Cette thèse se place dans le cadre de l'étude in silico, c'est-à-dire assistée par ordinateur, des liens qui unissent la séquence d'une protéine à la (ou aux) structure(s) tri-dimensionnelle(s) qu'elle adopte. Le décryptage de ces liens présente de nombreuses applications dans divers domaines et constitue sans doute l'une des problématiques les plus fascinantes de la recherche en biologie moléculaire. Le premier aspect de notre travail concerne le développement de potentiels statistiques dérivés de bases de données de protéines dont les structures sont connues. Ces potentiels présentent plusieurs avantages: ils peuvent être aisément adaptés à des représentations structurales simplifiées, et permettent de définir un nombre limité de fonctions énergétiques qui incarnent l'ensemble complexe d'interactions gouvernant la structure et la stabilité des protéines, et qui incluent également certaines contributions entropiques. Cependant, leur signification physique reste assez nébuleuse, car l'impact des diverses hypothèses nécessaires à leur dérivation est loin d'être clairement établi. Nous nous sommes attachés à l'étude de certaines limitations des ces potentiels: leur dépendance en la taille des protéines incluses dans la base de données, la non-additivité des termes de potentiels, et l'importance souvent négligée de l'environnement protéique spécifique ressenti par chaque résidu. Nous avons ainsi mis en évidence que l'influence de la taille des protéines de la base de données sur les potentiels de distance entre résidus est spécifique à chaque paire d'acides aminés, peut être relativement importante, et résulte essentiellement de la répartition inhomogène des résidus hydrophobes et hydrophiles entre le coeur et la surface des protéines. Ces résultats ont guidé la mise au point de fonctions correctives qui permettent de tenir compte de cette influence lors de la dérivation des potentiels. Par ailleurs, la définition d'une procédure générale de dérivation de potentiels et de termes de couplage a rendu possible la création d'une fonction énergétique qui tient compte simultanément de plusieurs descripteurs de séquence et de structure (la nature des résidus, leurs conformations, leurs accessibilités au solvant, ainsi que les distances qui les séparent dans l'espace et le long de la séquence). Cette fonction énergétique présente des performances nettement améliorées par rapport aux potentiels originaux, et par rapport à d'autres potentiels décrits dans la littérature. Le deuxième aspect de notre travail concerne l'application de programmes basés sur des potentiels statistiques à l'étude de protéines qui adoptent des structures alternatives. La permutation de domaines est un phénomène qui affecte diverses protéines et qui implique la génération d'un oligomère suite à l'échange de fragments structuraux entre monomères identiques. Nos résultats suggèrent que la présence de "faiblesses structurales", c'est-à-dire de régions qui ne sont pas optimales vis-à-vis de la stabilité de la structure native ou qui présentent une préférence marquée pour une conformation non-native en absence d'interactions tertiaires, est intimement liée aux mécanismes de permutation. Nous avons également mis en évidence l'importance des interactions de type cation-{pi}, qui sont fréquemment observées dans certaines zones clés de la permutation. Finalement, nous avons sélectionné un ensemble de mutations susceptibles de modifier sensiblement la propension de diverses protéines à permuter. L'étude expérimentale de ces mutations devrait permettre de valider, ou de raffiner, les hypothèses que nous avons proposées quant au rôle joué par les faiblesses structurales et les interactions de type cation-{pi}. Nous avons également analysé une autre protéine soumise à d'importants réarrangements conformationnels: l'{alpha}1-antitrypsine. Dans le cas de cette protéine, les modifications structurales sont indispensables à l'exécution de l'activité biologique normale, mais peuvent sous certaines conditions mener à la formation de polymères insolubles et au développement de maladies. Afin de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la polymérisation, nous avons cherché à concevoir rationnellement des protéines mutantes qui présentent une propension à polymériser contrôlée. Des tests expérimentaux ont été réalisés par le groupe australien du Professeur S.P. Bottomley, et ont permis de valider nos prédictions de manière assez remarquable. ---------------------------------------------------------------------------------------------------- The