Mon étude a porté sur la spécificité de l'interaction entre deux protéines du parasite du paludisme (Plasmodium), tRip (tRNA import protein) et la tyrosyl-ARNt synthétase apicoplastique (api-TyrRS), avec l'ARN de transfert (ARNt). Plasmodium est un parasite intracellulaire qui conserve une organelle vestigiale, l’apicoplaste, qui possède son propre système de traduction. J’ai adapté la séquence de l’ARN messager pour produire l’api-TyrRS in vitro, et j’ai étudié la spécificité de la reconnaissance de l’ARNtTyr apicoplastique, qui évite les interactions erronées plutôt que de favoriser les correctes. La protéine tRip est située à la surface du parasite et est responsable de l’import des ARNt de l’hôte. Mes résultats suggèrent que cet import à lieu pendant la phase sanguine duparasite. Elle ne reconnait pas tous les ARNt de la même façon. Les modifications posttranscriptionnelles modulent l’affinité de tRip, et potentiellement, le taux d’import de cet ARNt. Finalement, j’ai identifié par SELEX une séquence nucléotidique qui se lie spécifiquement à tRip, un début pour la conception d'une molécule qui ciblerait spécifiquement le parasite du paludisme. / My study focused on the specificity of the interaction between two proteins of the malaria parasite (Plasmodium), tRip (tRNA import protein) and the apicoplastic tyrosyl-tRNA synthetase (api-TyrRS), with the transfer RNA (tRNA). Plasmodium is an intracellular parasite with a vestigial organelle, the apicoplast, which has its own translation system. The messenger RNA sequence was adapted to produce api-TyrRS in vitro, and I studied the specificity of apicoplastic tRNATyr recognition, which avoids erroneous interactions rather than favoring the correct ones. The tRip protein is located on the surface of the parasite, and is responsible for importing tRNAs from the host. My results suggest that this import takes place during the blood phase of the parasite. In addition, not all tRNAs are recognized uniformly. The post-transcriptional modifications of the tRNAs define the affinity of tRip, and potentialy, the import rate of this tRNA. Finally, I identified a short nucleotide sequence that binds specifically to tRip. It is a good starting point for designing a molecule that specifically targets the malaria parasite.

Les ribozymes sont des ARN naturels ou artificiels possédant une activité catalytique. Les ribozymes artificiels ont été identifiés in vitro par la méthode SELEX, et plusieurs d'entre eux ont été caractérisés par des études cinétiques. Ces molécules sont impliquées dans des réactions de clivage, de ligation, de modification d'extrémités d'ARN, de polymérisation, de phosphorylation et d'activation de groupements acyl. Parce qu'elle est nécessaire à la traduction, l'aminoacylation des ARN joue un rôle évolutif important dans la transition du monde de l'ARN vers le monde moderne de l'ADN et des protéines, et elle est centrale à l'établissement du code génétique. Plusieurs ribozymes catalysant le transfert d'acides aminés à partir de cofacteurs activants ont pu être isolés et caractérisés depuis une vingtaine d'années, ce qui a documenté la possibilité d'aminoacylation d'ARNt en l'absence des aminoacyl ARNt synthétases. En développant un nouveau protocole SELEX basé sur l'oxydation au périodate, le but de notre travail est de découvrir de nouveau ribozymes d'une taille de l'ordre d'une vingtaine de nucléotides pouvant combiner la catalyse de l'activation des acides aminé et la transestérification. Bien que des molécules catalysant l'une ou l'autre des deux réactions ont été identifiées, aucun ribozyme n'existe à ce jour qui puisse utiliser des acides aminés libres et un cofacteur activant pour réaliser l'aminoacylation en 3' dans un même milieu réactionnel. La sélection de molécules actives dans une approche SELEX exige la présence de régions constantes sur les deux extrémités des séquences pools aléatoires initiaux. Ces régions sont nécessaires pour l'amplification par PCR, mais elles imposent des contraintes importantes pour l'identification de ribozymes car elles peuvent complètement inhiber leur activité par interférence