L'inactivation du chromosome X est la réponse trouvée par l'évolution pour pallier à la divergence gonosomique entre mâle (XY) et femelle (XX). Ce phénomène sert donc à mettre les deux sexes sur un pied d'égalité en limitant la quantité de transcrits provenant des chromosomes X présents dans les cellules femelles. Au cours de mon doctorat, j'ai tenté de contribuer à l'étude des mécanismes de régulation transcriptionnelle, notamment l'activation, des deux acteurs principaux de l'inactivation: Xist et Tsix, son transcrit antisens. Pendant ces 4 anne��es, j'ai entrepris de cartographier le profil de fixation de plusieurs protéines le long du locus Xist/Tsix, dans le but de comprendre les mécanismes permettant une surexpression de Xist lors de la disparition de ses facteurs répressifs en cours de différenciation. J'ai donc pu établir un modèle de régulation transcriptionnelle de l'ARN non-codant Xist, impliquant plusieurs protéines connues pour leur rôle dans la régulation transcriptionnelle (CTCF et YY1) aussi bien que dans la formation de structures tridimensionnelles (la cohésine). La pertinence de ce modèle est renforcée par nos études montrant que de nombreux aspects de ce modèle sont conservés à travers l'évolution (notamment chez l'homme). J'ai également pu contribuer à la découverte de nouveaux activateurs de Tsix, certains facteurs de pluripotence se fixant au minisatellite DxPas34 afin de réguler l'élongation de la transcription de l'antisens. Ces résultats apportent donc d'importantes informations concernant les mécanismes régulant la mise en place du phénomène d'inactivation du chromosome X au cours du développement précoce de l'embryon.

L’alternane-saccharase (ASR) de Leuconostoc citreum NRRL B-1355 est une glucane-saccharase appartenant à la famille 70 des glycoside hydrolases (GH70). Cette α-transglucosylase utilise le saccharose, substrat peu coûteux et abondant, pour catalyser la formation d’un polymère d’α-glucane composé de liaisons osidiques α-1,6 et α-1,3 alternées dans la chaîne principale et appelé alternane. Avec une température optimale de 45°C, l’ASR est parmi les glucane-saccharases les plus stables. Afin d’avoir une meilleure compréhension des déterminants de la spécificité de liaison, de la polymérisation et de la plus haute stabilité de l’ASR, nous avons résolu la structure de cette enzyme. Notre étude par mutagénèse dirigée combinée à du docking moléculaire suggère que la spécificité de liaison est contrôlée par le positionnement de l’accepteur dans l’un ou l’autre des sous-sites +2 ou +2’. Des complexes de l’ASR avec différents ligands ont également mis en évidence un site signature de l’enzyme. Ce site est impliqué dans la formation du polymère d’alternane et pourrait servir de pont facilitant l’élongation processive de l’alternane. Enfin, nos travaux préliminaires indiquent que le domaine C pourrait être impliqué dans la stabilité de ces enzymes. Nos résultats ouvrent des nouvelles pistes d’investigation concernant l’étude des relations structure-fonction des glucane-saccharases et la conception de polymères de structure et propriétés physico-chimiques contrôlées. / The alternansucrase (ASR) from Leuconostoc citreum NRRL B-1355 is a glucansucrase belonging to the family 70 of glycoside hydrolases (GH70). This α-transglucosylase uses a cheap and abundant molecule, sucrose, to catalyze the formation of a unique α-glucan polymer made of alternating α-1,6 and α-1,3 linkages in the main chain, called alternan. With a 45°C optimum temperature, ASR is among the most stable glucansucrases to date. To get a deeper insight in ASR determinants involved in linkage specificity, polymerization and stability, we have solved the unliganded 3D structure of this enzyme at 2.8 Å. Coupled to mutagenesis and molecular docking, our results suggest the alternance to be governed by the acceptor positioning in either +2 or +2’ subsite, and the key contributions of Trp675 or Asp772 residue, respectively. Complexes of ASR with various sugar ligands were also obtained and highlighted a site never identified in any other GH70 enzymes. This site is uniquely found in alternansucrase and could act as a bridge between the domain V and the active site facilitating alternan processive elongation. Finally, the construction and characterization of chimera enzymes suggested domain C to be involved in enzyme stability. Overall, our results improved our knowledge on the structure-function relationship of ASR and open new paths for the conception of polymers with controlled structures and physicochemical properties