work presented in this thesis concerns the computational study of the relationships between the sequence of a protein and its three-dimensional structure(s). The unravelling of these relationships has many applications in different domains and is probably one of the most fascinating issues in molecular biology. The first part of our work is devoted to the development of statistical potentials derived from databases of known protein structures. These potentials allow to define a limited number of energetic functions embodying the complex ensemble of interactions that rule protein folding and stability (including some entropic contributions), and can be easily adapted to simplified representations of protein structures. However, their physical meaning remains unclear since several hypotheses and approximations are necessary, whose impact is far from clearly understood. We studied some of the limitations of these potentials: their dependence on the size of the proteins included in the database, the non-additivity of the different potential terms, and the importance of the specific environment of each residue. Our results show that residue-based distance potentials are affected by the size of the database proteins, and that this effect can be quite strong, is residue-specific, and seems to result mostly from the inhomogeneous partition of hydrophobic and hydrophilic residues between the surface and the core of proteins. On the basis of these observations, we defined a set of corrective functions in order to take protein size into account while deriving the potentials. On the other hand, we developed a general procedure of derivation of potentials and coupling terms and consequently created an energetic function describing the correlations between several sequence and structure descriptors (the nature of each residue, the conformation of its main chain, its solvent accessibility, and the distances that separate it from other residues, in space and along the sequence). This energetic function presents a strongly improved predictive power, in comparison with the original potentials and with other potentials described in the literature. The second part describes the application of different programs, based on statistical potentials, to the study of proteins that adopt alternative structures. Domain swapping involves the exchange of a structural element between identical proteins, and leads to the generation of an oligomeric unit. We showed that the presence of “structural weaknesses”, regions that are not optimal with respect to the folding mechanisms or to the stability of the native structure, seems to be intimately linked with the swapping mechanisms. In addition, cation-{pi} interactions were frequently detected in some key locations and might also play an important role. Finally, we designed a set of mutations that are likely to affect the swapping propensities of different proteins. The experimental study of these mutations should allow to validate, or refine, our hypotheses concerning the importance of structural weaknesses and cation-{pi} interactions. We also analysed another protein that undergoes large conformational changes: {alpha}1-antitrypsin. In this case, the structural modifications are necessary to the proper execution of the biological activity. However, under certain circumstances, they lead to the formation of insoluble polymers and the development of diseases. With the aim of reaching a better understanding of the mechanisms that are responsible for this polymerisation, we tried to design mutant proteins that display a controlled polymerisation propensity. An experimental study of these mutants was conducted by the group of Prof. S.P. Bottomley, and remarkably confirmed our predictions.

En raison de leur haute spécificité d’interaction, les protéines thérapeutiques sont de plus en plus utilisées et représentent une part majoritaire du marché pharmaceutique. Néanmoins, ces molécules sont fragiles et leur stabilité est une problématique majeure pour l'industrie pharmaceutique. La dégradation des protéines thérapeutiques peut survenir à chaque étape de leur cycle de vie : production, stockage, transport et administration au patient. Les modifications chimiques, l'exposition à des forces de cisaillement (fort débit fluidique), la température, le pH et les interactions avec les matériaux et/ou les interfaces gazeuses sont autant de facteurs qui peuvent nuire à la stabilité de ces protéines. De