Hemp seed proteins (HSP) were investigated for physicochemical and functional properties in model food systems. In addition, the HSP were enzymatically digested and the released peptides investigated as potential therapeutic agents. Membrane isolated HSP (mHPC) were the most soluble with >60% solubility at pH 3-9 when compared to a maximum of 27% for isoelectric pH-precipitated proteins (iHPI). However, iHPI formed emulsions with smaller oil droplet sizes (<1 µm) while mHPI formed bigger oil droplets. The iHPI was subjected to enzymatic hydrolysis using different concentrations (1-4%) of six proteases (pepsin, pancreatin, flavourzyme, thermoase, papain and alcalase) to produce various HSP hydrolysates (HPHs). HPHs had strong in vitro inhibitions of angiotensin converting enzyme (ACE) and renin activities, the two main enzyme systems involved in hypertension. Oral administration of the HPHs to spontaneously hypertensive rats led to fast and persistent reductions in systolic blood pressure. The HPHs also inhibited in vitro activities of acetylcholinesterase (AChE), a serine hydrolase whose excessive activities lead to inadequate level of the cholinergic neurotransmitter, acetylcholine (ACh). Inadequate ACh level in the brain has been linked to neurodegenerative diseases such as dementia and Alzheimer’s disease (AD); therefore, AChE inhibition is a therapeutic target. The 1% pepsin HPH was the most active with up to 54% AChE inhibition at 10 µg/mL peptide concentration. The 1% pepsin HPH (dominated by <1 kDa) was subjected to reverse-phase HPLC peptide purification coupled with tandem mass spectrometry, which led to identification of several peptide sequences. Some of the peptides inhibited activities of both animal and human AChE forms with LYV being the most potent against human AChE (IC50 = 7 µg/ml). Thus the LYV peptide may serve as a useful template for the development of future potent AChE-inhibitory peptidomimetics. In conclusion, several novel AChE-inhibitory peptides were discovered and their amino acid sequences elucidated for the first time. Results from this work identified HSP products that could serve as functional ingredients in the food industry. The work also produced and confirmed the in vitro AChE-inhibitory activities of several new peptide sequences that may serve as therapeutic agents for AD management. / October 2015

Squalene synthase (SS) is an essential enzyme in eukaryotic systems responsible for an important branch point in isoprenoid metabolism that leads to sterol formation. The mechanistic complexity of SS has made it a difficult enzyme to study. The green alga Botryococcus braunii race B possesses several squalene synthase-like (SSL) enzymes that afford a unique opportunity to study the complex mechanism of triterpene biosynthesis. SSL-1 catalyzes presqualene diphosphate (PSPP) formation, which can either be converted to squalene by SSL-2 or botryococcene by SSL-3. A rationally designed mutant study of B. braunii squalene synthase (BbSS) and SSL-3 was conducted to understand structure-function relations among these enzymes. These studies revealed two amino acid positions in SSL-3 (N171, G207) that appeared to control 1’-3 versus 1’-1 linkages. The reciprocal mutations in the corresponding positions of BbSS did not convert this enzyme into a botryococcene synthase. Next, a genetic selection was developed to evolve SSL enzymes towards a fully functional SS. Previous studies have shown that Saccharomyces cerevisiae squalene synthase (ScSS) can be knocked out and although lethal, growth can be restored by providing an exogenous source of ergosterol. Additional studies have shown that successful complementation of the ScSS knockout with a non-fungal SS is possible but requires a fungal SS carboxy- terminus region. Given these observations, proof-of-principle experiments were conducted to demonstrate that SSL-SSL fusion enzymes could complement the ScSS knockout followed by construction of a mutant SSL-SSL fusion enzyme library that was screened in the ScSS knockout yeast line. From this library, mutant SSL-SSL fusion enzymes were identified that were able to complement, which demonstrated the feasibility of this approach as a genetic selection for mutant SSL enzymes. Squalene and botryococcene have valuable industrial applications in vaccine adjuvant formations, cosmetic products, and renewable energy feedstock material. Limitations in natural sources of these molecules have made heterologous production of them an important research target. Algae represent a desirable group of organisms that could be engineered to produce these metabolites because they are photosynthetic and capable of using non-arable farmland. The feasibility, approach, and progress for engineering green algae to produce squalene and botryococcene are discussed.