La biogenèse des ribosomes eucaryotes est un processus complexe qui implique la production et l'assemblage de 4 ARNr et 80 protéines. La production des deux sous-unités du ribosome, 40S et 60S, débute dans le nucléole par la synthèse d'un long précurseur commun contenant les séquences des ARNr matures et se termine dans le cytoplasme où ont lieu les dernières étapes d'assemblage des protéines ribosomiques et de clivage des ARNr. La production de ribosomes nécessite la participation de plus de 200 co-facteurs, qui catalysent les clivages et modifications des ARNr, coordonnent leur repliement et leur association aux protéines ribosomiques, et assurent des étapes de contrôle-qualité. Ces protéines sont associées aux particules en cours de maturation et absentes des sous-unités matures. Cette voie de synthèse, globalement conservée chez les eucaryotes, a été principalement étudiée chez la levure. Cependant, des études récentes ont montré des différences importantes de ce processus entre levure et mammifères. Un des verrous importants pour comprendre la fonction des co-facteurs, est l'absence de données sur la structure des précurseurs des sous-unités ribosomiques. J'ai donc entrepris une étude structurale de l'assemblage cytoplasmique de la petite sous-unité ribosomique chez l'homme par cryo-microscopie électronique à transmission. Le but de ma thèse était de déterminer la structure 3D des précurseurs de la petite sous-unité ribosomique purifiés à différentes étape de leur maturation. Ce travail a été conduit en collaboration avec l'équipe du Pr. Ulrike Kutay (ETH Zurich) pour la purification des particules pré-40S à partir de cellules humaines. La première structure 3D de particule pré-40S intermédiaire purifiée en étiquetant le co-facteur LTV1 a été déterminée à 19Å de résolution. Dans un deuxième temps, la structure 3D de la particule pré-40S tardive purifiée à via RIO1(KD) a aussi été déterminée à 15Å de résolution. Ces données nous ont permis de proposer un modèle de localisation des co-facteurs sur les précurseurs de la petite sous-unité ribosomique et de montrer une nouvelle différence dans la formation de la petite sous-unité chez l'Homme comparé à la levure, du fait de la présence de la protéine RACK1 sur les particules pré-40S humaines. La comparaison des structures des précurseurs de la petite sous-unité obtenues a permis de mettre en lumière l'existence de remodelages structuraux de la particule pré-40S au cours de sa maturation. Ce travail met en lumière les premières structures 3D de particules pré-40S humaines et pose les fondements méthodologiques d'explorations futures de la dynamique structurale des particules pré-ribosomiques. / Ribosome biogenesis is a complex process that requires the production and the correct assembly of the 4 rRNAs with 80 ribosomal proteins. In Human, the production of the two subunits, 40S and 60S, is initiated by the transcription of a pre-ribosomal rRNA precursor to the mature 18S, 5.8S, and 28S rRNAs by the RNA polymerase I, which is chemically modified and trimmed by endo- and exoribonuclease, in order to form the mature rRNAs. The nascent pre rRNA associated with ribosomal proteins, small ribonucleoprotein particles (snoRNP) and so called co-factors leading to the assembly of an initial 90S particle. This particle is then split into pre-40S and pre-60S pre-ribosomal particles that fallow independent maturation to form the mature subunit into the cytoplasm. Production of eukaryotic ribosomes implies the transient intervention of more than 200 associated proteins and ribonucleoprotein particles, that are absent from the mature subunits. Synthesis of ribosome, globally conserved in eukaryotes, has been principally studied in yeast. However, recent studies reveal that this process is more complex in human compared in yeast. An important bottleneck in this domain is the lack of structural data concerning the formation of intermediate ribosomal subunits to understand the function of assembly factors. Determination of the structural remodeling of pre-ribosomal particles is crucial to understand the molecular mechanism of this complex process. So I have undertaken a structural study on the assembly of the small ribosomal subunit using cryo-electron microscopy and image analysis. The goal of my thesis is to determine the 3D structures of human pre-40S particles at different maturation stages to see the structural remodeling that occurs during the biogenesis of the small ribosomal subunit. We are collaborating with the group of Pr Ulrike Kutay at ETH Zurich, who purify human pre-40S particles. The 3D structures of human pre-40S particles purified at an intermediate and late maturation stages, has been determined with a resolution of 19 and 15Å respectively. Supplementary densities, compared to the mature subunit, indicate the presence of assembly factors and show the unexpected presence of the RACK1 protein in the precursor of the human small ribosomal subunit in the cytoplasm. The comparison of the 3D structures of human pre-40S particle allows showing the structural remodeling that occur during the maturation of the small ribosomal subunit. This work provides the first 3D structure of human pre-40S particles and laid the methodological foundations for future exploration of the structural dynamics of pre-ribosomal particles.

