Aminoacyl-tRNA synthetases (ARS) are a family of enzymes that catalyze the charging of amino acids to their cognate tRNA in an aminoacylation reaction. Many members of this family have been found to have secondary functions independent of their primary aminoacylation function. Threonyl-tRNA synthetase (TARS), the ARS responsible for charging tRNA with threonine, is secreted from endothelial cells in response to both vascular endothelial growth factor (VEGF) and tumor necrosis factor-α (TNF-α), and stimulates angiogenesis and cell migration. Here we show a novel experimental approach for studying TARS secretion, and for observing the role of intracellular TARS in the endoplasmic reticulum (ER) stress response and in angiogenesis. Using Western blotting, immunofluorescence microscopy and RT-qPCR we were able to investigate changes in TARS protein and transcript levels. We initially hypothesized that TARS was secreted by exosomal release, and so we treated a human ovarian cancer cell line (CaOV-3) with monensin, an ionophore that increases exosome production, and VEGF to observe changes in intracellular and extracellular TARS protein. Monensin treatment consistently increased extracellular and intracellular TARS protein, however CD63, an exosome marker protein, levels were unaffected by monensin treatment. VEGF had no effect on intracellular TARS. We therefore hypothesized that the TARS response was a result of ER stress. The unfolded protein response (UPR) is a series of signaling pathways that are activated upon ER stress. When CaOV-3 cells were treated with increasing concentrations of monensin, intracellular levels of TARS and p-eIF2α, a downstream UPR target, increased accordingly. Monensin increased intracellular TARS protein and transcript levels in CaOV-3 cells. Monensin also increased DNAJB9, an ER chaperone protein, transcript levels, further confirming ER stress. Interestingly, monensin increased VEGF transcript levels about 6-fold. Borrelidin, a natural TARS inhibitor, also increased VEGF transcript levels, and caused an increase in p-eIF2α protein. Although the mechanism of TARS secretion remains unresolved, these data indicate that intracellular TARS expression increases in response to ER stress by monensin. Given TARS and VEGF transcript expression increased accordingly, it is possible that intracellular TARS may have pro-angiogenic function. Future directions may include investigating TARS interactions with translational control machinery.

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Les cyclodipeptides et leurs dérivés, les dicétopipérazines (DKP), constituent une large classe de métabolites secondaires aux activités biologiques remarquables qui sont essentiellement synthétisés par des microorganismes. Les voies de biosynthèse de certaines DKP contiennent des synthases de cyclodipeptides (CDPS), une famille d’enzymes récemment identifiée. Les CDPS ont la particularité de détourner les ARNt aminoacylés de leur rôle essentiel dans la synthèse protéique ribosomale pour les utiliser comme substrats et ainsi catalyser la formation des deux liaisons peptidiques de différents cyclodipeptides. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit a pour objectif de caractériser la nouvelle famille des CDPS. Dans un premier temps, la caractérisation tant structurale que mécanistique de la première CDPS identifiée, AlbC de Streptomyces noursei, est présentée. Puis, les résultats obtenus avec trois autres CDPS, chacune de ces enzymes ayant des caractéristiques adéquates pour approfondir l’étude de la famille des CDPS, sont décrits. Ainsi, la CDPS Ndas_1148 de Nocardiopsis dassonvillei a permis d’étendre nos connaissances sur les bases moléculaires de la spécificité des CDPS. La CDPS AlbC-IMI de S. sp. IMI 351155 est un bon modèle pour analyser l’interaction de chacun des deux substrats nécessaires à la formation d’un cyclodipeptide. Enfin, la caractérisation de la CDPS Nvec-CDPS2 chez l’animal Nematostella vectensis a permis de fournir le premier exemple d’enzyme d’origine animale impliquée dans la synthèse peptidique non ribosomale. / Cyclodipeptides and their derivatives, the diketopiperazines (DKPs), constitute a large class of secondary metabolites with noteworthy biological activities that are mainly synthesized by microorganisms. The biosynthetic pathways of some DKPs contain cyclodipeptide synthases (CDPSs), a newly defined family of enzymes. CDPSs hijack aminoacyl-tRNAs from their essential role in ribosomal protein synthesis to catalyze the formation of the two peptide bonds of various cyclodipeptides. The aim of the work presented in this thesis manuscript is to characterize the CDPS family. At first, the structural and mechanistic characterization of the first identified CDPS, AlbC of Streptomyces noursei, is presented. Then, the results obtained with three other CDPSs, each of which having suitable properties to increase our understanding of the CDPS family, are described. The CDPS Ndas_1148 of Nocardiopsis dassonvillei extends our knowledge of the molecular bases of the CDPS specificity. The CDPS AlbC-IMI of S. sp. IMI 351155 is a good model to analyze the interaction of each of the two substrates required for the formation of a cyclodipeptide. Finally, the characterization of the CDPS Nvec-CDPS2 from Nematostella vectensis provides the first example of enzymes of animal origin involved in nonribosomal peptide synthesis.