structurelle. Nous présentons un protocole optimisé qui minimise la taille de ces régions constantes. D'autre part, notre nouveau design est très spécifique pour la sélection d'ARN aminoacylés sur l'extrémité 3'. Ce protocole a été utilisé pour réaliser 6 à 7 cycles de sélection avec différents pools, et un enrichissement en séquences spécifiques a pu être mis en évidence. Bien que certains tests avec les pools sélectionnés a révélé une activité possible, des essais avec des séquences spécifiques de ces pools n'ont pour l'instant pas pu confirmer l'activité catalytique recherchée. Un protocole basé sur le même principe de sélection a été utilisé dans une étude parallèle pour identifier les ARN aminoacylés présents dans l'ARN total d'Escherichia coli. Dans ce deuxième travail, note but est d'identifier tous les d'ARN aminoacylés par séquençage massif, avec à la clé la découverte possible de molécules autres que les ARNt et ARNtm. En utilisant les ARNt comme modèle, nous nous sommes aperçus qu'un protocole RNAseq standard n'était pas adapté à cause des bases modifiées présentes sur ces molécules. Nous avons développé et mis au point un nouveau protocole pour l'identification de n'importe quelle séquence aminoacylée en 3'. La nouvelle approche présentée devrait permette l'étude exhaustive de l'aminoacylation de toutes les séquences présentes dans l'ARN total. / Ribozymes are natural or in vitro selected RNA molecules possessing a catalytic activity. Artificial ribozymes have been extensively investigated by in vitro SELEX experiments, and characterized by kinetic assays. Ribozymes are involved in RNA cleavage, ligation, capping, polymerization, phosphorylation and acyl activation. Because it is required for translation, RNA aminoacylation plays an important role in the evolution from the late RNA world to the modern DNA and protein world, and is central to the genetic code. Several ribozymes catalyzing amino acid transfer from various activating groups have already been selected and characterized in the past two decades, documenting the possibility of tRNA aminoacylation in the absence of aminoacyl tRNA synthetase. With a newly designed SELEX protocol based on periodate oxydation, the aim of our investigation is to uncover small ribozymes of the order of 20 nucleotides that could catalyze both amino acid activation and transesterification. Although molecules catalyzing either reaction have been identified, no existing ribozyme could use free amino acids and activating cofactor(s) as substrates for 3' esterification in a single reactional context. The selection of active molecules in a SELEX procedure requires the presence of constant tracks on both ends of the sequences constituting the initial random pools. These tracks are required for PCR amplification, but they impose significant burden to the identification of ribozymes because they can prevent any activity through structural inhibition. We present an optimized protocol that significantly minimizes the size of these constant tracks. At the same time, our newly design protocol is very specific for the selection of 3'-end aminoacylated RNA. Working with this protocol, we performed 6 to 7 cycles of selection with different pools, and observed an enrichement with specific sequences. Although some experiments performed with entire pools did reveal a possible activity, no activity could be so far confirmed with specific sequences. A similar protocol was also applied in a parallel study to identify aminoacylated RNA from total RNA in Escherichia coli. In this other approach, our goal is to possibly identify new classes of aminoacylated RNA while using the deep sequencing technology. Using tRNA to validate our protocol, we realized that a standard RNAseq procedure could not work due to the presence of modified bases. We established a new method for bank preparation to identify any sequence aminoacylated at the 3' end. Ultimately, this new approach will allow us to study the level of aminoacylation of any sequence present in total RNA.

Thèse de doctorat : Sciences du vivant : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 225-249.

