de morphogenèse du pneumocoque dans lequel la triade StkP/DivIVA/GpsB organise la synthèse de la paroi cellulaire nécessaire à l'élongation et à la division de la cellule. J'ai également mis en évidence que la protéine MapZ interagit avec la paroi cellulaire lors de l'élongation cellulaire afin de marquer de manière permanente le site de division, où elle recrute la protéine FtsZ. Ces travaux ont ainsi permis d'identifier un système inédit de régulation positive du positionnement du site de division chez les bactéries. Enfin, j'ai caractérisé les déterminants moléculaires du positionnement de MapZ au centre de la cellule. S. pneumoniae étant un pathogène humain important, nous pouvons anticiper que nos données pourraient servir de base fondamentale à des projets plus appliqués de lutte contre les infections bactériennes / Despite the established models for some bacteria, the morphogenesis of bacteria with atypical shapes is poorly understood. This is the case of the human pathogen Streptococcus pneumoniae, or pneumococcus, that displays an ovo-diplococcal shape. However, when I joined the lab, it had just been shown that a membrane serine/threonine kinase named StkP was crucial for the cell division and the morphogenesis of the pneumococcus. The goal of my thesis was to characterize the substrates of StkP and to study their function as well as the impact of their phosphorylation in the cell division process. First, I have shown that the substrate DivIVA together with its paralog GpsB coordinate cell elongation and division of the pneumococcus. Based on these observations, we propose a new model of pneumococcal morphogenesis in which the triad StkP/DivIVA/GpsB organizes cell wall synthesis involved in cell elongation and division. In a second part of my work, I have studied another substrate of StkP that was of unknown function and that we named MapZ. I have shown that MapZ interacts with the cell wall during the cell elongation to position at midcell. Then MapZ recruits the cell division protein FtsZ and controls the closure of the Z-ring. This work has uncovered a new mechanism of positive regulation for the positioning of the division site in bacteria. Finally, I characterized the molecular determinants of MapZ positioning at the division site. S. pneumoniae is an important human pathogen, we can thus anticipate that our work will represent a fundamental base for applied projects in order to develop new strategies against bacterial infections

La défense pré-invasive ou stomatique est un mécanisme qui consiste en la fermeture des pores stomatiques présents sur les organes aériens des plantes lorsque celles-ci sont en contact avec certains agents pathogènes. Cette fermeture empêche ces derniers de pénétrer dans l’hôte et de le coloniser. Ce mécanisme s’active chez Arabidopsis inoculée par la bactérie Pseudomonas syringae pv tomato (Pst) DC3000. Des travaux préliminaires de notre groupe avaient montré que la carbonylation de protéines cibles par des espèces réactives électrophiles (EREs) représentait une étape cruciale de la signalisation cellulaire nécessaire à la mise en place de cette défense. Par des approches de marquage ciblé et de purifications couplées à des identifications par spectrométrie de masse en tandem (nanoLC-MS/MS), nous avons pu caractériser une sérine-thréonine protéine kinase qui joue un rôle déterminant dans ce mécanisme de défense. En effet, des plantes mutées sur le gène codant cette protéine ont perdu la capacité à induire la fermeture de leurs stomates et à déployer la défense stomatique vis-à-vis de la bactérie. De plus, l’introduction de la chimie click (cycloaddition alcyne-azide catalysée par le cuivre), dans nos approches de marquage, nous a permis d’identifier un ensemble de protéines très probablement carbonylées et susceptibles de jouer un rôle crucial dans ces évènements cellulaires qui contribuent à une part de l’immunité végétale. Enfin, les EREs étant capables d’induire la fermeture des stomates, nous avons cherché à savoir, dans le cadre de l’établissement d’une preuve de concept, si leur application sur des plantes permettrait la protection de ces dernières contre Pst. / Pre-invasive or stomatal defense is a mechanism which consists of closing the stomata present at surface of aerial organs of plants when they are in contact with certain pathogens. This closure prevents them from entering and colonizing the host. This mechanism is activated in Arabidopsis inoculated by the bacterium Pseudomonas syringae pv tomato (Pst) DC3000. Preliminary work by our group had shown that carbonylation of target proteins by reactive electrophile species (RES) was a crucial step of the cell signaling required to set up this defense. Through targeted tagging and purifications approaches coupled with tandem mass spectrometry identifications (nanoLC-MS/MS), we have been able to characterize a serine-threonine protein kinase that plays a crucial role in this defense mechanism. Indeed, plants mutated on the gene encoding this protein have lost their ability to trigger stomatal closure and to deploy the stomatal defense against the bacteria. In addition, the use of the click chemistry and notably, the copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition, in our tagging approaches has enabled us to identify a set of proteins that are most likely carbonylated and likely to play a significant role in these cell events that contribute to part of plant immunity. Finally, since RES are able to induce stomatal closure we sought to find out, in the context of establishing a proof-of-concept, whether their application to plants would enable them to be protected against the Pst.