Les grandes propriétés interactives des HS dépendent de leur profil de sulfatation, finement régulé au cours de la biosynthèse du polysaccharide ainsi qu'à la surface cellulaire par l'action d'endosulfatases nommées Sulfs. Ces enzymes ôtent spécifiquement les groupements 6-O-sulfates d'un certain nombre de disaccharides trisulfatés, éléments clés de nombreuses interactions protéines/HS. Ainsi, ces enzymes sont impliquées dans de nombreux processus, autant physiologiques que pathologiques. En utilisant différentes approches (biochimique et biophysique), nous avons révélé récemment que les isoformes humain HSulf-1 et -2 agissent de façon processif et orientées pour désulfater les chaines d’HS ce qui régule différemment les facteurs de croissances FGF-1 et -2 (Seffouh et al., FASEB J. 2013). Nous avons également identifié deux motifs impliqués dans l’interaction HSulf-2/HS et qui se sont avérés importants pour l’activité 6-O-endosulfatase [Manuscrit en préparation]. Par ailleurs, HSulf-2, et contrairement à HSulf-1, s’est révélé porteuse d’une O-glycosylation capable de moduler considérablement son activité à la surface cellulaire [Manuscrit en préparation]. Enfin, et en collaboration avec l’'institut Karolinska (Stockholm, Sweden), une éventuelle implication de Sulf-1 dans le mésothéliome malin a été suggéré (Heidari-Hamedani et al., Cellular Signalling J. 2015). / Heparan sulfate (HS) is a polysaccharide able to bind and modulate a wide variety of proteins. HS large interactive properties are essentially governed by precise sulfation patterns of the polysaccharide. Sulf-1 and Sulf-2 are two endosulfatases able to cleave specific 6-O sulfate groups within HS chains. Their action can modulate critical intracellular signaling processes, many of which with key relevance for cancer development. However, little is known on their structure, substrate specificities, and on the way their catalytic activity directs the subtle modifications of HS 6-O-sulfation profile.In this work, we have identified an original enzymatic mechanism by which Sulfs catalyze the processive and orientated desulfation of HS and finely regulate the polysaccharide biological properties. We also identified two basic motifs within the N-terminal domain of HSulf-2. Recombinant enzymes mutated for these sites were then produced and characterized. We found that these epitopes are necessary for its endosulfatase activity. Altogether, these results provide further insights into the enzyme/substrate recognition process and contribute to the understanding of the fundamental role played by these enzymes in the regulation of HS activity. The biochemical study of the purified HSulf-2 allowed to highlight a O-glycosylation able to significantly modulate its activity at the cell surface. Otherwise, and in collaboration with the Karolinska Institute (Stockholm, Sweden), the study of malignant mesothelioma (MM) provided new evidence that enhanced Syndecan-1 expression also finely modulates HS structure by interfering with HS-modifying enzymes HSulf-1. These results suggest important roles for Syndecan-1 and HSulf-1 in MM.

