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.

Thèse (M.SC.)--Université Laval, 2004. / Titre de l'écran-titre (visionné le 18 janvier 2005). Bibliogr.

Les changements des niveaux d'expression au cours de l'évolution sont d'une grande importance biologique et sont notamment influencés par des évènements récurrents de duplication de gènes. Ce projet de maîtrise visait donc à caractériser et à expliquer la divergence d'expression à l'intérieur des paires de paralogues de la levure Saccharomyces cerevisiae, qui en possède des centaines. Étant donné que l'abondance d'une protéine reflète l'effet combiné de la transcription et de la traduction, nous nous sommes intéressés à l'évolution de l'efficacité de ces deux processus. L'analyse d'un ensemble de données publié a révélé une prédominance de la divergence transcriptionnelle chez les gènes dupliqués. De tels patrons d'évolution pourraient être dus à l'effet de la sélection, ou encore à un biais dans l'apparition des mutations. Nous avons donc considéré deux causes potentielles : un compromis évolutif récemment décrit entre le coût et la précision de l'expression ainsi qu'une plus grande fréquence - ou de plus grands effets - des mutations agissant sur la transcription. L'évolution in silico de paires de paralogues a montré que l'un et l'autre de ces mécanismes pourraient expliquer la divergence observée. Nous avons aussi exploré l'impact potentiel d'une variété de contraintes mutationnelles, soulignant ainsi l'importance de les mesurer afin de comprendre l'évolution de l'expression génique. En mettant en évidence que les paralogues divergent principalement au niveau de la transcription, ces travaux contribuent à améliorer notre compréhension de l'évolution de l'expression génique et du rôle qu'y jouent les duplications de gènes, tout en identifiant plusieurs directions futures de recherche. / Expression level changes throughout evolution are of great biological significance and for instance occur through recurrent gene duplication events. This project's objective was thus to characterize and explain the expression divergence within the paralog pairs of the yeast Saccharomyces cerevisiae. As the cellular abundance of a protein is influenced by both transcription and translation, we studied these two processes. The analysis of a published set of transcription and translation efficiencies first revealed that the divergence of yeast duplicates was mostly transcriptional. Such evolutionary patterns could either be due to selection or to a mutational bias. Accordingly, we considered two potential causes: a recently described evolutionary trade-off between the cost and the precision of expression, and a higher frequency - or larger effects - for mutations acting on transcription. The in silico evolution of paralog pairs showed that both mechanisms are consistent with the observed divergence patterns. We also explored the potential impact of a few types of mutational constraints, thus underscoring the importance of measuring them to fully understand the evolution of gene expression. By highlighting that paralogs mostly diverge in transcription, this work improves our understanding of the evolution of gene expression, especially regarding how gene duplication contributes to it, while also identifying future research directions.

Les interactions protéine-protéine (PPI) sont à la base du fonctionnement cellulaire de tous les organismes. Regroupées en deux catégories, les méthodes pour étudier les PPI permettent soit d’identifier les protéines composant le complexe, soit de déterminer les relations entre les protéines. Il existe peu de méthodes hybrides permettant d’obtenir ces deux informations et ces méthodes comportent plusieurs limitations. Le but de ce projet était de développer une nouvelle méthode hybride en modifiant la complémentation de fragments protéiques (DHFR PCA) chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Le principe de la DHFR PCA repose sur l’association de deux fragments rapporteurs complémentaires en présence d’une interaction protéine-protéine. Les fragments rapporteurs sont fusionnés aux protéines via un connecteur peptidique. La longueur du connecteur limite la distance maximale à laquelle il est possible de détecter une interaction entre deux protéines. Notre hypothèse était qu’en augmentant la longueur du connecteur, nous serions en mesure de détecter des interactions plus éloignées. Nous avons d’abord vérifié que l’augmentation de la longueur du connecteur permettait de modifier notre capacité à détecter des interactions sans toutefois perdre la spécificité de la méthode. De nouvelles interactions ont été détectées à l’intérieur d’un même complexe protéique et entre deux complexes. Nous avons ensuite validé notre capacité à mieux disséquer l’architecture des complexes protéiques en approfondissant le cas de cinq complexes protéiques à l’aide de plusieurs combinaisons de longueurs de connecteurs. Enfin, nous avons confirmé que la méthode permettait effectivement de détecter des interactions entre protéines plus distantes en comparant les résultats obtenus aux distances calculées à partir des structures du protéasome disponibles. La variation apportée à la DHFR PCA permet de moduler la résolution de l’étude des PPI et ainsi de mieux définir l’architecture des complexes protéiques. / Protein-protein interactions (PPI) are central to all cellular processes in all organisms. Grouped in two categories, methods to study PPI allow either to identify proteins composing protein complexes or to determine relationships between proteins. Only a few hybrid methods can be used to obtain both of those informations and these methods present many limitations. The goal of this project was to develop a new hybrid method by modifying the Protein-fragment complementation assay (DHFR PCA) in the yeast Saccharomyces cerevisiae. DHFR PCA is based on the association of two complementary reporter fragments in presence of an interaction. Both fragments are fused to proteins with a peptide linker. Linker length limits the maximal distance at which it is possible to detect an interaction between two proteins. Our hypothesis was that increased linker length would allow the detection of more distant interactions. We first verified if the augmentation of linker length modified our capacity to detect interactions without losing specificity. New interactions were detected inside and between complexes. Then, we validated our capacity to better dissect protein complexes architecture by studying five protein complexes with different linker length combinations. Finally, we confirmed that the method allowed the detection of interactions that were further in space by comparing our results with distances calculated with available proteasome structures. This variation of DHFR PCA allows to modulate the resolution of PPI study and thus better define protein complexes architecture.

Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, plusieurs des protéines impliquées dans l'assemblage et le remodelage de la paroi cellulaire sont produites sous forme inactive ou nécessitent une régulation négative une fois leur travail effectué. Des enzymes protéolytiques doivent donc intervenir à des moments précis pour réguler leur activité. Parmi ces enzymes on retrouve Kex2p, une protéase à sérine impliquée dans la maturation protéolytique des précurseurs protéiques acheminés vers la voie de sécrétion, et Yps1p, une aspartyl protéase dont la fonction est encore peu connue puisque aucun de ses substrats biologiques n'a encore été identifié. Par conséquent, notre objectif principal était de découvrir un ou plusieurs substrats naturels de l'endoprotéase Yps1 dans le but de lui associer une fonction précise. Puisque certaines évidences semblaient indiquer une implication possible de Yps1p dans la régulation des propriétés de la paroi cellulaire via le clivage endoprotéolytique de la chitine synthétase I, nous avons premièrement tenté de démontrer un lien direct entre Yps1p et l'activation de cette enzyme. Toutefois, nos résultats ont plutôt démontré que Yps1p était impliquée dans l'activation d'une ou plusieurs autres protéines que Chs1p. Nous avons donc opté pour une approche plus globale en caractérisant les phénotypes des mutants yps1[delta], kex2[delta] et yps1[delta]kex2[delta]. C'est alors que nous avons fait un premier lien entre Yps1p et les mannoprotéines de la paroi cellulaire. Par la suite, une comparaison entre les profils électrophorétiques des mannoprotéines sécrétées dans le milieu de culture nous a permis d'identifier quelques candidats potentiels que nous avons ensuite caractérisés par séquençage en N-terminal. En plus de confirmer que Yps1p joue un rôle important dans la régulation des propriétés de la paroi cellulaire chez S. cerevisiae, nos résultats ont démontrés que cette endoprotéase est impliquée dans le clivage endoprotéolytique de Gas1p, une [bêta] 1,3-glucanosyltransférase responsable de l'élongation des chaînes latérales de [bêta] 1,3-glucans. Par conséquent, cette découverte fait de Gas1p le premier substrat naturel de l'endoportéase Yps1 à être identifié.

Chez Saccharomyces cerevisiae, le cytosquelette d'actine est formé de câbles d'actine et de granules corticaux. La surexpression d'ARF3 dans trois souches présentant un défaut soit dans la formation des câbles soit dans l'organisation des granules corticaux a entraîné une correction de leurs phénotypes. Ces résultats suggèrent un rôle pour Arf3p dans la formation et/ou l'organisation de ces deux structures. La mutagenèse dirigée a permis de démontrer que la myristoylation d'Arf3p est nécessaire à son activité. La localisation spécifique d'Arf3p est dépendante des protéines Bni1p, Drs2p, Gea1p et Gea2p qui ont un rôle dans l'organisation du cytosquelette d'actine. De plus, ARF3 démontre une interaction génétique avec GEA2 et la surexpression de GEA2 et de la région fonctionnelle de BNI1 corrigent le bourgeonnement aléatoire d'arf3?. Ces résultats indiquent un rôle important pour Arf3p dans l'organisation du cytosquelette d'actine ainsi qu'un lien entre cette protéine et plusieurs autres impliquées dans cette structure.