Les petites protéines G sont des protéines capables de fixer du GDP ou du GTP, ce qui va induire des changements de conformation au sein de la protéine qui lui permettront d'interagir avec des partenaires cellulaires distincts, et ainsi de jouer un rôle "d'interrupteur moléculaire". Le cycle GDP/GTP des petites protéines G ne fonctionne pas seul, il est régulé par un facteur d'échange GDP/GTP (GEF) et une protéine activatrice de la GTPase (GAP). Les petites protéines G sont impliquées dans des processus cellulaires fondamentaux et divers, comme la différentiation et la prolifération cellulaire, l'organisation et la dynamique du cytosquelette, et les transports intracellulaires. Un certain nombre de structures de petite protéine G sont maintenant connues, et ont permis de définir le repliement général des petites protéines G et les changements de conformation au cours du cycle GDP/GTP. Le premier projet porte sur l'étude structurale par diffraction des rayons X de la petite protéine G Rap2A, homologue de l'oncogène Ras dans un complexe non catalytique avec le GTP. Cette étude a permis de mettre en évidence la présence d'une nouvelle interaction au niveau du site nucléotidique entre la tyrosine 32 et le phosphate gamma du GTP. Et, nous avons montré que les changements de conformation de Rap2A au cours de son cycle GDP/GTP sont caractérisés par deux transitions désordre/ordre. Le second projet porte sur l'étude structurale par diffraction des rayons X de la petite protéine G Arf6 en complexe avec du GDP. Cette étude a montré que deux protéines qui possèdent une forte homologie de séquence peuvent avoir des structures assez différentes pour être distinguées. Les principaux partenaires des formes GDP des petites protéines G sont les GEF, ce qui suggère une base structurale pour la spécificité des GEF. En conclusion, nous discutons des bases structurales qui permettent aux petites protéines G d'être distinguées les unes des autres.

À l’heure actuelle, le paludisme reste un problème de santé majeur et demeure une des maladies parasitaires les plus menaçantes. Parmi les cinq espèces de malaria infectant l’homme, Plasmodium falciparum est la forme la plus mortelle. Lors de la phase érythrocytaire de son cycle de vie, causant tous les symptômes du paludisme, P.falciparum utilise les phospholipides pour créer les membranes nécessaires au développement de cellules filles. Chez P. falciparum, la phosphatidylcholine est principalement obtenue grâce à la voie de synthèse de novo, dite voie de Kennedy. Dans cette voie de biosynthèse, la seconde étape catalysée par la CTP:phosphocholine cytidylyltransferase [EC 2.7.7.15] est limitante et apparait essentielle pour la survie du parasite murin P. berghei lors de la phase sanguine. Les objectifs de mon travail de thèse ont été de caractériser structuralement cette enzyme et d’identifier des effecteurs, principalement grâce à des approches de « fragment-based drug design » (FBDD). Ainsi, la première structure cristalline du domaine catalytique de l’enzyme (PfCCT) a été déterminée avec une résolution de 2.2 Å. De plus, les structures de trois complexes enzyme-substrat (en présence de CMP, de phosphocholine ou de choline) et d’un complexe enzyme-produit (CDP-Choline) ont été déterminées. Ces structures cristallographiques apportent des informations détaillées sur la poche de liaison de l’enzyme et elles ont révélé des informations sur le mécanisme de la réaction catalytique à l’échelle atomique. La seconde