Les lipases/acyltransférases homologues à CpLIP2 de Candida parapsilosis forment un groupe phylogénétique marqué (au moins 56% d’identité entre les séquences protéiques) . Elles partagent le phénotype d’une activité significative d’acyltransfert, et ce, même dans un milieu aqueux avec une forte activité thermodynamique de l’eau (aW > 0.95), mais diffèrent dans leurs spécificités de substrats. L’identification et la caractérisation de nouvelles lipases/acyltransférases, CalLAc8 et CalLAc5 de Candida albicans et CduLAc de Candida dublininensis, ont apporté de nouveaux éclaircissements sur les relations structure/fonction au sein de cette famille particulière. Dans un premier temps, une définition claire et une méthodologie simple pour évaluer la capacité des enzymes lipolytiques à catalyser l’acyltransfert ont été élaborées. Puis, une stratégie d’ingénierie des protéines, basée sur une analyse comparative des structures 3D et de la mutagénèse dirigée, a été appliquée dans le but d’identifier les déterminants structuraux impliqués dans l’activité d’acyltransfert et la spécificité de substrat des lipases/acyltransférases. Il a été démontré que le caractère hydrophobe d’une cavité située sous le site actif était déterminant pour l’activité de transfert en favorisant les nucléophiles moins polaires que l’eau dans l’étape de désacylation du mécanisme catalytique. Ainsi, des mutants améliorés de plusieurs enzymes sauvages ont pu être élaborés. En parallèle, des enzymes chimériques ont été construites sur la base d’échanges rationnels de sous-domaines (corps principal, chapeau et volet C-terminal). Leur caractérisation a confirmé le rôle du chapeau dans la spécificité de substrat et le rôle principal de « l’acyltransfer pocket » dans la capacité d’acyltransfert. Une potentielle protéine ancestrale de la famille PaleoLAc a également été conçue pour trouver de nouveaux résidus clés et donner un aperçu de l’histoire évolutive de la spécificité de substrats. / Lipases/acyltransferases homologous to CpLIP2 from Candida parapsilosis constitute a consistent phylogenetic subgroup with at least 56% identity. They share the phenotype of a significant acyltransfer activity, even in aqueous media with a high thermodynamic activity of water (aW > 0.95), but are divergent in their substrate specificities. The identification and the characterization of new lipases/acyltransferases, CalLAc8 and CalLAc5 from Candida albicans and CduLAc from Candida dublininensis, brought new enlightenments to the structure/function relationships in this peculiar family. After the elaboration of a clear definition and a simple methodology to assess the acyltransferase character of lipolytic enzymes, a rational design strategy, based on comparative 3D structure analysis and site-directed mutagenesis, was applied to find structural determinants of the acyltransfer ability and the substrate specificities of lipases/acyltransferases. It was evidenced that the hydrophobicity of a cavity located under the active site was determinant for the acyltransfer activity. This allowed the improvement of the acyltransfer activity of several natural enzymes. In parallel, chimeric enzymes with rational exchanges of protein subdomains (main core, cap and C-term flap) were designed, and their characterization confirmed the role of the cap in the substrates specificity and the main role of the acyltransfer pocket in the acyltransfer ability. A putative ancestral protein of the family PaleoLAc was also designed to find new key residues and to give insights on the evolutionary history of the substrate specificities.

This thesis describes a series of investigations into the use of optic nerve head (ONH) imaging in primary open-angle glaucoma (POAG), and its relation to visual function. Accurate diagnosis is a key issue in POAG, particularly the difficult task of separating those with early disease from those healthy individuals who display signs of POAG. The purpose of this work is to improve diagnostic methods in glaucoma through use of ONH imaging and its relationship with visual field (VF) loss. First, the performance of a group of expert clinicians evaluating ONH photographs for glaucomatous damage was investigated. The results showed that even when their assessments are combined discrimination between eyes with and without POAG (based on VF loss) is far from perfect, highlighting the need for improvements in diagnosis. The possibility of combining structural and functional data to aid diagnosis was then considered. This requires VF loss and ONH damage to be strongly topographically related. The strength of this relationship was evaluated in 185 patients with POAG. 10,000 computer-generated maps between the ONH and VF were tested and the topographic relationship measured with each of these was compared to that using a published structure-based map. The weak topographic relationships found suggest that the application of these maps to individual patients is limited with current measures. The next chapter describes how a multispectral imaging (MSI, also called hyperspectral imaging) system was set-up for spatial evaluation of ONH oxygenation using a Beer-Lambert law model. Test-retest repeatability was tested and found to be acceptable for the purposes of the following studies. The MSI system was then used for an investigation of the relationship between ONH oxygenation and VF loss. 33 eyes of 18 patients underwent VF testing, MSI and HRT3 imaging. Superior-inferior asymmetries in VF sensitivity were compared to superior-inferior asymmetries in ONH oxygenation measured by MSI and in neuroretinal rim (NRR) area measured by HRT3. This way we take advantage of the typical progression of POAG and each eye acts as its own reference, negating the effect of a wide normal range and overlap between health and disease. This study found, for the first time, a strong association between ONH oxygenation and VF sensitivity. A re-analysis of the 33 ONH oxygenation maps was then performed to assess oxygenation only in the area of the NRR as defined by the HRT. Superior-inferior asymmetries in NRR oxygenation were then compared to superior-inferior asymmetries in VF loss, and the associations found were similarly strong. This study shows that MSI is capable of detecting areas of NRR deemed healthy tissue by structural imaging techniques, which are in fact poorly oxygenated and associated with VF defects. These findings show that NRR oxygenation measured by MSI is strongly related to VF loss. This important information complements existing technologies and may aid in the future diagnosis and management of patients with POAG.

