Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le virus de l'hépatite C (VHC) est une cause majeure d'affection hépatique chronique, notamment la cirrhose et le cancer du foie. On estime que 170 millions de personnes dans le monde sont des porteurs chroniques du VHC et que 3 à 4 millions de personnes sont infectées chaque année. Un des handicaps majeurs de la recherche sur le VHC est l'absence de systèmes de culture in vitro efficaces et de modèles animaux. Nous avons ainsi choisi une approche recombinante pour l'étude de protéines E1, E2 et p7 du VHC.Les protéines E1, E2 et p7 qui sont impliquées dans des étapes essentielles du cycle viral sont des protéines membranaires. Cependant, l'expression recombinante de cette classe de protéine est extrêmement complexe. En effet, la surexpression des protéines membranaires est souvent toxique pour les cellules hôtes. Ce phénomène est provoqué par l'agrégation ou la dégradation des protéines dans le cytoplasme dû à un manque de membrane disponible pour assurer leur intégration sur la cellule hôte. De plus, la surexpression de protéines membranaires induit la saturation de la machinerie cellulaire liée aux protéines membranaires. Ce détournement empêche le déroulement d'un cycle cellulaire normal et est ainsi fatal pour la cellule hôte. La forte concentration de protéines membranaires ou encore le fait que celles-ci soient hétérologues peut également provoquer la déstabilisation de la membrane de la cellule hôte et de son homéostasie. Afin de nous affranchir de ces limitations, nous avons utilisé une méthode de production des protéines membranaires sous forme native par un système acellulaire en présence de liposomes ; une technologie brevetée par l'université Joseph Fourier et exploitée par la société Synthelis. Dans un premier temps, nous avons procédé à la mise en place du système de production exploitant un lysat bactérien d'E. coli et d'un mélange énergétique complémentaire. Nous avons ensuite utilisé ce system pour étudier la viroporine p7. Cette protéine est essentielle pour la production de particules virales infectieuses et est impliquée dans l'assemblage viral ce qui en fait une cible thérapeutique intéressante. La production de protéoliposomes p7 en grande quantité nous a permis la caractérisation de la protéine par des techniques biochimiques et biophysiques. Nous avons mis en évidence l'inhibition de l'oligomérisation de p7 par le HMA qui ainsi inhibe sa fonction canal ionique. Grâce à la flexibilité du système d'expression acellulaire nous avons caractérisé la structure de la viroporine dans la membrane par réflectivité de neutron et avons confirmé la forme en entonnoir du complexe protéique. Des résultats préliminaires sur les proéoliposomes E1E2 quant à eux permettent d'espérer la production prochaine de particules virales mimant le VHC afin de mieux l'étudier et de lutter contre cette épidémie.L'ensemble de ces résultats confirment la pertinence de l'expression de protéines membranaires sous formes natives en système acellulaire en présence de liposomes. Les protéoliposomes produits constituent des nouveaux outils pour l'étude du VHC et permettent d'envisager de très grandes applications thérapeutiques ainsi que le développement de biomédicaments basés sur l'utilisation de protéines membranaires recombinantes. / The Hepatitis C virus (HCV) is a major cause of chronic liver disease, including cirrhosis and liver cancer. An estimated 170 million people worldwide are chronically infected with HCV and 3 to 4 million people are infected each year. One of the major handicaps of the HCV research is the lack of effective in vitro culture systems and animal models. To adress this issue, we chose a recombinant approach to study the E1, E2 and p7 proteins of HCV.The E1, E2 and p7 proteins are involved in critical steps of the viral cycle. They are membrane proteins, a class of protein that is extremely complex to express. Indeed, overexpression of membrane proteins is often toxic to the host cells. This phenomenon is caused by protein aggregation or degradation in the cytoplasm due to a lack of available membrane space for their integration into the host cell. Moreover, overexpression of membrane proteins induces saturation of the cellular machinery linked to membrane proteins. This diversion prevents the flow of a normal cell cycle and is fatal to the host cell. Destabilization of the host cell's membrane and its homeostatis may also be caused by the high concentration of membrane proteins or their heterologous nature. To circumvent these limitations, we used a method for producing membrane proteins in their native form by a cell-free system in the presence of liposomes; a technology patented by the University Joseph