plus, l'utilisation croissante de dispositifs médicaux automatisés pour la manipulation et l'injection de protéines thérapeutiques augmente drastiquement le risque de dégradation. Dans cette thèse, nous étudions l’effet et le rôle de la triple interface solide/liquide/air sur l'agrégation des protéines. Ce phénomène se produit fréquemment dans les procédés de manipulation d’une solution de protéines thérapeutiques (cavitation, agitation…). Lors d’un mouillage intermittent, les interfaces air/liquide et liquide/solide se confondent en une seule et même interface appelée triple interface ou ligne triple. La ligne triple est une zone favorisant fortement l'agrégation des protéines. Notre étude, basée sur l’insuline, montre que la ligne triple cause une accumulation progressive de protéines qui déclenche, après une période de nucléation, leur agrégation, précisément à l’endroit de cette ligne triple. Nos résultats démontrent aussi que les forces de cisaillement, seules, n’entrainent pas l’agrégation de l’insuline. De plus, nous observons que la diminution de la tension superficielle (induite par l’ajout de polysorbates) d'une solution de protéines réduit le risque de formation d’agrégats. En conclusion de ce travail, nous proposons des recommandations pour la conception des dispositifs médicaux de préparation et d’administration de protéines thérapeutiques. / Due to the high specificity of their interactions, proteins are increasingly used in therapy and represent a vast majority of the global pharmaceutical market. Nevertheless, these molecules are fragile and therapeutic protein stability is a major concern in pharmaceutical industry. Protein degradation and aggregation can occur at every step during production, storage, transport and delivery. In this thesis, we interrogate the possible role of intermittent wetting in protein aggregation. Intermittent wetting frequently occurs in protocols involving pumping (cavitation), agitation, and liquid handling. During intermittent wetting, the air/liquid and liquid/solid interfaces meet at a triple line or triple interface, which is a local trigger for protein aggregation because it concentrates the mechanical action of the recessing fluid on the surface adsorbed proteins. We study the effect of surface intermittent wetting on insulin aggregation. Our results demonstrate that the triple interface line, where an air/water interface meets a hydrophobic surface, allows progressive protein accumulation, and finally triggers local insulin aggregation. We also show that shear stress, alone, is not detrimental for protein stability. Additionally, Additives such as polysorbates were tested, showing that the modification of the surface tension of a protein solution impacts its ability to form aggregates. Based on this work, we propose recommendations for the design of drug delivery and preparation devices in order to limit the risk of protein aggregation at the triple interface.

L'hormone thyroïdienne (T3) contrôle à la fois les processus développementaux et physiologiques. Elle agit via les récepteurs de l'hormone thyroïdienne (TR), membres de la famille des récepteurs hormonaux nucléaires. Ils agissent comme des facteurs de transcription dépendants du ligand. La méthylation de l'ADN en position 5 de la cytosine est une modification épigénétique importante qui affecte la structure de la chromatine et l'expression des gènes. Des études récentes ont établi un rôle important des protéines de la famille TET (Ten-eleven translocation) dans la régulation de la dynamique de la méthylation de l'ADN. Elles convertissent la 5-méthyl-cytosine (5mC) en 5-hydroxyméthylcytosine (5hmC). D’autres études ont démontré que les protéines TET (TET1, TET2 et TET3) possèdent des fonctions de régulation transcriptionnelle dépendantes et indépendantes de leur activité catalytique. Notre étude a identifié TET3 comme une nouvelle protéine interagissant avec TR. Le domaine AF2 de TR ainsi que le domaine catalytique et le domaine CXXC de TET3 sont responsables de cette interaction. Celle-ci permet la stabilisation de TR lié à la chromatine, entraînant une potentialisation de son activité transcriptionnelle. L'effet de modulation de TET3 sur TR présenté ici est indépendant de son activité hydroxylase de TET3. Ainsi, cette étude met en évidence un nouveau mode d'action de TET3 en tant que régulateur non classique de TR, modulant sa stabilité et son accès à la chromatine plutôt que son activité de transcription intrinsèque. Des mutations du