La paroi végétale est une structure complexe composée principalement de polysaccharides (cellulose, hémicellulose et pectine), de lignine et de protéines. Elle est impliquée dans de nombreuses fonctions essentielles à la vie de la cellule végétale. De plus, les constituants de cette paroi, que sont les polysaccharides et la lignine, représentent la plus grande source de carbone renouvelable de la planète. Ceci en fait des cibles de choix notamment pour la production d'énergies « vertes ». Toutefois, l'utilisation des polysaccharides tels que les hémicelluloses constituant la paroi végétale reste, à l'heure actuelle, limitée du fait de la difficulté à les dégrader. Ces dernières années, un effort important a été mis en œuvre pour identifier et caractériser de nouvelles enzymes, telles que les glycosides hydrolases, permettant de dégrader efficacement la biomasse végétale. Dans le but de découvrir de nouvelles enzymes impliquées dans la dégradation de la biomasse végétale, des chercheurs de l'équipe « Catalyse et Ingénierie Moléculaire Enzymatiques » du LISBP ont décidé d'explorer le métagénome d'organismes connus pour dégrader la biomasse végétale. Deux espèces animales ont fait l'objet d'analyses : tout d'abord les termites qui sont considérés comme les champions de la dégradation de la biomasse végétales et souvent comparés à des bioréacteurs, et le ver de terre. Des banques métagénomiques de trois espèces différentes de termites ainsi qu'une banque métagénomique de ver de terre ont ainsi été créées. Dans ces travaux de thèse deux des banques métagénomiques de termites, celle de Nasutitermes corniger et celle de Termes hispaniolae, ont fait l'objet d'une étude afin de comparer le potentiel hémicellulolytique de ces deux espèces. Après sélection de nombreux clones positifs sur substrats chromogéniques de chacune des deux banques, séquençage puis annotation taxonomique et fonctionnelle, un grand nombre d'enzymes et principalement des glycosides hydrolases, a pu être identifié. Les résultats montrent que le métagénome de Nasutitermes corniger présente majoritairement des enzymes à activité endoglycosidase alors que le métagenome de Termes hispaniolae possède plutôt des enzymes à activité exoglycosidase. Toutes les activités trouvées dans chacune des espèces de termite sont en bonne corrélation avec l'alimentation du termite. De plus, nous avons observé que le microbiote intestinal des deux termites ne possèdent pas les mêmes embranchements bactériens majoritaires et nous avons pu voir que le microbiote de Termes hispaniolae est plus diversifié ce qui corrèle aussi avec l'alimentation des deux termites. D'autre part, dans la banque métagénomique du ver de terre, l'annotation fonctionnelle a révélé une enzyme intéressante. Il s'agit d'une enzyme annotée par B. Henrissat (responsable de la base de données CAZy) comme étant une glycoside hydrolase putative mais n'appartenant à aucune des 135 familles de glycosides hydrolases existantes. Cette enzyme putative, appelée GH* présente des similitudes avec les GH de la famille 5 sans pour autant appartenir à cette famille du fait notamment de l'absence du résidu catalytique nucléophile conservé. Une étude structurale et fonctionnelle de GH* a donc été menée. Les expériences ont permis de prouver que GH* est une endo-xylanase ayant une préférence pour les arabinoxylanes et les xylooligosaccharides de degré de polymérisation d'au moins 5 ou 6. La structure tridimensionnelle de GH* à 1,6Å de résolution a été obtenue par cristallographie des rayons X par remplacement moléculaire à l'aide d'une GH5. Cette structure a permis de confirmer l'identité du résidu acide/base identifié par alignement de séquences et d'émettre une hypothèse sur l'identité du résidu nucléophile. Enfin des mutants de GH* pour ces deux résidus ont été obtenus et ont confirmé leur implication dans l'activité de l'enzyme. / Plant cell wall is a complex structure surrounding plant cells mainly composed by polysaccharides (cellulose, hemicellulose and pectin), lignin and proteins. The plant wall maintains and imposes the size and shape of cells. It is also important for exchanges between cells and extra cellular medium. The polysaccharides of this cell wall are the largest renewable carbon