Entre 10% et 30% des maladies humaines sont liées à l'apparition d'une mutation non-sens (PTC). La synthèse protéique est alors arrêté prématurément. Cet arrêt peut être inhibé par des molécules inductrices de translecture qui permettent l’incorporation d’un ARNt suppresseur naturel au niveau du PTC (translecture). Le ribosome peut alors franchir le PTC et restaurer l’expression de la protéine.Au cours de ma thèse, je me suis intéressé à la suppression des codons stop en caractérisant de nouvelles molécules inductrices de translecture et en analysant les mécanismes de la fidélité de la traduction.J’ai tout d’abord mis au point un système de criblage innovant avec lequel j’ai testé plus de 17 000 molécules et identifié la molécule TLN468. J’ai pu mettre en évidence que cette molécule est capable d’induire la réexpression d’une protéine p53 active.J'ai aussi caractérisé de nouveaux composés dérivés d’aminoglycosides. J’ai pu montré que le NB124 est capable d’induire l’apoptose de cellules tumorales via la réexpression de la protéine p53 tout ayant une toxicité bien plus faible que la gentamicine.En parallèle, j’ai développé une approche en molécule unique permettant d’étudier les erreurs programmées du ribosome (recodage). J’ai ainsi pu analyser la cinétique d’élongation des ribosomes eucaryotes et montré que l’initiation de la traduction sur un site d’entrée interne (IRES) ralentit le ribosome lors des premiers cycles d’élongation. / Nonsense mutations, also known as premature termination codons (PTCs) are responsible for 10% to 30% of all human genetic diseases. Nonsense translation suppression can be induced by readthrough inducers. The presence of such PTC leads to premature translation termination. These stop therapeutic strategies have emerged which attempt to use molecules that facilitate tRNA incorporation at the PTC (readthrough). The, translation continue in the same reading frame until the next stop codon. I first developed an innovative screening system I used to test more than 17,000 molecules and have identified one hit, TLN468 molecule. I have shown that this molecule is able to induce re-expression of an active p53 protein.I also characterized new compounds derived from aminoglycosides. I have shown that the NB124 induces apoptosis of tumor cells by re-expressing p53 protein while having a much lower toxicity than gentamicin.I developed a single molecule approach for studying the ribosome programmed errors (recoding). I was able to analyze the kinetics of elongation eukaryotic ribosomes and showed that the initiation of translation at an internal entry site (IRES) slows the ribosome during the first elongation cycle.

La particule de reconnaissance du signal (signal recognition particle-SRP) et son récepteur (FtsY chez Escherichia coli) médiatise le processus simultané de traduction-ciblage de la protéine en dirigeant le complexe ribosome-nascent chain (RNCs) vers la membrane de destination. La reconnaissance par la SRP d'une charge RNC à transporter dépend de la présence de la partie N-terminale. L'assemblage de Ftsy au complexe RNC-PRS entraine plusieurs changements de configuration de SRP et de FtsY durant le cycle de direction. D'abord un stade « précoce » sans GTP est adopté. Celui-ci est stabilisé par le RNC. Ensuite une configuration « fermée » avec GTP est formée. Cette dernière peut s'activer pour hydrolyser GTP, elle entre alors dans sa configuration « active ». La succession de ces trois étapes conduit à la libération du complexe SRP-récepteur d'avec le ribosome et de sa protéine en cours de traduction, et leur mise à disposition au pore de la membrane. Dans ce projet, notre intérêt se limite à la traduction par le ribosome de la séquence signale EspP (RNCEspP). In vivo, EspP est une protéine dont le ciblage vers le récepteur membranaire se réalise après la traduction. Cependant il arrive que RNCEspP se lie au complexe SRP-FtsY, faisant échouer le ciblage. Nous avons étudié les bases structurales du rejet de RNCEspP par SRP et FtsY. Pour cela nous avons effectué la comparaison de la structure RNCEspP-SRP-FtsY obtenue par observation au cryo-microscope électronique avec d'autres complexes ribosome-SRP-récepteurs traduisant la charge FtsQ, qui est elle normalement ciblé par SRP. Nous avons cherché à observer la différence de structure entre les complexes SRP-FtsY dans les deux cas. Deux différences majeurs entre les complexes de ciblages contenants les séquences RNCFtsQ et RNCEspP ont été observés. Premièrement, dans le cas de la structure