gène codant pour TRα provoquent le symptôme RTHα dont la gravité varie en fonction de la mutation. Les différentes capacités d’interaction des mutants TRα, pertinents pour la maladie de RTHα humaine, avec TET3 pourraient expliquer les différences d’effet dominant négatif. La fonction de régulation de TET3 pourrait s’appliquer plus généralement aux facteurs de transcription des récepteurs nucléaires, car différents membres de la superfamille des récepteurs nucléaires présentent la même interaction avec TET3, tels que AR (récepteur des androgènes), ERR (récepteur des œstrogènes) et RAR (récepteur de l'acide rétinoïque). L'interaction entre TET3 et RAR implique le domaine de liaison ADN de RAR. La pertinence fonctionnelle de l'interaction TET3 / RAR a été étudiée plus en détail dans les cellules souches embryonnaire (cellules ES). L’absence combinée des trois TET a entraîné la diminution de 5hmC et la dérégulation des gènes impliqués dans la différenciation des cellules ES. Parmi les gènes dérégulés, nous avons identifié un sous-ensemble de gènes cibles de l’acide rétinoïque, suggérant que les RAR (récepteurs d'acide rétinoïque) et les TET pourraient travailler ensemble pour réguler la différenciation des cellules ES. Une étude supplémentaire a révélé que les protéines TET peuvent jouer un rôle dans la facilitation du recrutement de RAR aux régions promotrices de ses gènes cibles. En outre, nos résultats montrent un rôle potentiel de l'activité hydroxylase des protéines TET dans la modulation de l'activité transcriptionnelle des RAR. En conclusion, notre travail a identifié les protéines TET comme nouveaux régulateurs des récepteurs nucléaires. Les mécanismes exacts impliqués doivent être étudiés plus avant. / Thyroid hormone (T3) controls both developmental and physiological processes. Its nuclear receptors, thyroid hormone receptors (TRs), are members of the nuclear hormone receptor family which act as ligand-dependent transcription factors. DNA methylation at the fifth position of cytosine is an important epigenetic modification that affects chromatin structure and gene expression. Recent studies have established a critical function of the Ten-eleven translocation (TET) family proteins in regulating DNA methylation dynamics by converting 5-methyl-cytosine (5mC) into 5-hydroxymethylcytosine (5hmC). Studies demonstrated that TETs proteins (including TET1, TET2 and TET3) possess catalytic activity dependent and independent transcriptional regulatory functions. Our study identified TET3 as a new TR interacting protein. The AF2 domain of TR and the catalytic domain and CXXC domain of TET3 are responsible for their interaction. This interaction allows the stabilization of chromatin bound TR, resulting in a potentiation of its transcriptional activity. The modulation effect of TET3 on TR presented here is independent of its hydroxylase activity. Thus this study evidences a new mode of action for TET3 as a non-classical regulator of TR, modulating its stability and access to chromatin rather that its intrinsic transcriptional activity. Mutations in TR cause the RTH symptom which severity varies with the particular mutation. The differential ability of different TRα mutants, relevant for the human RTHα disease, to interact with TET3 might explain their differential dominant negative activity. The regulatory function of TET3 might be more general towards the nuclear receptor transcriptional factors since different members of the superfamily present the same interaction with TET3, such as AR (androgen receptor), ERR (Estrogen-related receptor) and RAR (retinoic acid receptor). The interaction between TET3 and RAR involves the DNA binding domain of RAR. The functional relevance of TET3/RAR interaction was further studied in ES cells. Combined deficiency of all three TETs led to depletion of 5hmC and deregulation of genes involved in ES differentiation. Among the deregulated genes, a subset of RA response genes was identified, suggesting that RARs (retinoic acid receptors) and TETs might work together to regulate ES cell differentiation. Further dissection revealed that TET proteins may have a role in facilitating RAR recruitment to the promoter regions of these RAR target genes. Moreover, our results indicated a potential role of the hydroxylase activity of TET proteins in modulating RAR transcriptional activity. Altogether, our work identified TET proteins as new regulators of NR (Nuclear Receptors). The exact mechanisms involved need to be further studied.