source on the earth, which makes them good targets to produce green energies. Because plant cell wall is difficult to degrade, its use for biofuels for is still limited. However, some organisms are able to efficiently degrade this biomass. Exploring the diversity of the living word to discover new effective biocatalysts has grown considerably last years, because of the emergence of metagenomics. In this context and to discover new enzymes involved in the degradation of plant biomass, the team « Catalyse et Ingénierie Moléculaire Enzymatiques » of LISBP decided to explore metagenome of organisms known to degrade plant biomass. Two animal families were chosen for metagenomics analysis, the termite and earthworm. Metagenomics banks of three different species of termite and one metagenomics bank of an earthworm were created. In this thesis project, two of the three metagenomics banks of termites, the one from Nasutitermes corniger and the other one from Termes hispaniolae, were studied to compare the hemicellulolytic potential of these two species. After selection of many positive clones on chromogenic substrates of both banks, sequencing, taxonomic and functional annotations, a large number of enzymes and mainly glycoside hydrolases, could be identified. The results obtained shown that the trends observed during functional screens were maintained. Indeed, it appears that Nasutitermes corniger has a majority of endoglycosidases while Termes hispaniolae has mainly exoglycosidases. Thereby, families of enzymes highlighted allowed correlating their hydrolytic activities with the diet of these species. Furthermore, we observed that the intestinal microbiota of each termite is different. Indeed, both termites do not have the same majority bacterial phyla and the microbiota of Termes hispaniolae is more diverse than the one of Nasutitermes corniger. On the other hand, functional annotation of the metagenomics bank of the earthworm revealed an enzyme annotated as a glycoside hydrolase no belonging to any of the 135 glycoside hydrolase existing families. This enzyme, named GH*, seems to be close to GH5 but does not shown the nucleophilic catalyst residue perfectly conserved in this glycoside hydrolase family. A functional and structural study of GH* was then done. We have shown that GH* is an endo-xylanase which prefers arabinoxylans and xylooligosaccharides having a polymerization degree greater than 5. In addition, we determined the crystal structure of GH* at 1.6Å resolution. This 3D structure has confirmed the presence of the acid/base residue identified by sequence alignment and allowed us to hypothesize about the identity of the nucleophilic residue. Finally, mutants of GH* for these two residues were obtained and confirmed their involvement in the activity of the enzyme. We were able to progress in the understanding of structure/function relationships of this protein.

<p> Previous studies dealing with the structure and function of the attachment organs in the strigeid trematodes have neglected to describe the processes involved in the formation of attachment. A knowledge of these processes is necessary to promote the understanding of the host-parasite relationship. </p> <p> In the present study, specimens of developing Cotylurus variegatus were examined using light and electron microscopic techniques. It seemed relevant to consider not only the sequence of attachment events, but the growth and structure of the attachment organs in relation to the total parasite body growth and structure. This of course, has led to considerations of the reputative functions of these structures. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Der Komplex aus Kohlenmonoxid-Dehydrogenase und Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS Komplex) des thermophilen Bakteriums Carboxydothermus hydrogenoformans katalysiert die Fixierung von CO2 in Acetyl-CoA und ist damit ein potenzieller Katalysator für die Erzeugung erneuerbarer Kraftstoffe aus CO2. Die Katalyse erfolgt an zwei verschiedenen Stellen: CO2 wird am Cluster C in der CODH-Untereinheit zu CO reduziert, das dann durch einen Tunnel innerhalb des Proteins zum Cluster A in der ACS-Untereinheit wandert, wo es mit einer Methylgruppe und CoA zu Acetyl-CoA reagiert. Die Art und Weise, wie die beiden katalytischen Aktivitäten zusammenwirken, sind noch unklar. Um hier mehr Licht ins Dunkel zu bringen, verfolgte diese Arbeit drei Ziele: die Bestimmung der Struktur des CODH/ACS-Komplexes von C. hydrogenoformans, die Untersuchung der CO2-Reduktionsaktivität von CODHasen und die Analyse der Rolle des internen Tunnels im CODH/ACS-Komplex. Die Struktur des CODH/ACS-Komplexes von C. hydrogenoformans wurde durch Röntgenkristallographie mit einer Auflösung von 2,04 Å bestimmt. Die CO2-Reduktion am Cluster C wurde kinetisch untersucht. Es zeigte sich, dass die CO2-Reduktion durch einen Ping-Pong-Mechanismus mit zwei Reaktionsstellen erfolgen könnte, der in früheren Studien vorgeschlagen wurde, aber auch durch andere Mechanismen. Um eine Struktur-Funktionsbeziehung für CODHs zu ermitteln, wurde die CO2-Reduktionsaktivität für drei CODHasen von C. hydrogenoformans untersucht, deren Strukturen bekannt sind: CODH-II, CODH-IV, und der CODH/ACS-Komplex. Das Tunnelsystem im CODH/ACS-Komplex ist viel enger als in den anderen CODHs und könnte somit der Grund für die vergleichsweise geringe Aktivität des CODH/ACS-Komplexes sein. Dies wurde auch durch die Manipulation und Analyse des internen Tunnels des CODH/ACS-Komplexes unterstützt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Hauptzweck des Tunnels im CODH/ACS-Komplex die Kompartimentierung von CO und nicht der schnelle Substrattransport ist. / The complex of carbon monoxide dehydrogenase and acetyl-CoA synthase (CODH/ACS complex) of the thermophilic bacterium Carboxydothermus hydrogenoformans catalyses the fixation of CO2 into acetyl-CoA and is thus a potential catalyst for the production of renewable fuels from CO2. Catalysis occurs at two different sites: CO2 is reduced to CO at cluster C in the CODH subunit, which then travels through a tunnel within the protein to cluster A in the ACS subunit, where it reacts with a methyl group and CoA to form acetyl-CoA. The way in which the two catalytic activities interact is still unclear. To shed more light on this, this work pursued three goals: to determine the structure of the CODH/ACS complex of C. hydrogenoformans, to investigate the CO2 reduction activity of CODHases and to analyse the role of the internal tunnel in the CODH/ACS complex. The structure of the CODH/ACS complex of C. hydrogenoformans was determined by X-ray crystallography at 2.04 Å resolution. The CO2 reduction at cluster C was investigated kinetically. It was found that CO2 reduction could occur by a two-site ping-pong mechanism proposed in previous studies, but also by other mechanisms. To establish a structure-function relationship for CODHs, CO2 reduction activity was investigated for three CODHases of C. hydrogenoformans whose structures are known: CODH-II, CODH-IV, and the CODH/ACS complex. The tunnel system in the CODH/ACS complex is much narrower than in the other CODHs and could thus be the reason for the comparatively low activity of the CODH/ACS complex. This was also supported by the manipulation and analysis of the internal tunnel of the CODH/ACS complex. The results suggest that the main purpose of the tunnel in the CODH/ACS complex is to compartmentalise CO and not to rapidly transport substrate.

L’excès des particules de LDL dans le sang constitue un facteur de risque majeur dans le développement des maladies cardiovasculaires. Dans ce contexte, nous étudions la protéine PCSK9 qui favorise directement ce facteur de risque. Cette protéine est sécrétée en majorité au niveau du foie par les hépatocytes et possède la capacité de reconnaître et de lier le récepteur LDLR. Le rôle premier de ce dernier est d’éliminer les particules de LDL circulant dans le plasma. Ainsi, lorsque la PCSK9 forme un complexe avec le LDLR et l’amène à la dégradation, la conséquence directe de la diminution des ces récepteurs est une accumulation malsaine des particules LDL dans le plasma. L’importante implication de la PCSK9 dans le métabolisme des lipides nous a menés vers des recherches de caractérisation de cette protéine ainsi que dans l’étude de son mode d’action. La PCSK9 est composée de trois domaines et notre intérêt s’est porté sur l’étude structure-fonction des deux domaines dont la fonction était