de RNCEspP le domaine M -Ffh est attaché à l'hélice 59 du ribosome, alors que celui-ci est détaché dans le cas de la structure de RNCFtsQ. Nous pensons que le domaine M empêche la libération de la séquence de signal, étape nécessaire à la réalisation du ciblage. Deuxièmement, dans le cas de la structure du complexe avec RNCEspP l'arrangement Ffh-FtsY avec le domaine NG était flexible. Ceci indiquerait que le complexe “précoce” formé sur RNCEspP est moins stable que celui formé sur RNCFtsQ. Une étude biochimique utilisant le transfert d'énergie via résonance fluorescente a corroboré ce résultat, montrant que FTS Y est lié avec une affinité moindre dans le cas du complexe précoce formé sur RNCEspP et que la reconfiguration au stade de complexe fermé est moins efficace. Une analyse biochimique plus poussée des variantes de la séquence de EspP montre que la partie N-Terminale de la séquence est la principale cause de rejet du cycle de ciblage via SRP.Dans un second projet, nous avons étudié la configuration “fermée” de SRP et ftsY en complexe avec une charge RNC stabilisée par un analogue non-hydrolysable de GTP (GMP-PCP). Pour franchir la barrière cinétique qui permet de passer du complexe précoce au complexe fermé, nous avons utilisé une version tronquée de FtsY, à laquelle la séquence terminale avait été amputée de tout le domaine acide (A-) ainsi que de la première hélice alpha du domaine NG. De plus, pour la formation du complexe, nous avons utilisé une construction contenant les 50 premiers acides aminés du leader peptidase (RNCLep50). En l'absence de nucléotides, notre reconstruction au cryo-EM a montré une configuration similaire à celle du stade précoce, dans laquelle Ftsy et Ffh- domaine NG, sont proche du tetraloop de la 4.5 S ARN. Une incubation avec GMP-PCP induit un détachement du domaine NG d'avec la queue du tetraloop. Il semblerait que les domaines NG soient flexibles dans l'état clos, et non attaché à la terminaison ouverte de l'ARN. / The signal recognition particle (SRP) and its receptor (FtsY in Escherichia coli) mediate co-translational protein targeting by delivering ribosome nascent chain complexes (RNCs) to the target membrane. Recognition of an RNC cargo by SRP is dependent on an N-terminal signal sequence. Binding of FtsY to the RNC-SRP complex leads to several conformational changes of SRP and FtsY during the targeting cycle: first, an “early” GTP-independent state is adopted which is stabilized by the RNC, subsequently a “closed” GTP- dependent conformation is formed which can activate itself to hydrolyze GTP (the “activated” state). Faithful completion of all three steps leads to release of the cargo from SRP-FtsY and hand over of the RNC to the translocation pore.It has been shown for E. coli that cargos can be rejected from the SRP pathway during all targeting steps. In the first project, our interest concentrates on ribosomes translating the EspP signal sequence (RNCEspP). In vivo, EspP is a post-translationally targeted protein, but RNCEspP has been shown to be bound by SRP and FtsY leading to a non-productive “early”-like RNCEspP-SRP-FtsY complex. Using single particle cryo-electron microscopy (EM), we analysed the structural basis for the rejection of RNCEspP by SRP and FtsY. Comparison of our RNCEspP-SRP-FtsY cryo-EM structure to other available cryo-EM structures of co-translational targeting complexes containing the correct cargo RNCFtsQ unravelled differences in the SRP-FtsY structure between a correct cargo and an incorrect cargo. Two major differences between the targeting complexes containing the cargos RNCFtsQ and RNCEspP were observed: first, the Ffh M-domain was attached to ribosomal RNA helix 59 of RNCEspP, while it was detached from this site in the case of RNCFtsQ. It could be that such an ordered M-domain is hampering the release of the signal sequence which is required for successful completion of targeting. Second, the Ffh-FtsY NG-domain arrangement was flexible in the complex with RNCEspP in comparison to RNCFtsQ indicating that the "early"-like complex formed on RNCEspP is less stable. Biochemical data using fluorescence resonance energy transfer corroborated these results, showing that FtsY is bound with lower affinity in the RNCEspP “early” complex and that the rearrangement to the “closed” conformation is less efficient. Further biochemical analysis of EspP signal sequence variants showed that mainly the N-terminal extension of the EspP signal sequence is responsible for its rejection from the SRP pathway.

