L'enzyme étudiée est la glutamyl-ARNt synthetase (GluRS) de la bactérie Escherichia coli. Son activité consiste principalement à charger l'acide glutamique sur l'ARNtGlu. Cette GluRS se compose de 5 domaines structuraux, dont les deux derniers (#4 et 5) situés dans la partie C-terminale ont été acquis durant l'évolution et sont responsables de la reconnaissance de la boucle de l'anticodon de l'ARNtGlu. Le domaine 4 est lié au domaine 5 par une charnière mobile (4-5) permettant à ce dernier de s'incliner et de s'adapter à l'anticodon de l'ARNtGlu (Nureki et al., 1995). Cette GluRS bactérienne, qui joue un rôle essentiel dans la biosynthèse des protéines, est considérée comme une nouvelle cible de l'antibiothérapie grâce à l'existence d'analogues du glutamyl-AMP qui inhibent plus des GluRS bactériennes que la GluRS cytopiasmique des mammifères (Balg et al., 2007). La première partie de ce projet consiste à étudier le rôle de la charnière 4-5 sur l'activité de la GluRS en produisant par mutagenèse dirigée du gène gltX de E. coli des variants E366A, E455R et D333A, altérés dans les résidus qui pourraient influencer les orientations relatives des domaines 4 et 5. Les propriétés cinétiques de ces variants dans la réaction de formation du glutamyl-ARNt montrent qu'il n'y a pas d'effet majeur de ces substitutions sur les Km sauf pour D333A. La constante de spécificité de l'enzyme sauvage reste plus grande que celle des variants ce qui suggère que la flexibilité de la charnière n'est pas grandement affectée par la substitution d'un seul de ces résidus. Accidentellement, un variant double charnière (#dc) a été obtenu dont le Km pour l'ARNtGlu est 7,7 fois plus grand que celui de la GluRS sauvage, et dont la constante de spécificité est 15 fois plus faible. Ce résultat suggère que la longueur de la charnière a peut-être autant d'influence que la nature de ces résidus pour le bon fonctionnement de la GluRS. La deuxième étape du projet est de tester l'hypothèse selon laquelle la flexibilité de la charnière 4-5 de la GluRS est importante pour l'activité catalytique de cette enzyme. Des formes tronquées de ces variants ne contenant que les 2 derniers domaines 4 et 5 ont été surproduites et purifiées pour la mesure de la flexibilité de la charnière 4-5 par résonance magnétique nucléaire (RMN). Une analyse préliminaire de la GluRS tronquée sauvage par RMN a montré qu'elle est bien repliée. Notre étude structure-fonction de la charnière 4-5 facilitera le design rationnel de nouveaux inhibiteurs plus efficaces de la GluRS. Ceux-ci pourraient être des composés de départ (« lead compounds ») pour la conception d'un nouvel antibiotique.

Le but visé par la présente recherche est de faire la synthèse d'inhibiteurs de la glutaminyl (GlnRS), de la glutamyl (GluRS) et de l'aspartyl-ARNt synthétase (AspRS). Le design des inhibiteurs est basé sur l'intermédiaire de la réaction catalysée par les aaRSs, l'adénylate d'aminoacyle. Cet anhydride mixte (carboxylique-phosphorique), hautement instable, est plus fortement lié à l'enzyme que ne le sont ses trois substrats: l'acide aminé, l'ARNt et l'ATP. Différents analogues stables de cet intermédiaire ont été synthétisés dans le but d'empêcher la substitution de l'AMP de l'adénylate d'aminoacyle par l'ARNt. Ainsi, des adénylates d'aminoalkyles, des aminoacylsulfamoyladénosines et des aminoacylphosphonates adénosines ont été synthétisés. Ces composés ont permis d'inhiber l'enzyme correspondante avec des K\ variant du micromolaire au nanomolaire. Ces inhibiteurs ont été utilisés dans des études de cinétiques enzymatiques, en cristallisation et dans la compréhension du mécanisme catalytique de ces enzymes. Les travaux en cours portent sur la rigidification de même que sur la diminution de la polarité de l'adénylate de glutamyle et ce, par la modification de la portion acide glutamique des inhibiteurs déjà synthétisés. La résistance aux antibiotiques constitue un problème très grave de nos jours. Le développement d'antibiotiques possédant de nouveaux modes d'action est au coeur des préoccupations actuelles. Les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRSs) sont des enzymes impliquées dans la biosynthèse des protéines. Elles catalysent l'estérification d'un acide aminé sur l'acide ribonucléique de transfert (ARNt). Leur inhibition entraîne, par conséquent, l'arrêt de la croissance cellulaire. Les enzymes humaines ont connu une évolution suffisamment divergente des aaRSs bactériennes rendant ainsi possible l'inhibition sélective de ces dernières. Elles représentent donc des cibles intéressantes pour le développement d'antibiotiques. L'acide pseudomonique, un inhibiteur de l'isoleucyl-ARNt synthétase, possède des propriétés antibiotiques. Il est commercialisé comme antibiotique topique par la compagnie pharmaceutique GlaxoSmithKline.

Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (ARNT) is an important player in xenobiotic and hypoxic responses. In addition to this, my mentor has shown that ARNT is an integral cofactor of NF-kB signaling. However, these initial observations of ARNT-mediated NF-kB modulation were based on simultaneous suppression of the two ARNT isoforms, isoform 1 and 3, and therefore precluded the isolated examination of each isoform’s function. We show here that lymphoid malignancies exhibit higher levels of ARNT isoform 1 compared to ARNT isoform 3. However, normal T and B lymphocytes are seen to harbor equal levels of ARNT isoform 1 and 3. We hypothesize that the increase in ARNT isoform 1 is necessary for the growth of these cancer cells as suppression of isoform 1 resulted in S-phase cell cycle arrest. These findings reveal that ARNT isoform 1 potentiates cell growth by antagonizing a p53 cell cycle inhibitory mechanism and this further suggests that ARNT targeted therapies would benefit chemotherapy regimens. / text

Cette thèse décrit la synthèse de l'asparagine et de la glutamine utilisés pour la biosynthèse des protéines chez Helicobacter pylori. La plupart des acides aminés (aa) sont liés à leur ARNt correspondant par les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS). Ces enzymes sont très spécifiques, et leur fonction est importante pour le décodage correct du code génétique. L'asparaginyl-ARNt synthétase et la glutaminyl-ARNt synthétases (AsnRS et GlnRS) sont l'une ou l'autre, ou les deux absentes de la plupart des bactéries, des archaea, et des organelles. Chez les bactéries et les organelles, des aaRS à double fonction nommées aaRS non-discriminantes (ND) participent avec une aminoacyl-ARNt amidotransférase, la GatCAB, à la formation du glutaminyl-ARNtGln et de l'asparaginyl-ARNtAsn. Les aaRS-ND, soit la glutamyl-ARNt synthétase-ND (ND-GluRS) et l'aspartyl-ARNt synthétase (ND-AspRS), forment l'aminoacyl-ARNt synonyme (Glu avec ARNtGlu) mais lient aussi l'acide aminé à l'ARNt de sa forme amidée (Glu avec ARNtGln). La GatCAB agit ensuite en transamidant le Glu-ARNtGln et l'Asp-ARNtAsn en Gln-ARNtGln et en Asn-ARNtAsn, respectivement. Chez H. pylori, la synthèse du Glu-ARNtGln est faite par une aaRS discriminante spéciale formant seulement le produit mésapparié. Cette GluGlnRS est aussi nommée GluRS2, puisque l'organisme possède une autre GluRS (GluRS1) discriminante formant seulement le Glu-ARNtGlu. La voie indirecte de la formation de l'Asn-ARNtAsn et du Gln-ARNtGln chez H. pylori et ses mécanismes de contrôle contre la mauvaise utilisation des aminoacyl-ARNt mésappariés est décrite. Tout d'abord, les premières évidences d'un channeling de l'Asp-ARNtAsn de l'AspRS-ND vers la GatCAB (Chapitre 3) mettent en scène la coopération entre ces deux enzymes permettant le contrôle de la molécule mésappariée. Une seconde publication montre la formation d'un complexe ternaire formé par la GluRS2, la GatCAB et l'ARNtGln et démontre comment ce complexe en coopération avec un rééchantillonage du substrat par la GluRS2 permettent un décodage plus fiable et plus efficace des codons Gln (Chapitre 5). Une troisième publication confirme la formation d'un complexe par l'AspRS-ND, la GatCAB et l'ARNtAsn (Chapitre 6). Ce complexe, ainsi que l'existence d'un second mode de liaison de l'ARNtAsn à l'AspRS-ND allant à l'encontre des caractéristiques connues de cette famille d'aaRS, augmentent la fidélité du décodage des codons Asn chez H. pylori. Au cours de ces travaux, en collaboration avec le groupe du Prof. Robert Chênevert (co-directeur de la thèse), des composés synthétiques ont été testés pour leur activité inhibitrice contre la GatCAB. Les premiers inhibiteurs de cette enzyme qui sont analogues à l'aa-ARNt, et le développement des méthodes de cette analyse, sont aussi présentés (Chapitres 3 et 4). / This work was focused on the formation of glutamine and asparagine used for protein biosynthesis in Helicobacter pylori. Most amino acids (aa) are linked to their cognate tRNAs by aminoacyl-tRNA synthetases (aaRS). These enzymes have a high specificity, and their function is key to the proper decoding of mRNA. One or both of the enzymes responsible for the formation of glutaminyl-tRNAGln and asparaginyl-tRNAAsn are absent from most bacteria, archaea, as well as organelles. In bacteria and organelles, dual-function aaRSs dubbed non-discriminating (ND), are used in conjunction with an aminoacyl-tRNA amidotransferase called GatCAB, to form these amidated aminoacyl-tRNAs. ND-AspRS forms the canonical Asp-tRNAAsp, but also Asp-tRNAAsn. Meanwhile, in H. pylori, the task of forming Glu-tRNAGln which is filled by an ND-GluRS in most organisms, is filled by a special, discriminating enzyme forming only the mismatched product. This GluGlnRS has been called GluRS2, the other, Glu-tRNAGlu forming enzyme being called GluRS1. Work is presented describing these two pathways in H. pylori. One publication was the first to provide data suggesting that ND-AspRS could provide Asp-tRNAAsn to GatCAB through substrate channeling (Chapter 3). The second showed formation of a ternary complex formed by GluRS2, GatCAB and tRNAGln, allowing efficient and correct decoding of Gln codons, including resampling of the substrate by GluRS2 (Chapter 5). A third manuscript confirms earlier results by describing the formation of a ternary complex formed by ND-AspRS, GatCAB and tRNAAsn (Chapter 6). This work also furthers our understanding of the kinetics of aminoacylation, by showing that ND-AspRS has two different behaviours, each one consistent with one of the two, evolutionarily unrelated families of aaRSs. Throughout my thesis, collaboration with the group of Prof. Robert Chênevert (co-director of this thesis) sought to design, synthesize and test compounds for inhibitory activity against GatCAB. The first inhibitors which are analogues of the aminoacyl-tRNA substrate for this enzyme, and the development process of the methods used to test them are described in Chapters 3 and 4).