inconnue, soit le domaine en N-terminal : le prodomaine et de son domaine en C-terminal : CHRD. Le premier article présenté dans cette thèse révèle l’importance d’une région acide (acide aminés 33-58) régulatrice de l’activité de la PCSK9 localisée en N-terminal du prodomaine ainsi que l’effet du pH acide, équivalent à celui des endosomes tardifs, qui accroît la capacité de la PCSK9 à induire la dégradation du LDLR. Le deuxième article dissèque davantage la structure de la PCSK9 et met en lumière la différence des prérequis structurels de la région ‘’Hinge’’ ainsi que du module M2, composant du domaine CHRD, dans la voie intracellulaire et la voie extracellulaire d’activité de la PCSK9. La mutation R434W localisée dans la région ‘’Hinge’’ résulte dans une inhibition totale de l’activité intracellulaire de la PCSK9 tandis que son activité extracellulaire est réduite à ~70%. Contrairement, la perte du module M2 du domaine CHRD est bien tolérée par la PCSK9 lors de son activité intracellulaire mais totalement inhibitrice pour son activité extracellulaire. Le troisième article se distingue en présentant une nouvelle stratégie d’inhibition de l’activité de la PCSK9 en utilisant une chimère composée de la fraction Fc de l’immunoglobuline IgG1 humaine couplée avec le prodomaine de la PCSK9. La protéine fusion Fcpro lie directement la PCSK9, crée un encombrement structurel qui résulte dans une régulation négative l’activité de la PCSK9. En résumé, nous présentons dans cette thèse, trois manuscrits qui apportent une contribution à la connaissance des composantes structurelles de la PCSK9 et leur implication dans le rôle de la protéine en tant que régulateur négatif du LDLR. / Hypercholesterolemia is one of the major risk factors leading to cardiovascular disease. In this context, we focused our study on a protein that directly influences hypercholesterolemia: PCSK9. Since 2003, the coding gene for PCSK9 has been identified as the third locus responsible for familial hypercholesterolemia (FH3). PCSK9 is a protein secreted mostly from the liver by hepatocytes and has the capacity to recognize, bind and direct to degradation the LDLR receptor. The latter is responsible for the elimination the LDL particles from the plasma. The direct consequence of the LDLR degradation induced by PCSK9 is the harmful accumulation of the bad cholesterol in the blood. Since PCSK9 activity has undesirable consequences on lipid metabolism homeostasis, we directed our research to characterize this protein to better understand its mechanism of action. Three domains compose PCSK9 structure and we focused on the ‘’structure-function study’’ of two domains, of which roles were still unknown: the prodomain located at the N-terminal extremity and the CHRD domain at the C-terminus of PCSK9. The first manuscript presented in this thesis brings to light the importance of the acidic N-terminal sequence of the prosegment (amino acids 33-58) and its effect on the activity of PCSK9. It also presents a novel mechanism for fine-tuning the activity of PCSK9, which is enhanced at acidic pHs close to those of late endosomes. The second manuscript dissects further the PCSK9 structure, revealing that the structural requirements of the hinge and the M2 module located in the CHRD domain are not the same for the intracellular and extracellular pathways of PCSK9-induced LDLR degradation. Although the R434W natural mutation in the hinge region is absolutely deleterious for the intracellular activity of PCSK9, it reduces by ~70% the extracellular one. In contrast, the loss of M2 module of the CHRD domain is tolerated for the intracellular activity of PCSK9 but not for the extracellular one. The third manuscript demonstrates for the first time that a chimera containing the prosegment (Fcpro) directly binds PCSK9 and effectively acts as a negative regulator (inhibitor) of its ability to induce LDLR degradation. Our work presents a new strategy to develop such inhibitors by interfering with the structure of PCSK9 and exploiting the properties of the PCSK9 prosegment and the advantage of its fusion to a humanized Fc of IgG1. In summary, the present research data sheds new light on the functional contribution of the prodomain and the CHRD domain of PCSK9.