partie de ma thèse présente les méthodes développées pour identifier des inhibiteurs potentiels de la PfCCT. Une approche de FBDD a été utilisée pour identifier et sélectionner de petites molécules (fragments, PM<300 Da) se liant à la PfCCT. Diverses techniques biophysiques (fluorescence-based thermal shift assay, différence de transfert de saturation par RMN, dénaturation chimique isotherme) ont permis la sélection de 23 fragments à partir du criblage d’une bibliothèque (~ 300 molécules). En parallèle, un criblage in silico de plus grandes bibliothèques de fragments (environ 15 000 composés) a permis d’identifier 100 fragments “hits”. Enfin, 5 composés déjà connus pour inhiber la croissance parasitaire (Malaria Box fournit par Medecines for Malaria Venture) ont été sélectionnés pour leur inhibition de l’activité de la PfCCT recombinante. L’ensemble de ces données ouvre la voie pour l’élaboration de futurs composés ciblant la PfCCT et inhibant la biosynthèse de phosphatidylcholine chez P. falciparum. / Malaria remains a major global health problem and the most threatening parasitic disease. Among the 5 malaria species that affect humans, Plasmodium falciparum is the most deadly form. During its life cycle, in erythrocytic stage, which causes all the malaria symptoms, P. falciparum relies on phospholipids to build the membranes necessary for daughter cell development. Approximately 85% of parasite phospholipids consist of phosphatidylcholine (PC) and phosphatidylethanolamine (PE) synthesized by the parasite through the de novo Kennedy pathways. In the pathway of phosphatidylcholine biosynthesis, the second step catalyzed by CTP:phosphocholine cytidylyltransferase [EC 2.7.7.15] is rate limiting and appears essential for the parasite survival at its blood stage. In this PhD thesis I focus on the structural characterization of this enzyme and the identification of effectors mainly by fragment-based drug design approach (FBDD). The first reported crystal structure of the catalytic domain of the enzyme target (PfCCT) has been solved at resolution 2.2 Å. Four other crystal structures of PfCCT in complex with substrates (CMP, phosphocholine and choline) or product (CDP-choline) have been determined. These structural data give detailed images of the binding pocket and reveal the enzyme structures at all catalytic steps that provide crucial information on the catalytic mechanism at atomic level. The second part of the project present the methods developed to identify potential PfCCT inhibitors. A FBDD approach was used in order to identify and select small molecules (fragments, MW< 300 Da) binding to the PfCCT. A combination of biophysical techniques (fluorescence-based thermal shift assay, saturation transfer difference NMR and isothermal chemical denaturation) allowed the selection of 23 fragment hits from the screenings of fragment library (~ 300 molecules). In parallel in silico screening of larger fragment libraries (~15,000 compounds) resulted in 100 selected hits. Finally, 5 compounds already known to inhibit parasite growth (Malaria Box from Medicines for Malaria Venture) were selected for their inhibition of the recombinant PfCCT activity. The results obtained within this thesis brought important knowledge and structural insights on the catalytic mechanism of PfCCT. Taken together, these results pave the way for future structure-based drug design to target PfCCT and to inhibit the essential phosphatidylcholine biosynthesis in P. falciparum.