Les aminoacyl-ARNt synthétases catalysent la formation des aminoacyl-ARNt, utilisés lors de la synthèse protéique et peuvent également former des complexes multi-synthétasiques (MSC). Chez S. cerevisiae, le complexe AME associe les glutamyl- et méthionyl-ARNt synthétases à la protéine d’ancrage Arc1 et joue un rôle primordial dans la coordination de l’expression des génomes nucléaire et mitochondrial. Tous les composants de ce MSC sont multi-localisés et assurent des fonctions essentielles dans d’autres compartiments. Pour étudier ces localisations multiples, nous avons élaboré un outil, basé sur la Split-GFP, qui nous permet de visualiser spécifiquement la fraction organellaire d’une protéine multi-localisée. Pour cela, la GFP a été séparée en deux fragments : i) β1-10, restreint à un compartiment subcellulaire et ii) β11, fusionné aux protéines d’intérêts. Cet outil nous a permis d’étudier diverses relocalisations, ainsi que de délimiter des signaux d’import. / Aminoacyl-tRNA synthetases catalyze aminoacyl-tRNA formation, required for protein synthesis but can also associate into multi-synthetase complexes (MSC). In S. cerevisiae, the AME complex contains glutamyl- and methionyl-tRNA synthetases bound to the anchor protein Arc1 and is responsible for the coordination of nuclear and mitochondrial genome expression. The three MSC partners are multi-localized and present simultaneously in several compartments. The detection of the organellar pools of these multilocalized proteins in vivo is difficult, since they are mainly cytosolic. Therefore, we engineered a split-GFP based localization tool that allows us to specifically visualize organellar fractions of multi-localized proteins. To do so, GFP was split into two parts: β1-10, restricted to a subcellular compartment and β11, fused to the protein of interest. This tool allowed us to study relocalization of cytosolic proteins and characterize targeting signals.

Toxoplasma gondii, parasite digestif des Félidés, est l'agent de la toxoplasmose, maladie pouvant être grave voire mortelle en cas d'infection fœtale ou chez l'immunodéprimé. Les traitements actuellement disponibles permettent de prévenir ou traiter la plupart des cas, mais peuvent présenter un risque d'effets indésirables relativement sévères et ne permettent pas de détruire les kystes responsables de l'infection chronique et du risque de réactivation chez l'immunodéprimé. Les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS) sont des enzymes essentielles au mécanisme de traduction, où elles participent au chargement d'un acide aminé sur une molécule dédiée d'ARN de transfert, une étape initiale du processus de synthèse protéique. Un gène codant une protéine homologue de p43, un partenaire protéique de certaines aaRS chez les Eucaryotes supérieurs, a été identifié dans le génome de T. gondii. La localisation subcellulaire post-invasion de Tg-p43 montre qu'il ne s'agit pas d'une cytokine sécrétée, contrairement à son homologue humaine ; au contraire, son immunopurification a révélé son association à quatre aaRS, les Méthionyl-, Glutamyl-, Glutaminyl- et Tyrosyl-ARNt synthétases, qui constituent donc le premier complexe multi-aaRS (MARS) décrit chez les parasites Apicomplexes, de localisation exclusivement cytoplasmique. La présence inattendue de la Tyrosyl-ARNt synthétase soulève plusieurs questions sur le plan de l'organisation et de l'assemblage du complexe. Des images de microscopie électronique et des analyses biochimiques soulignent l'hétérogénéité et la structure relâchée du complexe et confirment les récentes données issues des complexes MARS purifiés chez d'autres organismes. L'inactivation du gène Tg-p43 n'induit pas de modifications phénotypiques