L’excès des particules de LDL dans le sang constitue un facteur de risque majeur dans le développement des maladies cardiovasculaires. Dans ce contexte, nous étudions la protéine PCSK9 qui favorise directement ce facteur de risque. Cette protéine est sécrétée en majorité au niveau du foie par les hépatocytes et possède la capacité de reconnaître et de lier le récepteur LDLR. Le rôle premier de ce dernier est d’éliminer les particules de LDL circulant dans le plasma. Ainsi, lorsque la PCSK9 forme un complexe avec le LDLR et l’amène à la dégradation, la conséquence directe de la diminution des ces récepteurs est une accumulation malsaine des particules LDL dans le plasma. L’importante implication de la PCSK9 dans le métabolisme des lipides nous a menés vers des recherches de caractérisation de cette protéine ainsi que dans l’étude de son mode d’action. La PCSK9 est composée de trois domaines et notre intérêt s’est porté sur l’étude structure-fonction des deux domaines dont la fonction était inconnue, soit le domaine en N-terminal : le prodomaine et de son domaine en C-terminal : CHRD. Le premier article présenté dans cette thèse révèle l’importance d’une région acide (acide aminés 33-58) régulatrice de l’activité de la PCSK9 localisée en N-terminal du prodomaine ainsi que l’effet du pH acide, équivalent à celui des endosomes tardifs, qui accroît la capacité de la PCSK9 à induire la dégradation du LDLR. Le deuxième article dissèque davantage la structure de la PCSK9 et met en lumière la différence des prérequis structurels de la région ‘’Hinge’’ ainsi que du module M2, composant du domaine CHRD, dans la voie intracellulaire et la voie extracellulaire d’activité de la PCSK9. La mutation R434W localisée dans la région ‘’Hinge’’ résulte dans une inhibition totale de l’activité intracellulaire de la PCSK9 tandis que son activité extracellulaire est réduite à ~70%. Contrairement, la perte du module M2 du domaine CHRD est bien tolérée par la PCSK9 lors de son activité intracellulaire mais totalement inhibitrice pour son activité extracellulaire. Le troisième article se distingue en présentant une nouvelle stratégie d’inhibition de l’activité de la PCSK9 en utilisant une chimère composée de la fraction Fc de l’immunoglobuline IgG1 humaine couplée avec le prodomaine de la PCSK9. La protéine fusion Fcpro lie directement la PCSK9, crée un encombrement structurel qui résulte dans une régulation négative l’activité de la PCSK9. En résumé, nous présentons dans cette thèse, trois manuscrits qui apportent une contribution à la connaissance des composantes structurelles de la PCSK9 et leur implication dans le rôle de la protéine en tant que régulateur négatif du LDLR. / Hypercholesterolemia is one of the major risk factors leading to cardiovascular disease. In this context, we focused our study on a protein that directly influences hypercholesterolemia: PCSK9. Since 2003, the coding gene for PCSK9 has been identified as the third locus responsible for familial hypercholesterolemia (FH3). PCSK9 is a protein secreted mostly from the liver by hepatocytes and has the capacity to recognize, bind and direct to degradation the LDLR receptor. The latter is responsible for the elimination the LDL particles from the plasma. The direct consequence of the LDLR degradation induced by PCSK9 is the harmful accumulation of the bad cholesterol in the blood. Since PCSK9 activity has undesirable consequences on lipid metabolism homeostasis, we directed our research to characterize this protein to better understand its mechanism of action. Three domains compose PCSK9 structure and we focused on the ‘’structure-function study’’ of two domains, of which roles were still unknown: the prodomain located at the N-terminal extremity and the CHRD domain at the C-terminus of PCSK9. The first manuscript presented in this thesis brings to light the importance of the acidic N-terminal sequence of the prosegment (amino acids 33-58) and its effect on the activity of PCSK9. It also presents a novel mechanism for fine-tuning the activity of PCSK9, which is enhanced at acidic pHs close to those of late endosomes. The second manuscript dissects further the PCSK9 structure, revealing that the structural requirements of the hinge and the M2 module located in the CHRD domain are not the same for the intracellular and extracellular pathways of PCSK9-induced LDLR degradation. Although the R434W natural mutation in the hinge region is absolutely deleterious for the intracellular activity of PCSK9, it reduces by ~70% the extracellular one. In contrast, the loss of M2 module of the CHRD domain is tolerated for the intracellular activity of PCSK9 but not for the extracellular one. The third manuscript demonstrates for the first time that a chimera containing the prosegment (Fcpro) directly binds PCSK9 and effectively acts as a negative regulator (inhibitor) of its ability to induce LDLR degradation. Our work presents a new strategy to develop such inhibitors by interfering with the structure of PCSK9 and exploiting the properties of the PCSK9 prosegment and the advantage of its fusion to a humanized Fc of IgG1. In summary, the present research data sheds new light on the functional contribution of the prodomain and the CHRD domain of PCSK9.