Les ARN de transfert, éléments centraux de la traduction, présentent une grande variété de nucléosides modifiés dérivés des nucléosides canoniques (A, U, G et C), qui modulent la stabilité, la capacité de décodage et l’identité de ces molécules. t6A (thréonylcarbamoyl-N6-Adénosine) est un nucléoside hypermodifié retrouvé en position 37 (adjacent à l’anticodon) au niveau de tous les ARNt qui s’apparient aux codons de la forme ANN. Il joue un rôle essentiel dans la fidélité de traduction à travers deux fonctions principales : (i) il intervient dans le maintien de la bonne conformation de la boucle anticodon ; (ii) il facilite l’appariement codon/anticodon afin d’éviter le décalage de cadre de lecture durant la synthèse protéique. Ce nucléoside modifié est universel, présent chez les Archées, les Bactéries, les Eucaryotes, mais également chez les organites (mitochondries et chloroplastes), ce qui suggère que son apparition représente une acquisition évolutive importante et très ancienne, probablement antérieure au dernier ancêtre commun universel (LUCA). Pourtant, la voie de biosynthèse de t6A est restée inconnue pendant près de quarante ans.Récemment, des études de génétique ont montré que deux protéines universelles, Sua5/YrdC et Kae1/YgjD, sont nécessaires à sa synthèse chez Saccharomyces cerevisiae et Escherichia coli. Chez les Bactéries, la synthèse in vitro de t6A requiert la présence de deux autres protéines spécifiques à ce domaine du vivant : YeaZ et YjeE. Chez les Archées et les Eucaryotes, Kae1 (l’orthologue de YgjD) fait partie d’un complexe protéique conservé appelé KEOPS (pour Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), aux côtés de trois autres protéines : Bud32, Cgi121 et Pcc1, qui n’ont pas d’homologues chez les Bactéries. Depuis sa découverte en 2006 chez S.cerevisiae, ce complexe a été impliqué dans plusieurs processus cellulaires (homéostasie des télomères, maintien du génome, régulation de la transcription), sans que sa fonction ne soit clairement élucidée.Nous avons entrepris de caractériser et de comparer par une approche biochimique in vitro les machineries de biosynthèse de t6A issues des trois domaines du vivants, en utilisant comme organismes modèles l’Archée Pyrococcus abyssi, l’Eucaryote Saccharomyces cerevisiae et la Bactérie Escherichia coli. (i) Nous avons montré pour la première fois que le complexe KEOPS et la protéine Sua5 catalysent ensemble la synthèse de t6A chez les Archées et les Eucaryotes. Nos résultats nous ont permis d’élaborer un modèle de mécanisme catalytique, et nous avons montré par des expériences de complémentation in vitro que ce mécanisme est universel : les différents orthologues Sua5/YrdC sont interchangeables, et le complexe KEOPS est l’analogue fonctionnel du trio de protéines YgjD/YeaZ/YjeE Bactérien. (ii) Nous avons alors étudié le rôle de chacune des sous-unités du complexe KEOPS de Pyrococcus abyssi dans la synthèse de t6A. Ainsi, nous avons montré que Kae1 est le seul composant catalytique stricto sensus et que les trois autres partenaires ont des fonctions distinctes dans la régulation de l’activité catalytique. (iii) Enfin, nous avons étudié la synthèse de t6A chez la mitochondrie de S.cerevisiae, et avons montré que Sua5 et la protéine Qri7, l’orthologue mitochondrial de Kae1/YgjD, catalysent ensemble la synthèse de t6A et constituent ainsi un système minimaliste à deux composants.Ces résultats ouvrent la voie à une compréhension détaillée du mécanisme de biosynthèse de t6A dans les trois domaines du vivant, et permettent de proposer des scénarii évolutifs concernant l’histoire de la machinerie de synthèse de ce nucléoside modifié universel. / Transfer RNA are central elements of the translational system and carry a large diversity of modified nucleosides (derived from canonical nucleosides