majeures (capacité d'invasion, prolifération) ni de diminution de la virulence ou de la kystogénèse en modèle murin. Les résultats sur la caractérisation du MARS ont été complétés par une approche thérapeutique. Un criblage in vitro de candidats-médicaments présélectionnés in silico pour inhiber la Glutaminyl-ARNt synthétase toxoplasmique a permis de mettre en évidence un composé parasitostatique, inhibiteur de la croissance des tachyzoïtes, avec une toxicité sur les cellules hôtes in vitro relativement faible. Ce travail de thèse pose les bases moléculaires et structurales du complexe MARS chez T. gondii. Il permet également d'aborder dans une certaine mesure l'histoire évolutive de ce complexe. Sa fonction biologique reste cependant un mystère ; le rôle de Tg-p43 dans le contrôle post-transcriptionnel, voire d'autres fonctions biologiques, est probablement trop subtil pour être mesuré dans nos conditions expérimentales. Le versant thérapeutique de ce travail constitue une étude préliminaire pouvant servir de point de départ pour la recherche de médicaments anti-toxoplasmiques ciblant les aaRS, qui constituent assurément des cibles thérapeutiques intéressantes. / Toxoplasma gondii, a parasite of felids gut, is responsible for toxoplasmosis, a disease that can induce severe sequelae or death in the foetus or immune-depressed patients. Currently available treatments can prevent or cure most of the cases, but are at risk for side effects and cannot suppress cysts, which cause the chronic disease and are responsible for disease when the immune status is altered. Aminoacyl-tRNA synthetases (aaRS) are essential for translation, by charging tRNA with cognate aminoacids, a preliminary step of the protein synthesis process.A gene coding for a protein homologous to p43 (which interacts with a subset of aaRSs in higher eukaryotes) was identified in the genome of T. gondii. Following its epitope tagging, we show that Tg-p43 is not secreted nor exported beyond the vacuole as a cytokine, as it is for its human counterpart; however, biochemical analysis of the Tg-p43 interactome reveals four aaRSs as interacting partners, namely Methionyl-, Glutamyl-, Glutaminyl- and Tyrosyl-tRNA synthetases. This is the first description of the multi-aaRS (MARS) complex in the Apicomplexa phylum; it is strictly localized in the parasite cytoplasm. The unexpected presence of the Tyrosyl-tRNA synthetase in the complex raises several questions about how the complex is organised and assembled, and also evolved. Electronic microscopy along with size exclusion chromatography shows heterogeneity and loose structure of the complex, similarly to recent data characterizing higher eukaryotic complexes. Disruption of the complex by knocking-out of the gene Tg-p43 does not induce detectable phenotypic modification, nor alterations of the virulence and cystogenesis in a murine model.Alongside the study on the MARS complex, we used an in silico approach to screen for new compounds to inhibit T. gondii Glutaminyl-tRNA synthetase. We thus identified one parasitostatic compound that was able to significantly slow down parasite growth while having a relatively low in vitro toxicity against the human host cell. The function of the MARS in T. gondii still remains unknown; the role of Tg-p43 in the post-transcriptional control or any other biological function is probably too subtle to be measured under our experimental conditions. However, our data help to some extent to better measure the evolutionary history of the MARS family. The therapeutic side of this work, although preliminary, may serve as a base for anti-T. gondii drug discovery focusing on aaRS inhibitors, which are obviously good candidate targets.