Les organismes eucaryotes possèdent plusieurs mécanismes de contrôle qualité en vue d'assurer leur survie en condition de stress. La réponse aux protéines mal repliées (UPR) est un mécanisme à la base de différents volets ayant pour but de ramener l'organisme vers l'homéostasie. L'étude qui suit vise à caractériser plus en profondeur un volet de cette réponse qui est lié non pas à la présence de protéines mal repliées, mais plutôt à des défauts dans l'homéostasie des lipides de la cellule. Notre étude a mis en évidence qu'une forme précise de la protéine à ancrage GPI modèle Yps1p est relâchée de manière importante dans des souches mutantes connues pour déclencher ce volet de la réponse UPR. Nous avons aussi montré que cette relâche ne semble pas être causée par le déclenchement de l'UPR et que des phospholipases sont responsables du clivage de l'ancrage GPI. Une défaillance ou une insuffisance de l'UPR est associée à plusieurs pathologies humaines, dont le diabète de type 2, d'où l'intérêt d'en étudier les différentes facettes.

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La mort cellulaire programmée est un processus par lequel les cellules participent activement à leur propre mort. Ce mécanisme est très important au niveau du développement et de la survie de tous les organismes et est régulé par une panoplie de protéines. Parmi les protéines régulatrices figurent la protéine ±Bax Inhibitor-1¿ que l'on retrouve autant chez les cellules animales que végétales. Cette protéine est surtout connue et identifiée par son effet inhibiteur de l'action de la protéine Bax, protéine principalement retrouvée dans les cellules animales qui, lorsque surexprimée, active la mort cellulaire. L'analyse des séquences d'acides aminés de BI-1 provenant de cinq différentes espèces de plantes suggère l'existence de sept domaines transmembranaires avec la présence de résidus chargés dans certains domaines ce qui laisse supposer des interactions avec d'autres molécules. / D'un autre côté, le haut niveau de conservation de l'extrémité C-terminale à travers l'évolution dénote son importance fonctionnelle potentielle. Suite à ces constatations, l'étude de la relation entre la structure et la fonction de la protéine BI-1 a été entreprise afin d'identifier des sites potentiellement importants dans la séquence de la protéine BI-1 qui lui permet de contrer l'action de Bax. Nous avons démontré, par délétion graduelle de l'extrémité C-terminale, que cette région est importante pour la fonction de BI-1. Cette extrémité délètée, d'aussi peu que quatre acides aminés, modifie la fonction de la protéine et une délétion de onze acides aminés abolit complètement son effet cytoprotecteur. Nous avons aussi établi, par mutagenèse dirigée, que deux acides aminés chargés sur quatre dans le septième domaine transmembranaire sont importants pour la fonction de BI-1. Finalement, nous avons proposé, suite à l'étude par mutagenèse aléatoire, l'importance possible du cinquième domaine transmembranaire dans la fonction de la protéine BI-1. Nous pouvons donc conclure que la capacité de BI-1 à inhiber l'effet létal de Bax dépend de sa structure.

La transcription est le processus biologique qui permet l'expression des gènes et donc est essentielle à la vie cellulaire. Ce phénomène nécessite une régulation très fine via de nombreux signaux cellulaires menant à un contrôle de la dynamique chromatinienne. Chez Saccharomyces cerevisiae, le complexe histone acétyltransférase NuA4 participe à cette régulation en acétylant les queues N-terminales des histones H4 et H2A. La chromatine est alors plus relâchée, ce qui facilite l'accès de toute la machinerie transcriptionnelle. Lors de cette étude, nous avons abordé deux aspects distincts de la fonction de NuA4. D'une part, la sous-unité Yng2, homologue de suppresseur de tumeur humain impliqué entre autres dans la régulation de p53, est connue pour interférer dans plusieurs processus cellulaires. In vivo, le mutant Ayng2 entraîne une diminution de l'acétylation de H4 et de la transcription dépendante de NuA4. La création de mutations ponctuelles dans le domaine ± Plant HomeoDomain ¿ (PHD) et la région polybasique de la protéine provoque la perte d'interactions spécifiques avec la modification post-traductionnelle H3K4me3 et les phosphatidylinositol phosphates. L'étude fonctionnelle de ces mutants révèle une répercussion sur l'activité de NuA4 et la transcription. D'autre part, les sous-unités EaO, 5 et 7 existent majoritairement hors de NuA4 sous la forme d'un trimère. Des tests de sensibilité mettent en évidence une corrélation entre ce trimère et la transcription. De plus, le trimère serait présent à la région codante de gènes transcrits suggérant un rôle dans l'élongation transcriptionnelle.