A, U, G, and C), which tune the stability, the decoding capacity and the identity of these oligonucleotides. t6A (threonylcarbamoyl-N6- adenosine) is a hypermodified nucleoside found at the position 37 (next to the anticodon) in all tRNA decoding ANN codons. It plays an essential role in the fidelity of translation through two main functions: (i) it ensures a correct conformation of the anticodon loop; (ii) it enhances codon/anticodon pairing to prevent frameshifting during translation. This nucleoside is universal, found in Archaea, Bacteria, Eukarya and also in organites such as mitochondria, which suggests that it appeared early in the evolution, probably before the last universal common ancestor (LUCA). Despite the importance of t6A and its distribution, its biosynthetic pathway has remained unknown for almost 40 years.Recently, genetic studies have shown that two universal proteins, Sua5/YrdC and Kae1/YgjD, are both necessary for synthesis of t6A in Saccharomyces cerevisiae and Escherichia coli. In Bacteria, the in vitro synthesis of t6A requires two other bacterial specific proteins called YeaZ and YjeE. In Archaea and Eukarya, Kae1 (the YgjD orthologue) is a part of a conserved protein complex called KEOPS (for Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), with three other proteins Bud32, Cgi121 and Pcc1, that have no bacterial homologues. Since its discovery in 2006 in yeast, this complex has been involved in several cellular processes (telomere homeostasis, genome maintenance, transcription regulation), but its real function remained unclear.Using an in vitro biochemical approach we aimed to characterize and compare the t6A biosynthesis systems from the three domains of life, using as model organisms Pyrococcus abyssi (Archaea) Saccharomyces cerevisiae (Eukarya), and Escherichia coli (Bacteria). We have reconstituted for the first time an in vitro system for t6A modification in Archaea and Eukarya, using purified KEOPS and Sua5. This allowed us to propose a model for the catalytic mechanism, and using in vitro complementation experiments we demonstrated that this mechanism is universal: Sua5/YrdC orthologues are interchangeable, and the KEOPS complex is the functional analogue of the bacterial trio YeaZ/YgjD/YjeE. In the second part of this work we have studied the role of each sub unit in the synthesis of t6A. Using KEOPS from P. abyssi as model we demonstrated that Kae1 is the only catalytic component while the three other partners have distinct functions in dimerization, tRNA binding and allosteric regulation. Finally, we have focused on the t6A synthesis in the mitochondria of S.cerevisiae, and shown that Sua5 and Qri7, the mitochondrial orthologue of Kae1/YgjD, catalyze together the synthesis of t6A and so represent a minimal two-component system.Overall these findings shed light on the reaction mechanism of t6A synthesis in the three domains of life, and allowed proposing a scenario concerning the history of the t6A synthesis machinery and its evolution.

Cela fait plus de quarante ans que la plupart des modifications des ARNt ont été découvertes mais ce n’est que récemment que les gènes correspondants ont pu être identifié. La modification N6-threonylcarbamoyl adénosine (t6A) est universelle et se trouve à la position 37, adjacente de l’anticodon, dans de nombreux ARNt. Les quatre gènes responsables de la synthèse de cette modification chez les bactéries furent découverts par des approches de génomique comparative mais uniquement deux de ces gènes sont universels, TsaC/Sua5 et TsaD/Kae1/Qri7. Des travaux récents ont révélé qu'il existait différentes voies enzymatiques pour la synthèse de cette modification selon domaine de la vie, les organelles et les espèces considérés. L'étude de ces variations est toujours en cours de caractérisation.Ce travail