Fourier and licenced by the startup company Synthelis. First, we have set up the cell-free production system using a bacterial lysate from E. coli and a complementary energy mix. We then used this system to study the p7 viroporine. This protein is essential for the production of infectious virus particles and is involved in viral assembly making it an attractive therapeutic target. The production of a large quantity of p7 proteoliposomes allowed us to characterize the protein by biochemical and biophysical techniques. We have demonstrated the inhibition of oligomerization of p7 by HMA, which thereby inhibits its ion channel function. Thanks to the flexibility of the cell-free expression system we have characterized the structure of the viroporine within the membrane in a neutron reflectivity assay and have confirmed the funnel shape of the protein complex. Preliminary results on proteoliposomes E1E2 offer hope for the production viral particles mimicking the hepatitis C virus in order to better study the virus and fight against this epidemic.Together, these results confirm the suitability of the expression of membrane proteins in native forms using a cell-free system in the presence of liposomes. Proteoliposomes products are a new tool for the study of HCV and consideration for very broad therapeutic applications and the development of biopharmaceuticals based on the use of recombinant membrane proteins.

Les furocoumarines constituent l'une des classes de métabolites secondaires dérivant de la voie de biosynthèse des phénylpropanoïdes. Elles ont été décrites comme étant des phytoaléxines mais sont également très largement utilisées par l'Homme pour leurs propriétés thérapeutiques. Un certain nombre d'études biochimiques ont été réalisées afin d'en comprendre la biosynthèse mais peu de choses sont connues concernant leur déterminisme moléculaire. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la caractérisation fonctionnelle de gènes appartenant aux prényltransférases aromatiques potentiellement impliquées dans cette voie de biosynthèse. Les prényltransférases catalysent la première étape de la voie de biosynthèse des furocoumarines linéaires ou angulaires. Elles permettent l'addition d'un groupement dimethylally pyrophosphate (DMAPP) sur l'umbelliférone. En utilisant SfN8DT-1, une prényltransférase aromatique récemment caractérisée, comme sonde, nous avons identifié 7 gènes candidats chez deux familles de plantes (Rutaceae et Apiaceae). Dans la mesure où il a été décrit que ces enzymes étaient des protéines membranaires, nous avons adapté un système d'expression hétérologue basé sur l'utilisation de N. benthamiana. Ce système a été validé par l'expression de deux protéines membranaires : un cytochrome P450 CYP98A22 et une prényltransférase déjà caractérisée SfN8DT-1. Nous avons ensuite utilisé ce système d'expression pour réaliser l'étude des 7 gènes nouvellement isolés. Ces travaux nous ont permis de caractériser la première umbelliferone prenyltransferase de Petroselinum crispum capable de catalyser in vitro et in vivo la prénylation du carbone 6 ou 8 de l'umbelliférone en présence de DMAPP permettant ainsi la synthèse respectivement de demethylsuberosin et d'osthenol. Par ailleurs, une étude réalisée in planta chez le persil a permis de mettre en évidence une relation positive entre le niveau d'expression du gène et la teneur en umbelliférone prénylée. L'étude de la surexpression du gène chez Ruta graveolens a permis de mettre en évidence un lien entre l'expression du gène et la disparition de l'umbelliférone. Enfin nous avons identifié la même activité pour une prényltransférase de Pastinaca sativa, ce qui nous amène à émettre l'hypothèse que l'étape de prénylation n'est pas une étape limitante dans la biosynthèse des furocoumarines angulaires, étant donné que le persil ne produit que des furocoumarines linéaires, tandis que le panais produit des furocoumarines linéaires et angulaires. L'utilisation de ces mêmes systèmes d'expression hétérologue de N. benthamiana et R. graveolens nous a également permis d'identifier une seconde prényltransférase aromatique capable de catalyser l'addition de géranylpyrophosphate (GPP) sur l'umbelliférone et sur l'esculétine / Furanocoumarins constitute one of the classes of secondary metabolites deriving from the phenylpropanoid biosynthetic pathway. These molecules are described as phytoalexins in plants but are also used by humans for their pharmaceutical properties. A large number of biochemical studies were carried out to understand their biosynthetic pathway but little information was available concerning the genes involved in the pathway. In this study, we focused on the characterization of genes encoding for aromatic prenyltransferases