Récemment Franzetti et al. ont découvert un nouveau type de protéases auto-compartimentées indépendantes d'énergie dans les archaeas. Les particules ont été appelées TET pour leurs structures tridimensionnelles tétraédriques. Les TETs forment de grands complexes d'un poids moléculaire d'environ 500kDa. Leur rôle dans l'organisme est pourtant inconnu. Dans P. horikoshii, une Archaea hyperthermophile de la mer profonde, trois protéases TET ont été identifiées (PhTET1, 2 et 3). Nous avons exprimé et purifié PhTET3 recombinante. L'enzyme a été caractérisée biochimiquement et nous avons déterminé la structure d'un complexe de PhTET3 de 12 sous-unités par cristallographie aux rayons X. Afin de mieux comprendre son rôle physiologique potentiel et de s'assurer pourquoi il y a trois protéases TET dans P. horikoshii, la structure et les propriétés enzymatiques de PhTET3 ont été comparées à celles de deux autres protéases TET déjà caractérisées. Puisque l'auto-compartimentage joue un rôle important dans le fonctionnement et la régulation des protéases, les facteurs commandant l'oligomérisation de PhTET3 in vitro ont été étudiés par ultracentrifugation analytique et diffusion de neutrons aux petits angles. Finalement, dans des états physiologiques de mer profonde, l'enzyme est exposée à la haute température (jusqu'à 100°C) et à la haute pression. Afin d'étudier les limites de la stabilité de grands assemblages macromoléculaires, la structure à basse résolution et l'activité enzymatique de PhTET3 ont été mesurées à hautes pressions et à hautes températures en utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles et la spectrophotométrie à haute pression. Au total, ces études ont indiqué que les protéases TET de P. horikoshii forment un système intégré de dégradation de peptides et que PhTET3 montre une stabilité exceptionnelle à haute pression et à haute température aussi bien que des propriétés enzymatiques associées aux conditions environnementales.

Protéines sont largement utilisés dans la formulation dans le domaine pharmaceutique et de jouer un rôle important dans les fonctions biologiques. Il est bien connu que l'adsorption de protéines sur la surface solide est toujours observé pour un stockage à long terme, ce qui entraînera une réduction de la dose de substance active ou une perte de l'activité biologique. Dans certains cas, une courte période de contact avec la surface est suffisante pour modifier fortement la conformation des protéines : par exemple, l'insuline pertes 52% de son activité biologique après 5 minutes de contact avec la surface de verre, ainsi qu'une perte de 30% d’activité biologique du cétrorélix est observé après 2 heures de contact. Parmi tous les paramètres, la dénaturation des protéines est fortement liée à sa stabilité des propriétés de surface. La compréhension de l'adsorption de protéines est devenue une question cruciale dans l'industrie pharmaceutique.Pour mieux comprendre le comportement des protéines à la surface, la quantification des protéines adsorbées et sa conformation devrait être étudiée. L'objectif de notre recherche sera de comprendre les comportements des protéines sur différents surfaces de seringue pré - remplie classique.Le principal objectif de ce projet est de comprendre le comportement de plusieurs modèles de protéines comme la sérum d’albumine bovine (BSA), le lysozyme (LSZ) et la myoglobine (MGB) en contact avec des surfaces de seringues pré-remplie comme le verre et l’élastomère. Nous proposons d'utiliser la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) pour la quantification de protéine adsorbée sur une surface plane en déterminant la déplétion des protéines en solution. La réflexion totale atténuée infrarouge à transformée de fourier (FTIR-ATR) spectroscopie est utilisée de suivre les changements structurels des protéines adsorbées sur des surfaces solides. [...] / Proteins are widely used in formulation in the pharmaceutical field and play a major role in biological functions. It is well known that protein adsorption on solid surface is always observed for a long-term storage, which will result in a reduced dose of active compound or a loss of biological activity. In some cases, only short time of contact are sufficient to drastically modify the protein conformation: for instance, insulin losses 52% of its biological activity after 5 minutes contacting with glass surface, as well as a loss of 30% of cetrorelix is observed after 2 hours. Among all parameters, the time frame of the denaturation process is strongly related to the protein stability and surface properties. The understanding of protein adsorption has therefore become a crucial issue in the pharmaceutical industry.To gain a better understanding of proteins’ behavior on the surface, adsorbed protein quantification and its conformation should be studied. The objective of our research in a first will be to understand proteins’ behaviors on various surfaces which composed a classical prefilled syringe.The main goal of this PhD project is to understand the behaviors of several model proteins like bovine serum albumin (BSA), lysozyme (LSZ) and myoglobin (MGB) in contact with the surfaces of prefilled syringes such as glass and elastomer. We propose to use the high performance liquid chromatography (HPLC) to quantify the amount of protein adsorbed on a flat surface by determining the depletion of the proteins in solution. Fourier transform infrared-attenuated total reflection (FTIR-ATR) spectroscopy was as well as employed to follow the structural changes of adsorbed BSA on solid surface. [...]