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Les aminoacyl-ARNt synthétases mitochondriales humaines (aaRS mt) sont des enzymes clés de la traduction mitochondriale. Elles catalysent l'aminoacylation des ARNt par les acides aminés correspondent. Des mutations dans leurs gènes sont corrélées à des pathologies avec un large spectre de phénotypes cliniques, mais aux mécanismes moléculaires sous-jacents encore incompris. L'objectif de ce travail de thèse s'intègre dans les axes scientifiques du laboratoire, mais élargit l'intérêt et les connaissance à un système encore peu exploré: l'arginyl-ARNt synthétase mitochondriale (ArgRS mt). Des mutations dans la ArgRS sont liées à une hypoplasie Pontocérébelleuse (PCH6), une pathologie neurodéveloppementale sévère. Le travail de cette thèse s’articule autour de 3 axes : (I) L’analyse des phénotypes cliniques des pathologies liées aux mutations dans les aaRS mt, (II) La caractérisation des propriétéscellulaires de l’ArgRS mt, et (III) L'étude de l’impact de mutations « pathologiques » sur diverses propriétés de l’ArgRS mt. Combinés avec les travaux précédents, les résultats obtenus sont une contribution importante à l'élargissement des connaissances fondamentales des mt aaRSs, et apportent un nouvel éclairage sur le lien entre les mt-aaRSs-mutations et la maladie. / Human mitochondrial aminoacyl-tRNA synthetases (mt-aaRSs) are housekeeping enzymes involved in the mitochondrial translation. They catalyze the aminoacylation of tRNAs with their cognate amino acids. Mutations in their nuclear genes are correlated with pathologies with a broad spectrum of clinical phenotypes, but with so far no clear explanations about the underlying molecular mechanism(s). The aim of this PhD work follows the long-standing efforts of the host laboratory but expand the interest and knowledge to an unexplored system: the human mitochondrial arginyl-tRNA synthetase (mt-ArgRS). Mutations in the mt-ArgRS lead to Pontocebellar hypoplasia type 6, a severe neuro-developmental pathology. I thus contributed to i) comprehensively analyze the clinical data reported in pathologies related to mutations on mt-aaRSs, resulting in a categorization according to the affected anatomical system; ii) decipher some cellular properties of the mt-ArgRS; and iii) investigate to impact of disease-associated mutations on mt-aaRSs properties. Combined with previous works, the present results expand the knowledge of the mt-aaRSs, shedding new light on the link between mt-aaRSs-mutations and disease.

Mes divers thèmes de recherche concernent la traduction qui, au sens large du terme, peut être considérée comme la production de biomolécules à rôle structural et/ou fonctionnel à partir de l'information contenue dans les gènes. Pour ma part je me suis intéressé tout d'abord à l'aminoacylation des ARNs de transfert (ARNt) ainsi qu'à la formation de certaines bases modifiées qui les composent. En effet, l'ARNt est un acteur clé de la synthèse protéique car c'est de l'exactitude de son aminoacylation que dépend grandement la fidélité de la synthèse protéique. <br />Chez la levure, il existe un complexe multi-synthétasique simplifié formé de la MetRS, la GluRS et Arc1p, une protéine dont le gène est en interaction non seulement avec la machinerie de transport nucléocytoplasmique mais également celle de la biosynthèse des ARNts. Ces découvertes m'ont amené à étudier le rôle de Mtr10p dans les échanges nucléocytoplasmiques et un possible lien avec le transport des ARNts. Les acquis lors de ces travaux auront été utiles dans l'étude du rôle d'Efl1p, une GTPase de type EF-2 impliquée dans une étape tardive (cytoplasmique) de la biogenèse de la grande sous-unité ribosomale 60S.