a identifié quatre autres protéines requises pour la synthèse de t6A dans les ARNt cytoplasmiques de levure (Bud32, Pcc1, Cgi121 et Gon7) et établi que seuls Sua5 et Qri7 sont requis pour modifier les ARNt mitochondriaux. La même enzyme, Sua5, effectue la première étape de la synthèse de t6A à la fois dans le cytoplasme et les mitochondries. Cette protéine peut être localisée dans les deux compartiments grâce à l’utilisation de sites d’initiation de la traduction différents. Cette étude a montré qu’une machinerie de synthèse minimale est requise pour la synthèse de t6A dans les mitochondries, potentiellement similaire à la machinerie présente dans le dernier ancêtre commun. Les rôles de cette modification complexe in vivo semblent également varier. Par exemple, t6A est indispensable chez les procaryotes, mais pas dans la levure. Les causes des phénotypes pléïotropes observés lors de la diminution ou l'absence de t6A ne sont pas encore entièrement comprises. Nous avons pu élucider certains des rôles joués par la modification t6A, en effectuant une analyse globale des erreurs de traduction observées en absence de cette modification par analyse des profils ribosomaux. Par exemple, il semble que la présence de t6A permet aux ARNt rares de concurrencer plus efficacement les ARNt abondants. La complexité et la diversité des voies de synthèse combiné à l’importance fonctionnelle et évolutive de cette modification ont fait de t6A une “décoration” des ARNt particulièrement fascinante à étudier. / The modification of tRNA has a rich literature of biochemical analysis going back more than 40 years; however, the genes responsible for the modifications have only been recently identified. Comparative genomic analysis has allowed for the identification of the genes in bacteria, and subsequent characterization of the enzymes, responsible for the modification N6-threonylcarbamoyladenosine (t6A) located at position 37, adjacent to the anticodon of tRNAs. While the modification is present in all domains of life, only two of the four enzymes responsible for biosynthesis machinery are conserved. In Eukaryotes, both cytoplasmic and mitochondrial tRNAs are modified with t6A, and previously only the two universally conserved members of the cytoplasmic t6A synthesis pathway, TsaC/Sua5 and TsaD/KaeI/Qri7 were known. Recent progress on deciphering the t6A synthesis pathways has revealed that different solutions have been adopted in different kingdoms, species, and organelles, and these variant pathways are still being characterized.This investigation identified the other four proteins required for cytoplasmic synthesis (Bud32, Pcc1, Cgi121, Gon7), and determined that only Sua5 and Qri7 are required for mitochondrial synthesis of t6A in yeast. The same enzyme, Sua5, performs the first step of t6A synthesis in both the cytoplasm and the mitochondria. It is targeted to both the cytoplasm and the mitochondria through the use of alternative, in-frame AUG translational start sites. This study showed that a minimum synthesis machinery is responsible for mitochondrial t6A, implicating a core set of enzymes from the LUCA.The roles of this complex modification in vivo also seem to vary. For example, t6A is essential in prokaryotes, but not in yeast. The causes of the observed pleiotropic phenotypes triggered by the reduction or absence of t6A synthesis enzymes are not yet fully understood. This work used ribosome profiling to map all translation errors occurring when t6A was absent. By examining ribosomal occupancy of every codon, this work indicates that t6A is helping rare tRNAs compete with high copy tRNAs. The complexity and diversity of the t6A pathway combined with the functional and evolutionary importance of this modification have made t6A a particularly fascinating “decoration” of tRNA to study.