which were described to be involved in this pathway. Prenlyltransferases catalyze the entry step to the linear or angular furanocoumarin pathway. Hence they catalyze the addition of a dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP) prenyl moiety to umbelliferone. Using a recently characterized aromatic prenyltransferase (SfN8DT-1) as a probe, we isolated 7 different candidate genes from two plant families (Rutaceae and Apiaceae). As these enzymes were described as membrane bound proteins, we adapted a heterologous expression system made up of Nicotiana benthamian aand we validated its efficiency by using two membrane-associated enzymes: a cytochrome P450 (CYP98A22) and the already described prenyltransferase SfN8DT-1. Subsequently, this system was used to perform the functional characterization of the 7 newly identified proteins. This way we succeeded to characterize the first umbelliferone prenyltransferase of Petroselinum crispum that was able to catalyze both the 6-C and 8-C prenylation of umbelliferone with DMAPP producing demethylsuberosin and osthenol respectively. We made evidence that these reactions occurred both in vitro and in vivo. In addition, in planta studies performed in P.crispum showed a positive relationship between the gene expression level and the content of prenylated umbelliferone. The overexpression of this gene was investigated in Ruta graveolens and we could provide evidences of a link between the enzymatic activity and the disappearance of umbelliferone. We also reported a similar activity for a prenyltransferase isolated from Pastinaca sativa, which makes us assume that the prenylation step is not a rate limiting step in the biosynthetic pathway of angular furanocoumarins since parsley is producing only linear furanocoumarins whereas parsnip is producing both linear and angular furanocoumarins. In addition, using the same N. benthamiana and R. graveolens heterologous expression systems, we identified a second aromatic prenyltransferase able to catalyze the addition of geranyl pyrophosphate (GPP) both to umbelliferone and esculetin

Les complexes multi-protéiques jouent un rôle crucial dans les cellules vivantes en catalysant et servant d'intermédiaires entre pratiquement toutes les activités cellulaires essentielles. Cependant, un grand nombre de ces machines se trouvent en très faibles quantités dans les cellules en particulier en ce qui concernent les complexes eucaryotes. Ceci est réfractaire à leur extraction à grande échelle et empêche sévèrement l'élucidation de leur structure et fonction. Dans le but de rendre les complexes multi protéiques accessibles par la voie de production recombinante, le groupe Berger a mis au point un ensemble de systèmes d'expression sur mesure pour la surproduction de complexes multi protéiques dans différents organismes hôtes incluant E. coli, les cellules d'insectes et les cellules de mammifères. Ces systèmes et en particulier le système MultiBac baculovirus/cellules d'insecte ont d'ors et déjà grandement contribués à l'étude de l'assemblage structural et fonctionnel à l'échelle moléculaire et atomique de nombreux complexes multi protéiques importants. Cela inclut en particulier le facteur général humain de transcription TFIID, un complexe de ~1.5 MDa qui constitue le sujet de recherche du laboratoire Berger. Mes contributions dans le développement de la technologie pour la production et dans l'élucidation des complexes TFIID humains sont discutées en détails dans cette thèse. / Multiprotein complexes play a crucial role in living cells by catalyzing and mediating virtually all essential cellular activities. However, many of these essential machines exist in very low endogenous amount in cells, in particular for eukaryotic complexes. This is refractory to large-scale extraction from native source material, severely impeding the elucidation of their structure and function. In order to make multiprotein complexes accessible by means of recombinant production, the Berger laboratory has developed an array of advanced expression systems tailor-made for overproducing multiprotein complexes in various host organisms including E. coli, insect cells and mammalian cells. Those systems, in particular the MultiBac baculovirus/insect cell system have already greatly contributed to studying the structural and functional assemblies of numerous important multiprotein complexes in molecular and atomic detail. Notably, this includes also the human general transcription factor TFIID, a ~1.5 MDa complex, which is the research focus of the Berger laboratory. My contributions to the expression technology development and to the structural elucidation of human TFIID complexes are discussed in details in this thesis.