<p>Advances in genetics, proteomics and chromatography techniques have enabled the successfully generation of a cell-free bacterial translation system composed of highly pure and active components. This system provided an ideal platform for better elucidating the mechanism of each individual step of the prokaryotic protein biosynthesis and the function of the translation factors involved in the process. </p><p>In doing so, we have discovered that the N-terminal domain or complete deletions of the ribosomal protein L11 reduced the termination efficiency of RF1 on cognate stop codons by four to six folds. The L11 deletions also conferred a two folds decrease in the missense error suggesting the increased nonsense termination accuracy of RF2 by two folds, which would clarified previous in vivo observations. </p><p>The versatility of the cell-free system has provided the additional possibility to study the effects of class II release factor RF3 mutations in mediating fast dissociation of class I release factors RF1 and RF2 from the post-termination ribosome complexes. The results show a series of mutations within RF3 conferring considerable reduction of the class I release factors recycling rate. These observations together with sequence alignment studies suggest the possible location on RF3 of the class I release factors interaction site. </p><p>In addition, the utilization of the cell-free system has made it possible to develop a new biotechnological approach for continuous production of polypeptides, based on gel filtration chromatography. The pilot trials have so far resulted in a six fold production increase of the MFTI test peptide compared to the conventional batch method.</p>

Advances in genetics, proteomics and chromatography techniques have enabled the successfully generation of a cell-free bacterial translation system composed of highly pure and active components. This system provided an ideal platform for better elucidating the mechanism of each individual step of the prokaryotic protein biosynthesis and the function of the translation factors involved in the process. In doing so, we have discovered that the N-terminal domain or complete deletions of the ribosomal protein L11 reduced the termination efficiency of RF1 on cognate stop codons by four to six folds. The L11 deletions also conferred a two folds decrease in the missense error suggesting the increased nonsense termination accuracy of RF2 by two folds, which would clarified previous in vivo observations. The versatility of the cell-free system has provided the additional possibility to study the effects of class II release factor RF3 mutations in mediating fast dissociation of class I release factors RF1 and RF2 from the post-termination ribosome complexes. The results show a series of mutations within RF3 conferring considerable reduction of the class I release factors recycling rate. These observations together with sequence alignment studies suggest the possible location on RF3 of the class I release factors interaction site. In addition, the utilization of the cell-free system has made it possible to develop a new biotechnological approach for continuous production of polypeptides, based on gel filtration chromatography. The pilot trials have so far resulted in a six fold production increase of the MFTI test peptide compared to the conventional batch method.

Over the last few decades, computer simulation techniques have been established as an essential tool for understanding biochemical processes. This thesis deals mainly with the application of free energy calculations to ribosomal complexes and a cardiac ion channel. The linear interaction energy (LIE) method is used to explore the energetic properties of the essential process of codon–anticodon recognition on the ribosome. The calculations show the structural and energetic consequences and effects of first, second, and third position mismatches in the ribosomal decoding center. Recognition of stop codons by ribosomal termination complexes is fundamentally different from sense codon recognition. Free energy perturbation simulations are used to study the detailed energetics of stop codon recognition by the bacterial ribosomal release factors RF1 and RF2. The calculations explain the vastly different responses to third codon position A to G substitutions by RF1 and RF2. Also, previously unknown highly specific water interactions are identified. The GGQ loop of ribosomal RFs is essential for its hydrolytic activity and contains a universally methylated glutamine residue. The structural effect of this methylation is investigated. The results strongly suggest that the methylation has no effect on the intrinsic conformation of the GGQ loop, and, thus, that its sole purpose is to enhance interactions in the ribosomal termination complex. A first microscopic, atomic level, analysis of blocker binding to the pharmaceutically interesting potassium ion channel Kv1.5 is presented. A previously unknown uniform binding mode is identified, and experimental binding data is accurately reproduced. Furthermore, problems associated with pharmacophore models based on minimized gas phase ligand conformations are highlighted. Generalized Born and Poisson–Boltzmann continuum models are incorporated into the LIE method to enable implicit treatment of solvent, in an effort to improve speed and convergence. The methods are evaluated and validated using a set of plasmepsin II inhibitors.