La methionyl-ARNt synthétase (MetRS) de Saccharomyces cerevisiae aminoacyle les ARNt méthionine initiateur et élongateur (ARNtiMet et ARNteMet), mais possède également des fonctions atypiques. Nous avons montré que la MetRS rejoint le noyau durant la transition diauxique afin de réguler la transcription des gènes nucléaires des complexes III et V de la chaîne respiratoire mitochondriale. Pour ce faire, la MetRS possède au moins deux signaux de localisation nucléaire (NLS) dans sa séquence, l’un se situant dans les 55 premiers acides aminés (aa) et le second, au delà de la partie N-terminale lui permettant de recruter les sous-unités Rpb4 et Rpb7 de l’ARN pol II. Nous avons montré qu’en fermentation, la MetRS est clivée entre le 114ème et le 132ème aa et que cette forme clivée est essentielle à la viabilité des cellules, puisqu’un variant non clivé (MetRSK11A) ne permet pas la croissance. Nous avons surproduit et purifié un mutant de la MetRS clivée (MetRSΔ142) et montré que ce variant est plus efficace pour l’aminoacylation de l’ARNtiMet que la forme entière de MetRS. Ainsi, notre étude suggère que chez S. cerevisiae, la forme longue de MetRS cytoplasmique permet l’aminoacylation de l’ARNteMet, la forme longue de MetRS nucléaire régule la transcription, et la forme clivée de MetRS nucléaire et cytoplasmique permet l’aminoacylation de l’ARNtiMet / Methionyl-tRNA synthetase (MetRS) is the enzyme in charge of aminocylation of tRNA methionine initiator and elongator (tRNAiMet et tRNAeMet), but also displays atypical functions in Saccharomyces cerevisiae. In the present work, we showed that MetRS is imported to the nucleus during the diauxic shift in order to regulate transcription of genes coding for the complexes III and V subunits of the mitochondrial respiratory chain. To do so, MetRS harbors at least two nuclear localization signals (NLS), located within the 55 first aminoacids (NLS1) and beyond the N-terminal part (NLS2). The N- terminal part is responsible for the recruitment of RNA pol II subunits Rpb4 and Rpb7. We also showed that MetRS is cleaved through the 114th and the 132nd aminoacid during fermentation and that the proteolysed form is essential for the viability of the cell, since a mutant of MetRS which is not cleaved (MetRSK11A) did not allows the growth. We showed that an overproduced and purified a mutant representative of the cleaved form (MetRSΔ142) is more efficient for tRNAiMet aminoacylation than the full length MetRS. Thus, our study suggests that in S. cerevisiae, the cytoplasmic full length MetRS aminoacylates tRNAeMet, the nuclear full length MetRS regulates genes transcription, and the cytoplasmic and nuclear cleaved MetRS aminoacylates the tRNAiMet.

Les complexes multisynthétasiques (MSC) sont des complexes multi-protéiques identifiés dans un grand nombre d’organismes pro- et eucaryotes. Ils impliquent des protéines d’assemblages et des aminoacyl-ARNt synthétases (aaRSs), responsables de l’aminoacylation de leurs ARNts homologues au cours de la traduction. La taille et la composition des MSC varient selon les organismes, et le rôle de ces complexes n’est pas encore totalement compris. Il semblerait néanmoins que chez les eucaryotes, l’accrétion en complexe soit une stratégie mise en oeuvre par les cellules pour empêcher les aaRSs d’assurer des fonctions additionnelles. Chez S.cerevisiae,nous montrons que la dynamique du complexe AME, composé de la méthionyl- et de la glutamyl-ARNt synthétase (MRS et ERS) ainsi que de la protéine d’ancrage Arc1p, est dépendante du métabolisme de la levure. En respiration la MRS joue le rôle de facteur de transcription et régule l’expression des gènes nucléaires du complexe III et V de la chaîne respiratoire, tandis que l’ERS active la traduction mitochondriale. Cette étude montre que la relocalisation synchrone est primordiale pour l’adaptation des cellules au métabolisme respiratoire. / Multisynthetase complexes (MSC) are complexes made of several proteins and were identified in a wide variety of organisms from pro- to eukaryotes. They are usually made of assembly factors and aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs), which are responsible for the aminoacylation of their corresponding tRNAs during translation. Depending on the organisms, size and composition of these complexes differ greatly and their role is not fully understood yet. Although it seems that in eukaryotes, accretions of aaRSs into MSC prevent aaRSs to perform their additional functions. In the yeast Saccharomyces cerevisiae, we show that the dynamic of the AME complex, made of the méthionyl- and glutamyl-tRNA synthetases (MRS and ERS) and the assembly protein Arc1p is linkedto yeast metabolism. In respiration, MRS is imported in the nucleus to act as a transcription factor and regulates the expression of nuclear genes belonging to complex III and V of the respiratory chain, while ERS is imported in mitochondria to activate translation. This study shows that synchronous relocation of both aaRSs is crucial for yeast cells to adapt to respiratory metabolism.