Structure, fonction et évolution de la famille universelle Sua5/YrdC impliquée dans la synthèse du nucléoside modifié t6ALa t6A est universellement présente au sein des ARNt décodant les codons ANN et est essentielle pour la fidélité de traduction. Sa synthèse se déroule en deux étapes, dont la première implique la formation de l’intermédiaire de réaction Thréonyl-Carbamoyl-AMP (TC-AMP) par la famille Sua5/YrdC. Cette famille est retrouvée chez tous les organismes et était donc vraisemblablement présente chez le dernier ancêtre commun universel (LUCA). Elle est composée de deux variants distincts, YrdC et Sua5, qui partagent un domaine catalytique orthologue. A la différence du variant YrdC qui est composé d’un domaine unique, le variant Sua5 possède un domaine C-terminal additionnel nommé SUA5, de fonction inconnue. La plupart des espèces code pour un seul variant et les deux variants sont présents dans les trois domaines du vivant, Eucaryote, Archée et Bactérie. Afin d’identifier le rôle du domaine SUA5 et du linker inter-domaine, nous avons étudié la protéine Sua5 de l’archée Pyrococcus abyssi. Nos résultats montrent que ces deux régions sont importantes pour l’activité de Sua5. Le linker est capable de contrôler le passage des ligands en changeant de conformation tandis que le domaine SUA5 agit comme une plateforme d’ancrage pour le linker. Afin de comprendre l’histoire évolutive de la famille Sua5/YrdC, nous avons ensuite étudié la distribution des variants et nous avons utilisé des approches in silico et in vitro afin de déterminer les différences fonctionnelles entre YrdC et Sua5. L’ensemble de ces données nous permet de proposer que LUCA possédait une protéine Sua5 et qu’YrdC serait apparu suite à une perte de domaine dans certains lignées lors de l’évolution. / Structure, function and evolution of the universal Sua5/YrdC family involved in the modified nucleoside t6A synthesist6A is universally found in tRNAs that read ANN codons and is essential for translation fidelity. Its synthesis takes place in two stages, the first one involving the formation of the reaction intermediate Threonyl-Carbamoyl-AMP (TC-AMP) by the Sua5/YrdC family. This family is found in all organisms and was thus presumably presents in the Last Universal Common Ancestor (LUCA). It’s composed of two distinct variants, YrdC and Sua5, which share an orthologous catalytic domain. While YrdC is a single domain protein, Sua5 has an additional C-terminal domain of unknown function named SUA5. Most species encode for either variant and both variants are found in the three domains of life, Eukarya, Archaea and Bacteria. To discover the role of the SUA5 domain and the inter-domain linker, we studied the Sua5 protein from the archaeon Pyrococcus abyssi. We found that they are both important for the activity of Sua5. The linker is able to control the entry and exit of ligands by changing conformation while the SUA5 domain acts as an anchoring platform for the linker. To understand the evolutionary history of the Sua5/YrdC family, we then studied the distribution of Sua5 and YrdC across the tree of life and we used in silico and in vitro approaches to identify functional differences between YrdC and Sua5. Taken together, our work allows us to propose that LUCA encoded a Sua5 protein and that YrdC emerged after domain loss in some lineages during evolution.

La plupart de ARN de transfert (tRNA) subissent des modifications post-transcriptionnelle nécessaires à leur fonction. La modification t6A (N6-threonylcarbamoyladenosine) présente en position 37 des ARNt spécifiques des codons ANN, joue un rôle primordial dans la fidélité de la traduction (appariement correct avec le codon AUG initiateur ; prévention des décalages de phase de lecture etc.). La modification t6A est catalysée en deux étapes par les protéines de la famille Sua5 /YrdC (aboutissant à la synthèse d’un intermédiaire TCA : threonylcarbamoyladenylate) puis transfert de l’entité Carbamoylthreonine du TCA sur l’ARNt via les protéines du complexe KEOPS chez les eucaryotes et archae ou des protéines YgjD, YeaZ et YjeE chez les bactéries ou encore de la protéine Qri7 dans les mitochondries de levures. Le complexe KEOPS comprend les 4 sous-unités suivantes : Kae1, Bud32, Cgi121 et Pcc1 auxquelles s’ajoutent une 5ème sous-unité (Gon7) retrouvée uniquement chez la levure. Alors que YgjD est l’homologue bactérien de la protéine Kae1, YeaZ et YjeE n’ont pas d’homologue chez les eucaryotes ni les archées. Jusqu’à présent, les mécanismes catalytiques responsables de la