The ribosome is a macromolecular machine that produces proteins in all kingdoms of life. The proteins, in turn, control the biochemical processes within the cell. It is thus of extreme importance that the machine that makes the proteins works with high precision. By using three dimensional structures of the ribosome and homology modelling, we have applied molecular dynamics simulations and free-energy calculations to study the codon specificity of protein synthesis in initiation and termination on an atomistic level. In addition, we have examined the binding of small molecules to riboswitches, which can change the expression of an mRNA. The relative affinities on the ribosome between the eukaryotic initiator tRNA to the AUG start codon and six near-cognate codons were determined. The free-energy calculations show that the initiator tRNA has a strong preference for the start codon, but requires assistance from initiation factors 1 and 1A to uphold discrimination against near-cognate codons. When instead a stop codon (UAA, UGA or UAG) is positioned in the ribosomal A-site, a release factor binds and terminates protein synthesis by hydrolyzing the nascent peptide chain. However, vertebrate mitochondria have been thought to have four stop codons, namely AGA and AGG in addition to the standard UAA and UAG codons. Furthermore, two release factors have been identified, mtRF1 and mtRF1a. Free-energy calculations were used to determine if any of these two factors could bind to the two non-standard stop codons, and thereby terminate protein synthesis. Our calculations showed that the mtRF’s have similar stop codon specificity as bacterial RF1 and that it is highly unlikely that the mtRF’s are responsible for terminating at the AGA and AGG stop codons. The eukaryotic release factor 1, eRF1, on the other hand, can read all three stop codons singlehandedly. We show that eRF1 exerts a high discrimination against near-cognate codons, while having little preference for the different cognate stop codons. We also found an energetic mechanism for avoiding misreading of the UGG codon and could identify a conserved cluster of hydrophobic amino acids which prevents excessive solvent molecules to enter the codon binding site. The linear interaction energy method was used to examine binding of small molecules to the purine riboswitch and the FEP method was employed to explicitly calculate the LIE b-parameters. We show that the purine riboswitches have a remarkably high degree of electrostatic preorganization for their cognate ligands which is fundamental for discriminating against different purine analogs.

La sénescence est considérée comme un mécanisme de suppression tumorale puisque les cellules potentiellement dangereuses, activent leurs protéines de sauvegarde pour arrêter leur prolifération. Les protéines de sauvegarde telles que RB et p53 sont activées suite à différents stress comme des dommages à l’ADN, le raccourcissement des télomères ou l’induction oncogénique. Les cellules sénescentes restent métaboliquement actives, subissent des modifications dans leur expression génique, et sécrètent des cytokines et des chimiokines qui ont des effets paracrines pro-oncogéniques, mais peuvent également contribuer à la stabilité de l’arrêt du cycle cellulaire dans la sénescence de façon autocrine. Une des particularités du phénotype sénescent est la dégradation sélective des protéines dépendante de l’ubiquitination et du protéasome. Parmi les cibles de dégradation se trouvent des protéines impliquées dans la biogenèse du ribosome, ainsi que celles d’autres voies cellulaires requises pour la croissance de cellules cancéreuses. Ceci est lié à un stress nucléolaire qui affecte la biogenèse du ribosome, menant à l’accumulation, dans le nucléoplasme ou le nucléole, de protéines ribosomiques. Ce comportement suggère que les ribosomes des cellules sénescentes seraient structurellement différents. Par conséquent, ceci pourrait entrainer des effets sur leurs capacités à réguler l’initiation, l’élongation et/ou la terminaison de la traduction des ARN messagers (ARNm). Par ailleurs, la déplétion de certaines protéines impliquées dans la ribogenèse, ainsi que la surexpression de protéines ribosomiques telles que RPS14/uS11 amènent à la sénescence. Malgré le stress nucléolaire et les défauts de ribogenèse associés à la sénescence, les cellules sénescentes présentent des niveaux de translecture du codon d’arrêt très diminué, suggérant l’existence de défauts de production de protéines allongées en C-terminal. Nous émettons l’hypothèse que les défauts de la ribogenèse affecteraient la fonction des protéines ribosomiques et des ribosomes. Cette perturbation aurait un impact sur le rôle de suppresseur tumoral de la sénescence. Le premier objectif de cette thèse consiste à démontrer le rôle de RPL22/eL22 en tant que régulateur du cycle cellulaire et inducteur de la sénescence. Le deuxième but est de démontrer que, malgré la perturbation nucléolaire, les ribosomes des fibroblastes sénescents reconnaissent les codons d’arrêt de façon plus efficace que les ribosomes