Cette thèse se place dans le cadre de l'étude in silico, c'est-à-dire assistée par ordinateur, des liens qui unissent la séquence d'une protéine à la (ou aux) structure(s) tri-dimensionnelle(s) qu'elle adopte. Le décryptage de ces liens présente de nombreuses applications dans divers domaines et constitue sans doute l'une des problématiques les plus fascinantes de la recherche en biologie moléculaire.<p><p>Le premier aspect de notre travail concerne le développement de potentiels statistiques dérivés de bases de données de protéines dont les structures sont connues. Ces potentiels présentent plusieurs avantages: ils peuvent être aisément adaptés à des représentations structurales simplifiées, et permettent de définir un nombre limité de fonctions énergétiques qui incarnent l'ensemble complexe d'interactions gouvernant la structure et la stabilité des protéines, et qui incluent également certaines contributions entropiques. Cependant, leur signification physique reste assez nébuleuse, car l'impact des diverses hypothèses nécessaires à leur dérivation est loin d'être clairement établi. Nous nous sommes attachés à l'étude de certaines limitations des ces potentiels: leur dépendance en la taille des protéines incluses dans la base de données, la non-additivité des termes de potentiels, et l'importance souvent négligée de l'environnement protéique spécifique ressenti par chaque résidu. Nous avons ainsi mis en évidence que l'influence de la taille des protéines de la base de données sur les potentiels de distance entre résidus est spécifique à chaque paire d'acides aminés, peut être relativement importante, et résulte essentiellement de la répartition inhomogène des résidus hydrophobes et hydrophiles entre le coeur et la surface des protéines. Ces résultats ont guidé la mise au point de fonctions correctives qui permettent de tenir compte de cette influence lors de la dérivation des potentiels. Par ailleurs, la définition d'une procédure générale de dérivation de potentiels et de termes de couplage a rendu possible la création d'une fonction énergétique qui tient compte simultanément de plusieurs descripteurs de séquence et de structure (la nature des résidus, leurs conformations, leurs accessibilités au solvant, ainsi que les distances qui les séparent dans l'espace et le long de la séquence). Cette fonction énergétique présente des performances nettement améliorées par rapport aux potentiels originaux, et par rapport à d'autres potentiels décrits dans la littérature.<p><p>Le deuxième aspect de notre travail concerne l'application de programmes basés sur des potentiels statistiques à l'étude de protéines qui adoptent des structures alternatives. La permutation de domaines est un phénomène qui affecte diverses protéines et qui implique la génération d'un oligomère suite à l'échange de fragments structuraux entre monomères identiques. Nos résultats suggèrent que la présence de "faiblesses structurales", c'est-à-dire de régions qui ne sont pas optimales vis-à-vis de la stabilité de la structure native ou qui présentent une préférence marquée pour une conformation non-native en absence d'interactions tertiaires, est intimement liée aux mécanismes de permutation. Nous avons également mis en évidence l'importance des interactions de type cation-{pi}, qui sont fréquemment observées dans certaines zones clés de la permutation. Finalement, nous avons sélectionné un ensemble de mutations susceptibles de modifier sensiblement la propension de diverses protéines à permuter. L'étude expérimentale de ces mutations devrait permettre de valider, ou de raffiner, les hypothèses que nous avons proposées quant au rôle joué par les faiblesses structurales et les interactions de type cation-{pi}. Nous avons également analysé une autre protéine soumise à d'importants réarrangements conformationnels: l'{alpha}1-antitrypsine. Dans le cas de cette protéine, les modifications structurales sont indispensables à l'exécution de l'activité biologique normale, mais peuvent sous certaines conditions mener à la formation de polymères insolubles et au développement de maladies. Afin de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la polymérisation, nous avons cherché à concevoir rationnellement des protéines mutantes qui présentent une propension à polymériser contrôlée. Des tests expérimentaux ont été réalisés par le groupe australien du Professeur S.P. Bottomley, et ont permis de valider nos prédictions de manière assez remarquable.