modification t6A restent peu connus.Nous présentons dans cette thèse une série d’études structure-fonction de plusieurs protéines impliquées dans la biosynthèse de la modification t6A : Sua5 de P. Abyssi ; les sous-complexes Bud32-Cgi121 et Gon7-Pcc1 de S. cerevisiae ainsi que le sous-complexe YgjD-YeaZ de E. coli. Les principaux résultats confirment que Sua5/YrdC est l’acteur majeur de la synthèse de l’intermédiaire TCA via son activité pyrophosphatase. Dans la levure, la protéine Gon7, empêche l’homodimérisation de Pcc1 qui ne peut plus induire de dimérisation du complexe entier (alors que c’est le cas chez les archées pour lesquelles Gon7 est absente). La structure du sous-complexe Bud32-Cgi121 de levure fournit des informations essentielles quant à son rôle de Kinase et d’ATPase au sein du complexe KEOPS. Ensemble, ces deux structures Bud32-Cgi121 et Gon7-Pcc1 nous permettent de proposer un modèle pentamérique du complexe KEOPS. Enfin, concernant les protéines bactériennes, nous montrons que l’activité ATPase de YjeE est stimulée par son association au complexe YgjD-YeaZ et que la formation du complexe ternaire YgjD-YeaZ-YjeE a lieu en présence d’ATP. Nous proposons un modèle structural de ce complexe ternaire pouvant expliquer les rôles des protéines YeaZ et YjeE dans la modification t6A.L’ensemble des études structurales abordées dans cette thèse permet donc de mieux comprendre le mécanisme catalytique de la modification t6A essentielle et ubiquitaire dans les 3 royaumes de la vie. / Most tRNAs undergo chemical modifications during their maturation after the transcription. N6-threonylcarbamoyladenosine (t6A) is universally present at position 37 of tRNAs that recognize ANN-codons. tRNA t6A plays an essential role in translational fidelity through enhancing the codon-anticodon interaction. Recently, the tRNA t6A-modifying enzymes have been identified and characterized in bacteria, archaea and yeast. The biosynthesis of tRNA t6A proceeds in two main steps: first, the biosynthesis of an unstable intermediate threonylcarbamoyladenylate (TCA) by Sua5/YrdC family protein, using ATP, L-threonine, bicarbonate as substrates; second, the transfer of threonylcarbamoyl-moiety from TCA onto A37 of cognate tRNAs by a set of other proteins that use Kae1/Qri7/YgjD family proteins as a catalytic component. Though the biosynthesis of tRNA t6A could be accomplished by Sua5 and Qri7 in yeast mitochondria, the t6A biosynthesis in archaea and yeast cytoplasm requires Sua5 and KEOPS protein complex, which consists of Kae1, Bud32, Cgi121, Pcc1 in archaea, and a fifth Gon7 in yeast. In bacteria, it requires YrdC, YgjD, YeaZ and YjeE, of which YeaZ and YjeE are not related to any KEOPS subunits. Presently, the molecular mechanism of Sua5/YrdC in catalyzing the TCA biosynthesis is not well understood; How the KEOPS subunits assembly and cooperatively transfer threonylcarbamoyl-moiety from TCA to tRNA is not known; The contribution of YeaZ and YjeE in t6A biosynthesis in bacteria still remains to be probed.In this study, we report crystal structures of P. abyssi Sua5, S. cerevisiae Gon7/Pcc1 and Bud32/Cgi121 binary complexes, and E. coli YgjD-YeaZ heterodimer. Based on the information revealed by the crystal structures, advanced biochemical characterizations were carried out to validate the hypotheses. We confirm first that Sua5/YrdC is capable of catalyzing the TCA biosynthesis using substrates of ATP, L-threonine, and bicarbonate. The structure of P. abyssi Sua5 in complex with pyrophosphate provides a basis for its ATP-pyrophosphatase activity. Second, the structure of Gon7 reveals that it functions as a structural mimic of Pcc1 and therefore prevents the formation of Pcc1 homodimer, which mediates the formation of a dimer of tetrameric KEOPS from archaea. The structure of Bud32-Cgi121 in complex with ADP provides a basis in support of the dual kinase and ATPase activities of Bud32. We present a structural model of yeast KEOPS that exists as a heteropentamer. Third, we discovered that the weak intrinsic ATPase activity of YjeE is activated by YgjD-YeaZ heterodimer. YgjD, YeaZ and YjeE associate and form a ternary complex that is regulated by both the formation of YgjD-YeaZ heterodimer and the binding of ATP to YjeE. The model of YgjD-YeaZ-YjeE ternary complex provides structural insight into the essential role of YeaZ and YjeE in t6A biosynthesis in bacteria. This work provides structural insights into understanding the biosynthesis of tRNA t6A that is essential and ubiquitous in all three domains of life.