des cellules transformées, ou des cellules normales en prolifération. Nous avons démontré que le phénotype de sénescence peut être induit quand l’expression de RPL22/eL22 est augmentée. RPL22/eL22 s’accumule principalement dans le nucléole, de manière différente de RPS14/uS11, dont l’accumulation est nucléoplasmique. En effectuant des essais kinases in vitro, nous avons montré que RPL22/eL22, tout comme RPS14/uS11, peuvent interagir et inhiber le complexe CDK4-Cycline D1 afin d’activer la voie de RB et établir l’arrêt du cycle cellulaire et la sénescence. Afin de démontrer la fidélité de la terminaison de la traduction dans les cellules sénescentes, nous avons utilisé un système de rapporteurs de luciférases, pour détecter les erreurs de translecture ainsi que pour avoir un contrôle interne du système. L’inactivation de la voie du suppresseur tumoral RB par surexpression de CDK4 ou de l’oncoprotéine virale E7, nous a permis d’observer l’augmentation de la translecture dans les cellules sénescentes. Tandis que l’activation de la voie de suppression tumorale RB, à l’aide du suppresseur de tumeur PML, de la surexpression de RPL22/eL22 et de RPS14/uS11, ainsi que de l’utilisation de Palbociclib (PD-0332991), un inhibiteur des kinases CDK4/6, a montré une réduction des erreurs de translecture. Ces résultats indiquent une nouvelle fonction des protéines du ribosome en tant que suppresseurs de tumeur, permettant d’inhiber les erreurs de translecture du codon d’arrêt de façon dépendante de la voie de RB. Ces travaux suggèrent que de petites molécules ou peptides pourraient simuler les fonctions inhibitrices de ces protéines ribosomiques afin de traiter certains cancers où la voie de RB est activable. / Senescence is considered a mechanism for tumor suppression since potentially dangerous cells activate their protective proteins to stop their proliferation. Safeguard proteins such as RB and p53 are activated as a result of stress such as DNA damage, telomere shortening or oncogenic induction. Senescent cells are metabolically active, they undergo changes in their gene expression and secrete cytokines and chemokines with pro-oncogenic paracrine effects, but which can also contribute to the stability of the senescent cell cycle arrest in an autocrine way. One of the peculiarities of the senescent phenotype is the selective ubiquitination and proteasome dependent-degradation of proteins involved in ribosome biogenesis and other cellular pathways required for cancer cell growth, leading to the accumulation, in the nucleoplasm or nucleolus, of ribosomal proteins. This behavior suggests that the ribosomes of senescent cells are structurally different. Therefore, this could have effects on their ability to regulate the initiation, elongation and/or translation termination of messenger RNAs (mRNAs). Moreover, the depletion of some proteins involved in ribogenesis, as well as the overexpression of ribosomal proteins such as RPS14/uS11 lead to senescence. Despite nucleolar stress and ribogenesis defects associated to senescence, global translation does not seem to be affected in senescence. Strikingly, senescent cells have reduced translational readthrough suggesting that they have defects in the production of C-terminal extended proteins. We hypothesize that defects in ribogenesis would affect the function of ribosomal proteins and ribosomes influencing the tumor suppressor role of senescence. The first aim of this thesis is to demonstrate the role of RPL22/eL22 as a regulator of the cell cycle and senescence inducer. The second aim of this thesis is to demonstrate that, despite the nucleolar disruption, the ribosomes of senescent fibroblasts recognize stop codons more efficiently than ribosomes from transformed cells, but also than ribosomes from proliferating normal cells. We found that the senescent phenotype can be induced by enhancing the expression of RPL22/eL22. RPL22/eL22 accumulates mainly in the nucleolus, unlike RPS14/uS11, whose accumulation is nucleoplasmic. By performing an in vitro kinase assay, we showed that RPL22/eL22, just like RPS14/uS11, can interact and inhibit the CDK4-Cyclin D1 complex in order to activate the RB pathway and establish cellular arrest and senescence. To assess translation termination accuracy in senescent cells, we used a system of luciferase reporters to measure the fidelity of translation termination. Inactivation of the RB tumor suppressor pathway using CDK4 or the viral oncoprotein E7 also increased readthrough in senescent cells while overexpression of PML, a tumor suppressor that activates the RB pathway, overexpression of RPL22/eL22 and RPS14/uS11, as well as the use of Palbociclib (PD-0332991), a CDK4/6 inhibitor, reduce readthrough errors. These results indicate a novel function of ribosomal proteins as tumor suppressors, making it possible to inhibit translational readthrough errors, in a RB-dependent pathway. This work suggests that small molecules or peptides could mimic the inhibitory functions of these ribosomal proteins in order to treat cancers where the RB pathway is activatable.