La RMN à l’état solide est une méthode de choix pour l’étude des protéines insolubles et des complexes protéiques de haut poids moléculaire. L’insolubilité intrinsèque des protéines fibrillaires, ainsi que leur architecture complexe, rendent difficile leur caractérisation structurale par la cristallographie et par la RMN en solution. La RMN à l‘état solide n’est pas limitée par le poids moléculaire et constitue donc un outil puissant pour l’étude des protéines fibrillaires. L’attribution des résonances RMN est le prérequis pour obtenir des informations structurales à résolution atomique. La première partie de ce travail de thèse décrit le développement de méthodes en RMN à l’état solide pour l’attribution des résonances. Nous avons appliqué ces méthodes afin d’attribuer le domaine C-terminal du prion Ure2 (33 kDa), qui est à ce jour la plus grande protéine attribuée par RMN à l’état solide. Nos résultats fournissent les bases pour l’étude de protéines à haut poids moléculaire à l’échelle atomique. Ceci est démontré dans la seconde partie de ce travail de thèse avec les premières études RMN à l’état solide des fibrilles des prions Ure2 et Sup35. Nous avons caractérisé la structure de ces prions pour les fibrilles entières ainsi que pour les domaines isolés. La troisième fibrille étudiée est l’α- synuclein, fibrille associée à la maladie de Parkinson, pour laquelle nous présentons l’attribution des résonances RMN ainsi que la structure secondaire d’un nouveau polymorphe. Les études présentées ici fournissent de nouvelles clés pour comprendre la diversité des architectures de fibrilles, en considérant les fibrilles comme entités individuelles d’un point de vue structural / Solid-state NMR is the method of choice for studies on insoluble proteins and other high molecular weight protein complexes. The inherent insolubility of fibrillar proteins, as well as their complex architecture, makes the application of x-ray crystallography and solution state NMR difficult. Solid-state NMR is not limited by the molecular weight or by the absence of long-range structural order, and is thus a powerful tool for the 3D structural investigation of fibrillar proteins. The assignment of the NMR resonances is a prerequisite to obtain structural information at atomic level. The first part of this thesis describes the development of solid-state NMR methods to assign the resonances in large proteins. We apply these methods to assign the 33 kDa C-terminal domain of the Ure2p prion which is up to now the largest protein assigned by solid-state NMR. Our results provide the basis to study high molecular weight proteins at atomic level. This is demonstrated in the second part with the first high-resolution solid-state NMR study of Ure2 and Sup35 prion fibrils. We describe the conformation of the functional domains and prion domains in the full-length fibrils and in isolation. The third fibrillar protein addressed in this work is the Parkinson’s disease related α-synuclein whereof we demonstrate the NMR resonance assignment and the secondary structure determination of a new polymorph. Thus, the studies described here provide new insights in the structural diversity of fibril architectures, and plead to view fibrils as individuals from a structural point of view, rather than a homogenous protein family

Nous étudions le ribozyme VS de Neurospora, en tant que système modèle, pour augmenter nos connaissances sur la relation entre la structure et la fonction chez les ARNs, ainsi que pour mieux comprendre le mécanisme de clivage de ce ribozyme. Il a été proposé précédemment que la boucle interne A730 dans la tige-boucle VI (SLVI) contient le site actif du ribozyme et lie un ou plusieurs ions métalliques qui pourraient participer au mécanisme réactionnel. Nous avons déterminé par spectroscopie RMN la structure de la tige-boucle SLVI contenant la boucle A730 afin d’éclaircir ce mécanisme. La structure obtenue est en accord avec les études biochimiques antérieures et présente un ou plusieurs sites de liaison au magnésium associé à la boucle interne. Suite à des études de cinétique et de mutagenèse, il a été proposé qu’une adénine localisée dans le site actif, A756, participe à la catalyse par acide/base générale. Des études de pH effectuées précédemment ont identifié un pKa catalytique (5.2-5.8) qui correspond probablement à l’équilibre de protonation du A756. À l’aide de méthodes utilisant le carbone-13, nous avons identifié un pKa modifié appartenant au A756, ce qui supporte le rôle de ce résidu dans la catalyse par acide/base générale. Les études structurales présentées ici aident donc à augmenter notre compréhension du mécanisme de clivage chez le ribozyme VS. / We are studying the Neurospora VS ribozyme as a model system to increase our knowledge of the structure-function relationship in RNA and to better understand the mechanism of the cleavage reaction. It has been previously postulated that the A730 internal loop of stem-loop VI (SLVI) forms the active site of the VS ribozyme and binds magnesium ion(s) that may participate in catalysis. To get insights into the catalytic mechanism, we have determined by NMR spectroscopy the structure of a SLVI fragment containing the A730 loop. The structure we obtained is in agreement with previous biochemical studies and contains one or more magnesium-ion binding sites in the active site. Based on kinetic and mutagenesis studies, it has been proposed that an adenine in the A730 loop, A756, is important for catalysis and may participate in general acid/base catalysis. Previous pH-dependent enzymatic studies identified a catalytic pKa of 5.2-5.8, which likely corresponds to the protonation equilibrium of this A756 adenine in the A730 loop. Using 13C NMR methods, we have identified a shifted pKa for A756, which gives additional support to the role of this residue in the general acid/base mechanism. The NMR studies presented here therefore increase our understanding of the cleavage reaction in the VS ribozyme.