Les ARN de transfert, éléments centraux de la traduction, présentent une grande variété de nucléosides modifiés dérivés des nucléosides canoniques (A, U, G et C), qui modulent la stabilité, la capacité de décodage et l'identité de ces molécules. t6A (thréonylcarbamoyl-N6-Adénosine) est un nucléoside hypermodifié retrouvé en position 37 (adjacent à l'anticodon) au niveau de tous les ARNt qui s'apparient aux codons de la forme ANN. Il joue un rôle essentiel dans la fidélité de traduction à travers deux fonctions principales : (i) il intervient dans le maintien de la bonne conformation de la boucle anticodon ; (ii) il facilite l'appariement codon/anticodon afin d'éviter le décalage de cadre de lecture durant la synthèse protéique. Ce nucléoside modifié est universel, présent chez les Archées, les Bactéries, les Eucaryotes, mais également chez les organites (mitochondries et chloroplastes), ce qui suggère que son apparition représente une acquisition évolutive importante et très ancienne, probablement antérieure au dernier ancêtre commun universel (LUCA). Pourtant, la voie de biosynthèse de t6A est restée inconnue pendant près de quarante ans.Récemment, des études de génétique ont montré que deux protéines universelles, Sua5/YrdC et Kae1/YgjD, sont nécessaires à sa synthèse chez Saccharomyces cerevisiae et Escherichia coli. Chez les Bactéries, la synthèse in vitro de t6A requiert la présence de deux autres protéines spécifiques à ce domaine du vivant : YeaZ et YjeE. Chez les Archées et les Eucaryotes, Kae1 (l'orthologue de YgjD) fait partie d'un complexe protéique conservé appelé KEOPS (pour Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), aux côtés de trois autres protéines : Bud32, Cgi121 et Pcc1, qui n'ont pas d'homologues chez les Bactéries. Depuis sa découverte en 2006 chez S.cerevisiae, ce complexe a été impliqué dans plusieurs processus cellulaires (homéostasie des télomères, maintien du génome, régulation de la transcription), sans que sa fonction ne soit clairement élucidée.Nous avons entrepris de caractériser et de comparer par une approche biochimique in vitro les machineries de biosynthèse de t6A issues des trois domaines du vivants, en utilisant comme organismes modèles l'Archée Pyrococcus abyssi, l'Eucaryote Saccharomyces cerevisiae et la Bactérie Escherichia coli. (i) Nous avons montré pour la première fois que le complexe KEOPS et la protéine Sua5 catalysent ensemble la synthèse de t6A chez les Archées et les Eucaryotes. Nos résultats nous ont permis d'élaborer un modèle de mécanisme catalytique, et nous avons montré par des expériences de complémentation in vitro que ce mécanisme est universel : les différents orthologues Sua5/YrdC sont interchangeables, et le complexe KEOPS est l'analogue fonctionnel du trio de protéines YgjD/YeaZ/YjeE Bactérien. (ii) Nous avons alors étudié le rôle de chacune des sous-unités du complexe KEOPS de Pyrococcus abyssi dans la synthèse de t6A. Ainsi, nous avons montré que Kae1 est le seul composant catalytique stricto sensus et que les trois autres partenaires ont des fonctions distinctes dans la régulation de l'activité catalytique. (iii) Enfin, nous avons étudié la synthèse de t6A chez la mitochondrie de S.cerevisiae, et avons montré que Sua5 et la protéine Qri7, l'orthologue mitochondrial de Kae1/YgjD, catalysent ensemble la synthèse de t6A et constituent ainsi un système minimaliste à deux composants.Ces résultats ouvrent la voie à une compréhension détaillée du mécanisme de biosynthèse de t6A dans les trois domaines du vivant, et permettent de proposer des scénarii évolutifs concernant l'histoire de la machinerie de synthèse de ce nucléoside modifié universel.