La GlnRS de Deinococcus radiodurans se distingue des autres GlnRS par la présence d'un appendice additionnel en C-terminal (C-ter). Celui-ci adopterait le même repliement que la famille de protéines YqeY de fonction inconnue et une région de la sous-unité GatB de l'AdT. Son architecture atypique, trouvée dans 4 organismes, corresponds à la fusion de protéine de la voie directe et indirecte d'aminoacylation des ARNt. La structure cristallographique de la GlnRS-Dr n'a pas permis de résoudre la région C-ter, la maille étant suffisamment large pour l'accommoder. Des analyses en RMN du C-ter isolé ont confirmé la présence d'une région majoritairement structurée. D'autres structures ont été résolues en présence de petits substrats (glutamine, analogues d'adénylate) ainsi que la forme tronquée en C-ter. Dans 2 cas, une conformation verrouillée unique du site actif a été mise en évidence. Des analyses structurales et fonctionnelles et les propriétés de l'empilement cristallin sont exposées.

Accurate translation of genetic information necessitates the tuned expression of a large group of genes. Amongst them, controlled expression of the enzymes catalyzing the aminoacylation of tRNAs, the aminoacyl-tRNA synthetases (aaRS), is essential to insure translational fidelity. Here, it is shown that expression of AspRS is regulated in Saccharomyces cerevisiae by a feedback mechanism, that necessitates the binding of AspRS to its messenger RNA. The correlation between AspRS expression and mRNAAspRS and tRNAAsp concentrations, as well as the presence of AspRS in the nucleus, suggest an original regulation mechanism. It is proposed that the surplus of AspRS, not sequestered by tRNAAsp, is imported in the nucleus where it binds to mRNAAspRS and thus inhibits its accumulation. <br />We have established the folding of the 300-nucleotides long 5' end of mRNAApRS and identified the structural signals involved in the regulation process. We propose that the mRNAAspRS fragment folds in two independent and symmetrically structured domains spaced by two single-stranded connectors. Domain I displays a tRNAAsp anticodon-like stem-loop structure that is restricted in domain II to a short double-stranded helix. The overall mRNA structure, based on enzymatic and chemical probing, support a model where each monomer of yeast AspRS binds one individual domain and recognizes the mRNA structure like it recognizes its cognate tRNAAsp.<br />Finally, the consequences of an increased concentration of AspRS in the cell have been tested. In vitro, high AspRS concentrations lead to mis-aspartylation of tRNAAsn and tRNAGlu. In vivo, the design of a reporter gene conferring an antibiotic resistance, dependent on mischarged tRNAs, did not allow to detect any cross aminoacylation. However, the proteomic analysis of yeasts overexpressing AspRS pointed out the conditions of AspRS accumulation in the cell by detecting the presence of an additional control mechanism at the post-translational level.