<p><p><p><p>The work presented in this thesis concerns the computational study of the relationships between the sequence of a protein and its three-dimensional structure(s). The unravelling of these relationships has many applications in different domains and is probably one of the most fascinating issues in molecular biology.<p><p>The first part of our work is devoted to the development of statistical potentials derived from databases of known protein structures. These potentials allow to define a limited number of energetic functions embodying the complex ensemble of interactions that rule protein folding and stability (including some entropic contributions), and can be easily adapted to simplified representations of protein structures. However, their physical meaning remains unclear since several hypotheses and approximations are necessary, whose impact is far from clearly understood. We studied some of the limitations of these potentials: their dependence on the size of the proteins included in the database, the non-additivity of the different potential terms, and the importance of the specific environment of each residue. Our results show that residue-based distance potentials are affected by the size of the database proteins, and that this effect can be quite strong, is residue-specific, and seems to result mostly from the inhomogeneous partition of hydrophobic and hydrophilic residues between the surface and the core of proteins. On the basis of these observations, we defined a set of corrective functions in order to take protein size into account while deriving the potentials. On the other hand, we developed a general procedure of derivation of potentials and coupling terms and consequently created an energetic function describing the correlations between several sequence and structure descriptors (the nature of each residue, the conformation of its main chain, its solvent accessibility, and the distances that separate it from other residues, in space and along the sequence). This energetic function presents a strongly improved predictive power, in comparison with the original potentials and with other potentials described in the literature.<p><p>The second part describes the application of different programs, based on statistical potentials, to the study of proteins that adopt alternative structures. Domain swapping involves the exchange of a structural element between identical proteins, and leads to the generation of an oligomeric unit. We showed that the presence of “structural weaknesses”, regions that are not optimal with respect to the folding mechanisms or to the stability of the native structure, seems to be intimately linked with the swapping mechanisms. In addition, cation-{pi} interactions were frequently detected in some key locations and might also play an important role. Finally, we designed a set of mutations that are likely to affect the swapping propensities of different proteins. The experimental study of these mutations should allow to validate, or refine, our hypotheses concerning the importance of structural weaknesses and cation-{pi} interactions. We also analysed another protein that undergoes large conformational changes: {alpha}1-antitrypsin. In this case, the structural modifications are necessary to the proper execution of the biological activity. However, under certain circumstances, they lead to the formation of insoluble polymers and the development of diseases. With the aim of reaching a better understanding of the mechanisms that are responsible for this polymerisation, we tried to design mutant proteins that display a controlled polymerisation propensity. An experimental study of these mutants was conducted by the group of Prof. S.P. Bottomley, and remarkably confirmed our predictions.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

De nombreuses voies de signalisation cellulaire complexes permettent de répondre à la présence de dommages à l’ADN. Cette réponse cellulaire est indispensable afin d’éviter l’accumulation de mutations pouvant éventuellement conduire à la transformation tumorale. Ces différentes voies de réponse aux dommages à l’ADN sont hautement coordonnées et sont regroupées au sein d’un mécanisme global appelé DNA damage response (DDR). Les facteurs du DDR sont régulés à plusieurs niveaux de la cascade de l’expression des gènes. De façon notable, plusieurs protéines de liaison à l’ARN (RBP) participent à la régulation de l’expression des gènes du DDR via la régulation post- transcriptionnelle de leur ARN messager. La RBP STAU2 est connue pour lier plusieurs ARNm codant pour des protéines impliquées dans le contrôle du cycle cellulaire ainsi que