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HSP22 et HSP70 sont des protéines d'origine humaine appartenant à la famille des Heat Shock<br />Proteins. Cette thèse décrit des travaux visant à déterminer l'implication de ces deux protéines humaines de<br />choc thermique HSP70 et HSP22, dans les voies de réparation de l'ADN après stress. Ces protéines<br />possèdent, comme leur nom le sous-entend, la capacité d'être surexprimées par la cellule après choc<br />thermique mais aussi après une grande variété d'autres stress et dans de nombreuses maladies (Tavaria M et<br />al, 1996). Pour mieux connaître ces protéines, une étude structurale a été initiée. Les structures<br />tridimensionnelles de ces protéines ne sont pas connues ou seulement partiellement (Osipiuk J et al, 1999).<br />Les essais de cristallisation des protéines furent arrêtés après l'obtention de clones. Des prédictions de<br />structures secondaires et tertiaires (obtenues à l'aide de la bioinformatique) concernant HSP70-1 (partie Cterminale)<br />et HSP22 furent alors réalisées, montrant une organisation en feuillets β pour le domaine de liaison<br />au substrat de HSP70-1 et pour le domaine α-cristallin de HSP22. Les résultats obtenus dans le cadre de<br />l'étude des HSP dans les voies de la réparation de l'ADN ont montré que les HSP70 inductibles par le stress<br />(HSP72 et HSP70-1) sont impliquées dans ces voies cellulaires après différents stress (rayonnement X et UV,<br />champ magnétique, péroxyde d'hydrogène, cis-platine). HSP72 et HSP70-1 sont phosphorylées par les<br />kinases apparentées à la famille des Phosphatydil-Inositol-3-kinases ATM, ATR et DNA-PK (Sarkaria JN et<br />al, 1998) après radiations ionisantes et réalisent à ce moment un déplacement en deux phases entre le<br />cytoplasme et le noyau ; elles sont impliquées dans les stades précoces de la réparation. La même démarche<br />de recherche a été adoptée pour HSP22. HSP22 apparaît comme étant impliquée dans les voies de la<br />réparation de l'ADN aussi et plus particulièrement dans les voies de la réparation des cassures double brin<br />après irradiation par rayonnement X (Paull TT et Gellert M, 1998 ; Lobrich M et Jeggo PA, 2005). HSP22<br />forme des foci dans les cellules âgées suggérant un rôle pour HSP22 dans le vieillissement cellulaire chez<br />l'humain comme chez la mouche drosophile (Morrow G et al 2004). Une nouvelle méthode d'imagerie<br />Diffraction Enhanced Imaging (DEI ; Chapman D et al, 1997), visant à l'acquisition d'une information<br />histologique, développée au synchrotron ESRF, a été testée d'un point de vue radiobiologique sur des cultures<br />primaires de fibroblastes et de chondrocytes. L'irradiation par cette méthode n'a pas présenté de différence en<br />comparaison avec une irradiation par une source conventionnelle de cellules humaines issues de culture<br />primaire, avec la même dose de rayonnement X (Rothkamm K et Lobrich M, 2003). Dans les cellules<br />glioblastomales de rat, la réponse HSP70 est augmentée dans les conditions de la thérapie « synchrotron PATPlat<br />» (c'est-à-dire en cas de photoactivation du platine à l'aide du rayonnement synchrotron (Corde S et al,<br />2003 ; Biston MC et al, 2004)).