Dans l'environnement, la levure doit faire face à des conditions variées qui nécessitent une adaptation rapide du métabolisme cellulaire. Une des premières réponses est l'inhibition de la transcription par l'ARN polymérase III (Pol III). La protéine Maf1, le seul régulateur de la machinerie de la Pol III chez Saccharomyces cerevisiae (Sc), est conservée au cours de l'évolution. Les protéines Maf1 des Eucaryotes contiennent deux domaines A et BC phylogénétiquement conservés. Ce travail de thèse a cherché à identifier le rôle de ces domaines dans la fonction de la protéine ScMaf1. J'ai construit une banque de mutants de Maf1, identifié les changements dans leurs séquences ainsi que leurs phénotypes. En utilisant la technique du double-hybride, j'ai montré que les domaines A et BC interagissent physiquement et que l'extrémité N-terminale de 34 acides aminés du domaine A est le fragment minimal nécessaire à cette interaction. Grâce à un crible génétique, j'ai mis en évidence que les mutations du domaine BC (D250E et V260D-N344I) permettent de restaurer l'activité de Maf1 mutée dans le domaine A (K35E). Cette restauration est observable pour le phénotype, la répression efficace de la transcription par la Pol III, le niveau de phosphorylation et la localisation cellulaire de Maf1. La technique du double-hybride m'a permis aussi de montrer que la mutation K35E inactive partiellement l'interaction entre les domaines de Maf1 qui est restaurée par les mutations suppresseurs D250E et V260D-N344I. Les résultats permettent de conclure que : « la répression de la transcription par la Pol III requiert l'interaction physique des domaines de Maf1 ».

La conception des protéines ou ‘protein design' a pour but de développer des protéines possédant de nouvelles caractéristiques structurales et/ou fonctionnelles. Le principe consiste à identifier parmi toutes les séquences compatibles avec le repliement d'intérêt, celles qui vont conférer à la protéine, la fonction désirée. La procédure générale est réalisée en deux étapes. La première consiste à calculer une matrice d'énergie contenant les énergies d'interactions entre toutes les paires de résidus de la protéine en autorisant successivement tous les types d'acides aminés dans toutes leurs conformations possibles. La seconde étape, ou ‘phase d'optimisation', consiste à explorer simultanément l'espace des séquences et des conformations afin de déterminer la combinaison optimale d'acides aminés étant donné le repliement de départ. Ensuite, différents filtres peuvent être appliqués pour sélectionner les séquences fonctionnelles (étant donné le repliement d'intérêt) des non fonctionnelles. La première étape a consisté au développement de la procédure de ‘protein design', en particulier, à la mise en place et à l'optimisation de la fonction d'énergie ainsi qu'à l'implémentation de l'algorithme d'optimisation. Nous avons montré que notre procédure est robuste puisqu'elle a fait ses preuves dans des applications très diverses telles que la prédiction de l'orientation des chaînes latérales, la prédiction des changements de stabilité ou d'affinité associés à des mutations ponctuelles, ou encore la production de séquences de type natif pour un jeu de protéines globulaires. Pour l'ensemble de ces applications, la qualité des résultats obtenus est comparable à celle observée chez d'autres groupes. Ensuite, nous avons appliqué notre procédure à des systèmes plus complexes tels que les systèmes protéine:ligand. Nous nous sommes intéressés à l'aspartyl-ARNt synthétase (AspRS) et l'asparaginyl-ARNt synthétase (AsnRS). Ces enzymes jouent un rôle crucial dans la traduction du code génétique. Les synthétases fixent leur acide aminé spécifique sur leur ARNt correspondant établissant ainsi l'intégrité du code génétique. Tout d'abord nous avons réalisé le ‘design' des sites actifs d'AspRS et d'AsnRS en présence de leur ligand natif et non natif afin d'évaluer les performances de notre procédure. La qualité des séquences prédites est comparable à celle observée pour les protéines globulaires entières. Par ailleurs, nous avons montré que notre procédure était sensible à la nature du ligand présent dans la poche. Enfin, nous avons réalisé le ‘design' d'un nombre limité de positions dans le site actif de l'AsnRS de façon à ce qu'elle lie préférentiellement l'aspartate au détriment de l'asparagine. Un jeu de mutants prometteurs fut retenu. Leur stabilité et affinité pour les ligands natifs et non natifs est actuellement analysé par des simulations de dynamique moléculaire.