Les protéines membranaires intégrales jouent un rôle essentiel dans le maintien de l’intégrité cellulaire (transports d’ions et de nutriments, transduction de signal, interaction cellule-cellule). Afin de les étudier, ces protéines doivent être produites in vitro. La production classique de ces protéines membranaires intégrales dans des microorganismes présente de nombreuses difficultés liées à leur structure complexe mais aussi à des problèmes de toxicité, empêchant la production de nombre d’entre elles. En outre, pour être produites efficacement, ces protéines ont besoin d’un environnement amphiphile. Dans cette thèse, afin de pallier à ces difficultés, nous avons d’une part utilisé un système d’expression protéique acellulaire, non affecté par la physiologie des cellules vivantes. En outre, nous avons choisi de les intégrer dans des bicouches lipidiques planes reconstituées artificiellement. Dans une première partie, nous avons mis au point l’intégration d’une protéine membranaire intégrale formant un pore, l’alpha hémolysine, dans une bicouche lipidique supportée. Certaines protéines nécessitant un espace plus important de part etd’autre de la membrane, nous avons, dans une seconde partie, développé une bicouche lipidique espacée et ancrée par fusion de liposomes sur des surfaces d’or. Nous démontrons qu’il est possible d’y incorporer des protéines membranaires de type Aquaporine Z sous certaines conditions. Dans une troisième partie, dédiée à la formation de membranes biomimétiques utilisant des molécules lipidiques provenant d’Escherichia coli, nous montrons que la modification de la composition membranaire ne semble pas avoir d’incidence sur l’incorporation de protéines. Enfin, dans une dernière partie, nous avons réalisé des premiers essais d’insertion de protéines membranaires, de type alpha hémolysine, dans des bicouches suspendues afin de montrer que ces protéines produites par le système d’expression acellulaire sont fonctionnelles. / Integral membrane proteins play an essential role in the cell integrity preservation (transport of nutrients and ions, signal transduction, cell-cell interaction). In order to study these proteins, they have to be produced in vitro. Classical production of integral membrane proteins in microorganisms present many difficulties associated with their complex structure and also toxicity problems, preventing production of many of them. Moreover, to be efficiently produced, these proteins require an amphiphilic environment. In order to overcome these difficulties, we used a cell-free protein expression system, unaffected by the physiology ofliving cells. In addition, we chose to integrate them into artificial planar lipid bilayers. In a first part, we have developed the integration of an integral membrane protein forming a pore, the alpha hemolysin, in a supported lipid bilayer. Some proteins require more space on each side of the membrane, therefore in a second part, we have developed a tethered lipid bilayer membrane by liposome fusion on gold surfaces. We demonstrate that it is possible to incorporate membrane protein Aquaporin Z under certain conditions. The third part is dedicated to the formation of biomimetic membranes using lipid molecules from Escherichiacoli, we show that the membrane composition do not affect the protein incorporation. Finally, we have tested alpha hemolysin membrane proteins insertion in suspended lipid bilayers membranes to show that these proteins produced by the cell-free expression system are functional.