dans les voies du DDR. La protéine STAU2 est elle-même régulée au niveau transcriptionnel par le facteur de transcription E2F1. De récentes observations laissent penser que la kinase centrale du DDR, CHK1, pourrait être impliquée dans la régulation de la stabilité de STAU2. Par ailleurs, les conséquences cellulaires de la diminution du niveau d’expression de STAU2 sont à ce jour très peu connues. Ce mémoire a d’abord été entrepris dans le but de mieux comprendre l’implication de la voie de la kinase CHK1 dans la régulation de la protéine de liaison à l’ARN STAU2. CHK1 est une protéine centrale des voies du DDR ainsi que du contrôle de la progression du cycle cellulaire en l’absence de dommages à l’ADN. Nos résultats montrent que la diminution de CHK1 induit une dégradation rapide de STAU2 par les caspases d’une façon indépendante de l’apoptose. Nous avons également renforcé ce lien entre STAU2 et les mécanismes de réparation des dommages à l’ADN en identifiant plusieurs protéines des voies de réparation dans l’environnement immédiat de STAU2. D’autre part nos travaux visent à mettre en évidence les conséquences de la déplétion de STAU2 dans plusieurs types cellulaires. STAU2 étant une RBP, sa dérégulation impacte inévitablement le devenir de plusieurs ARNm. Afin de caractériser ces différentes conséquences, nous avons dans un premier temps réalisé la déplétion totale de STAU2 dans des cellules hTert-RPE par la technique de CRISPR/Cas9. Nos résultats montrent que ces cellules accumulent anormalement des dommages à l’ADN et prolifèrent plus rapidement que des cellules normales. En outre plusieurs gènes impliqués dans la réparation des dommages à l’ADN se retrouvent diminués dans ces cellules. Dans un second temps, afin de définir si cet effet est dépendant du type cellulaire, nous avons induit la diminution de l’expression de STAU2 dans des cellules IMR90. Nous avons montré que dans ce cas, la diminution de STAU2 induit un arrêt du cycle cellulaire et une entrée des cellules en sénescence. Ainsi, les données présentées dans ce mémoire contribuent à mieux comprendre l’implication de STAU2 dans les processus cellulaires majeurs que sont la régulation du DDR et le contrôle du cycle cellulaire. / Many complex cellular pathways are induced in response to DNA damages. This cellular response is indispensable to prevent the accumulation of mutations and to avoid malignant transformation. These different pathways are highly coordinated and are organized in a global mechanism called DNA damage response (DDR). Proteins involved in the DDR are regulated at different levels of the gene expression process. Notably, several RNA binding proteins are involved in the regulation of DDR gene expression through the post-transcriptional control of their mRNA. The RBP STAU2 is known to bind various mRNAs coding for proteins involved in the DDR or cell cycle control. STAU2 is regulated at the transcriptional levels by the major transcription factor E2F1. Recent observations suggest that CHK1 could be implicated in the control of the steady-state level of STAU2. Otherwise, the cellular consequences of STAU2 downregulation remain elusive. The purpose of this research was first to elucidate the implication of CHK1 pathway in STAU2 regulation. CHK1 is a major protein involved in the DDR regulation as well as in the control of cell cycle progression in the absence of DNA damage. Our data show that the downregulation of CHK1 rapidly leads to a caspase-dependent degradation of STAU2 independently of apoptosis. The link between STAU2 and mechanisms of DNA repair was reinforced by our BioID2 experiment that identified several proteins of the DDR in close proximity with STAU2. On the other hand, the aim of this study was to determine the consequences of STAU2 downregulation in different cell lines. Given that STAU2 is an RBP, its dysregulation will inevitably change the fate of several mRNA. In order to increase our understanding of theses consequences, we generated an hTert-RPE1 STAU2-KO cell line using the CRISPR/Cas9 technique. Our data show that these cells accumulate DNA damage and have an increased proliferation rate. Moreover, several genes involved in the DNA repair pathway are downregulated. We also downregulated STAU2 in IMR90 to determine if the previous observations are cell-type specifics. In the latter case, STAU2 diminution triggers cell cycle arrest and cellular senescence. Altogether, these results contribute to improve our knowledge of STAU2 function, especially in DNA damage response pathway and in cell cycle regulation.