Loss of glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) from the pancreatic beta-cells is one of the earliest detectable defects in the pathogenesis of type 2 diabetes. However, despite its relevance, the mechanisms that govern GSIS are still not completely understood. ARNT/HIF-1β is a member of the bHLH-PAS family of transcription factors, with a prominent role in the transcriptional regulation of enzymes required for the metabolism of xenobiotics as well as regulation of genes that are critical for cellular responses to hypoxia. Recent research has uncovered a previously unknown function for ARNT/HIF-1β in the pancreatic beta-cells, where the gene was found to be 90% down-regulated in human type 2 diabetic islets and loss of ARNT/HIF-1β protein leads to defective GSIS in pancreatic beta-cells of mice. The main focus of this thesis was to understand the mechanisms by which ARNT/HIF-1β maintains normal GSIS from pancreatic beta-cells and understand how loss of ARNT/HIF-1β leads to beta-cell dysfunction and type 2 diabetes in mice. ARNT/HIF-1β was found to positively regulate GSIS in both INS-1 derived 832/13 cell line and mice islets. In the 832/13 cells, loss of ARNT/HIF-1β leads to a reduction in glycolysis without affecting the glucose oxidation and the ATP/ADP ratio suggesting that the regulation of GSIS takes place in a manner that is independent of the KATP channels. In order to further assess the mechanism of lowered GSIS in the absence of ARNT/HIF-1β in the 832/13 cells, a metabolite profiling was performed which revealed a significant reduction in the metabolite levels of glycolysis and the TCA cycle intermediates and glucose-induced fatty acid production, suggesting the involvement of ARNT/HIF-1β in regulating glucose-stimulated anaplerosis, which is believed to play a key role in the regulation of GSIS from the pancreatic beta-cells. The changes in metabolite levels in the absence of ARNT/HIF-1β were associated with corresponding changes in the gene expression pattern of key enzymes regulating glycolysis, the TCA cycle and fatty acid synthesis in beta-cells. In an attempt to understand how loss of ARNT/HIF-1β leads to beta-cell dysfunction and type 2 diabetes in mice, a pancreatic beta-cell specific ARNT/HIF-1β knock out mouse (β-ARNT KO) was generated using the Cre-loxP technology. Functional characterization of islets from both male and female β-ARNT KO mice revealed a significant impairment in GSIS, which was attributed due to a small, but significant reduction in rise in intracellular calcium upon glucose stimulation. Further analysis revealed reduced secretory response to glucose in the presence of KCl and diazoxide indicating a defect in the amplifying pathway of GSIS in β-ARNT KO islets. Expression of pyruvate carboxylase (PC) was significantly reduced in β-ARNT KO islets suggesting possible impairments in anaplerosis and consistent with this, defect in GSIS in β-ARNT KO islets could be almost completely rescued by treatment with membrane permeable TCA intermediates. Surprisingly, both male and female β-ARNT KO mice have normal glucose homeostasis. In an attempt to assess how β-ARNT KO mice maintained normal blood glucose levels, indirect calorimetry was used to understand changes in whole-body energy expenditure. This investigation revealed that β-ARNT KO mice exhibited a small but significant increase in respiratory exchange ratio (RER), suggesting a preference in utilizing carbohydrates as a fuel source, possibly leading to improved glucose uptake from the blood stream. Response to exogenous insulin was completely normal in β-ARNT KO mice suggesting intact functioning of the skeletal muscles. To conclude, based on our in vitro data, we believe that ARNT/HIF-1β plays an indispensable role in maintaining normal beta-cell secretory function, however, results from β-ARNT KO mice indicates that these mice are protected from the adverse effects of hyperglycemia. Although loss of ARNT/HIF-1β alone is not sufficient for the genesis of type 2 diabetes, it creates a perfect storm in the pancreatic beta-cells that may eventually lead to an imbalance in the whole body glucose homeostasis. Our study provides significant information to the scientific community that engages in assessing the pharmacological potential of gene targets for the treatment of type 2 diabetes.

The aryl hydrocarbon receptor (AhR) carboxyl terminal transcriptional activation domain was cloned, purified in denatured conditions from bacteria, refolded via limited dialysis, and analyzed for proper refolding via co-immunoprecipitation with the known binding partner SRC-1. This AhR NΔ515 transactivation domain construct was used, along with amino terminal AhR deletion constructs AhR CΔ274 and AhR CΔ553, to attempt to elucidate the nature of the interaction between AhR and p23 in vitro.