<br />Grâce aux travaux antérieurs, j'ai pu me familiariser avec de nombreuses techniques biochimiques et génétiques qui s'avèreront précieuses pour mon projet d'étude de la localisation et de l'interactome des aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS). En effet, il n'est pas concevable que le couple ARNt/aaRS évolue de façon autonome dans la cellule mais il doit interagir / communiquer d'une part avec les acteurs directs de la synthèse protéique et, d'autre part, avec des facteurs intervenant dans d'autres processus cellulaires. Trouver, comprendre et étudier les spécificités de divers organismes fournira peut-être de nouvelles pistes à but thérapeutique restées insoupçonnées jusqu'alors.<br />Un autre aspect de mon projet, toujours relié aux aaRS, traitera d'un système atypique de la machinerie traductionnelle qui est celui des voies de formation des aminoacyl-ARNts dans les systèmes asparagine et glutamine. En effet, un certain nombre d'organismes, pathogènes de l'homme, ne possèdent pas d'aaRS (AsnRS, GlnS) pour l'un et/ou l'autre de ces acides aminés et pallient à cette absence par l'utilisation d'une voie indirecte pour la formation de ces aminoacyl-ARNts. L'étude de ces voies est non seulement intéressante sur les plans évolutifs et relation structure-fonction ARN-protéine mais également d'un point de vue appliqué, certes à plus long terme, dans le but d'enrayer ces voies de biosynthèse amenant ainsi des cibles alternatives pour des molécules de type antibiotique. Cet aspect est d'autant plus important qu'à l'heure actuelle apparaissent des phénomènes de résistance aux antibiotiques posant de vrais problèmes de santé publique.

Human histidyl-tRNA synthetase (HARS) is an aminoacyl-tRNA synthetase (AARS) that catalyzes the attachment of the amino acid histidine to histidyl-tRNA (tRNAHis) in a two-step reaction that is essential for protein translation. Currently, two human diseases, Usher Syndrome IIIB (USH3B) and an inherited peripheral neuropathy, Charcot Marie Tooth Syndrome (CMT), have been linked genetically to single point mutations in the HARS gene. The recessive HARS USH3B mutation encodes an Y454S substitution localized at the interface between the anticodon-binding domain and the catalytic domain of the opposing subunit. Patients with Usher Syndrome IIIB lose their sight and hearing during their second decade of life, and clinicians have observed that the onset of deafness and blindness may be episodic and correlate with febrile illness. Furthermore, some young USH3B patients present with a fatal form of acute respiratory distress. In addition to the single HARS mutation linked to Usher Syndrome, eight other mutations in the HARS gene are associated with CMT, an inherited peripheral neuropathy. Peripheral neuropathies are associated with progressive and length-dependent damage of the motor and sensory neurons that transmit information to the spinal cord. The age of onset and phenotypic severity of CMT linked to HARS is highly variable. When expressed in a yeast model system, the HARS variants are dominantly lethal, and confer defects in axonal guidance and locomotor deficiencies when expressed in C.elegans. Here, the biochemical characterization of the HARS USH3B and three peripheral neuropathy variants are described. The approaches included enzyme kinetic analysis with purified HARS enzymes to monitor catalytic deficiencies, differential scanning fluorimetry (DSF) to evaluate structural instability, and cellular models to detect physiological effects of axonal outgrowth by CMT variants. The results suggest that Usher Syndrome IIIB is unlikely to be a consequence of a simple loss of aminoacylation function, while HARS-linked peripheral neuropathy variants all share common catalytic defects in aminoacylation. The HARS system represents a notable example in which two different complex human diseases arise from distinct mutations in the same parent gene. By understanding the biochemical basis of these inherited mutations and their link to Usher Syndrome and CMT, it may be possible to develop mechanism-based therapies to improve the quality of life of patients afflicted with them.

The Sutherland group recently demonstrated that from a mixture of oligoribonucleotide-2'- or 3'-phosphates the latter is chemoselectively acetylated. This is shown to mediate a template-directed ligation to give predominantly 3',5'-linked RNA that is acetylated at the ligation junction (acetyl-RNA). It was suggested that RNA emerged prebiotically via acetyl-RNA and also is proposed to have favourable genotypic properties due to greater propensity to form duplex structure. To study the properties of acetyl-RNA, their synthesis by solid-phase chemistry was required and described is the design of a 2'/3'-O-acetyl orthogonal protecting group strategy. Key to the orthogonal protecting group strategy is the use of (2-cyanoethoxy)carbonyl for the protection of the nucleobase exocyclic amines and a photolabile solid-phase linker group that allowed partial on-column deprotection. The synthesis of the 2'/3'-O-acetyl and 2'/3'-O-TBDMS phosphoramidites, in addition to preparation of a photolabile solid-phase support, are described. With the materials to hand the procedures for an automated synthesis of acetyl-RNA were optimised and several acetyl-RNA oligonucleotides were synthesised. The duplex stability of acetyl-RNA with up to four sites of 2'-O-acetylation were assessed by UV melting curve analysis. Remarkably, the acetyl groups caused a consistent decrease in Tm of between 3.0-3.2 °C. Thermodynamic parameters indicated a decrease in duplex stability that was consistent with a decrease in hydration of the minor groove resulting in a reduction of the stabilising hydrogen bonding network. The stability of a tetraloop was also found to decrease on acetylation. The acetylated- tetraloop it is able to form duplex at lower concentrations than the natural tetraloop. Additionally, it is more stable at high concentrations, indicating that acetyl-RNA favours duplex over other secondary structure. These properties are considered to give acetyl-RNA competitive advantage for their non-enzymatic replication. Aminoacylation of RNA is an important process in modern biology but the intermediacy of aminoacyl-adenylates is considered to be prebiotically implausible. A potentially prebiotic aminoacylation of nucleoside-3'-phosphates, selective for the 2'-hydroxyl, is presented. However, it was thought the aminoacylation yields could be improved and so a search for an alternative activator was conducted. Oligoribonucleotide-3'-phosphates were exposed to the aminoacylation conditions and selective aminoacylation at only the 2'-hydroxyl of the 3'-end was observed. In particular, the aminoacylation of a trimer lends support to Sutherland’s theory of a linked origin of RNA and coded peptide synthesis.

In prokaryotes, protein synthesis and folding are often coupled, and the protein begins to fold from the N-terminus as it is being synthesized. It has been hypothesised that there could be kinetic coupling of the speed of translation and the folding, which means that an altered rate of synthesis can cause a possible misfolding of the protein. Testing this hypothesis will be impactful for protein misfolding diseases such as Alzheimer’s, Parkinson’s, Huntington’s etc., and also help in the study of the effect of synonymous, non-synonymous and rare codon changes on a protein. However, research works in this regard are far and few and none of them have been carried out in a homologous in vitro system. This project is an attempt to study the co-translational folding of Escherichia coli protein dihydro folate reductase (DHFR) using an E. coli reconstituted transcription/ translation system (RTTF) in vitro. The preparatory phase involves: preparation of UAG mutants of the DHFR DNA (for site-specific incorporation of fluorescent dyes), preparation of amber tRNAs which recognise the UAG codons, aminoacylation of the tRNAs and labelling the amino acids with fluorescent dyes. The experimental phase involves: incorporation of each of the fluorescent amino acids in the protein during in vitro synthesis in steady-state, observing incorporation of the same in stopped-flow spectrofluorimeter, attempting to observe fluorescent resonance energy transfer (FRET) between the two dyes due to co-translational folding. The preparatory and experimental phases were completed successfully, and it has been established that the amino acids with the fluorescent moieties can be incorporated site specifically in the mutant protein. The synthesis of the protein was observed using stopped-flow spectrometer for each of the fluorescent amino acids individually.  The synthesis of the mutants using two sets of dye pairs was also observed using a steady-state fluorimeter as well as stopped-flow spectrofluorimeter and the FRET between the two fluorophores was obtained. Although further experiments are required to fully validate and standardize this technique,  it will, even now,  aid in the study of the folding of proteins in a cell-free system.