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L’imagerie par spectrométrie de masse (MSI) est une technique en pleine expansion ayant déjà été utilisée afin d’évaluer la distribution spatiale d’une grande variété de biomolécules. La plupart des applications découlent généralement du domaine médical et le modèle imagé est souvent mammalien, soit la souris ou le rat. L’optimisation de préparations d’échantillons sur ces modèles a permis d’obtenir de l’information reproductible et de grande qualité dans diverses applications biologiques. Il est cependant important de pouvoir reproduire les différentes préparations sur des échantillons diversifiés, permettant ainsi d’utiliser la technique dans plusieurs domaines de recherches différents. Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire décrivent l’optimisation de méthodes de préparations d’échantillons afin d’imager des protéines et des lipides à travers des sections tissulaires minces d’un échantillon animal non mammalien. L’échantillon à l’étude était le Spodoptera exigua, un lépidoptère, qui sous sa forme larvaire est bien connu une chenille ravageuse de plantation. L’optimisation d’une méthode permettant la découpe en section tissulaire mince de ce type d’échantillon sera d’abord présentée. Ensuite, l’optimisation d’une méthode de déposition de matrice par sublimation/recristallisation à des fins d’imagerie de protéines sera décrite. Les résultats obtenus ont permis d’obtenir des données de qualité quant à la distribution de différentes protéines à travers des sections de chenilles. De plus, l’optimisation d’une méthode de préparation d’échantillon par sublimation de la matrice sera décrite. Ainsi, l’évaluation de la distribution spatiale de quatre différentes classes de phospholipides à travers ces sections a été possible.Enfin, il est possible de conclure que la qualité des signaux obtenus pour l’imagerie des protéines et des lipides à partir de sections tissulaires minces de chenille est équivalente à celle normalement observée sur des tissus mammaliens. / Imaging mass spectrometry (IMS) is a technique in full expansion that has been used in a large range of studies to assess the spatial distribution of a wide range of biomolecules. Most of the applications ensuing from IMS studies correlate the molecular expression and the health status of a tissue in the medical biology field, using mammalian models such as mice or rats. Optimization of different sample preparation methods for these models has permitted high quality and reproducible information in numerous biological applications. However, it is important to be able to reproduce this level of sample preparation and the quality of resultant data on a wider range of samples. This will open the technology to several scientific fields. The research work presented in this thesis proposes sample preparation methods to image the distribution of proteins and lipids across a thin tissue section of a non-mammalian model. This model is a moth, the Spodoptera exigua, one of the best-know agricultural pest insects in it’s caterpillar form. Firstly, optimization of sample handling prior to cutting thin tissue sections will be presented. Then, optimization of a matrix deposition method using sublimation/recrystallization in order to image the proteins across the sample will be described. Also, a sublimation method for the detection and imaging of lipids is described. The imaging results showed the distribution of four different classes of phospholipids across thin sections of the caterpillar. Lastly, the quality of imaging data for proteins and phospholipids across caterpillar sections can be compared directly to the expected data quality obtained from mammalian tissue sections.

Le développement des technologies de recombinaison en biologie moléculaire fut un point tournant pour les sciences biologiques. Depuis cette découverte, diverses avancées extraordinaires qui ont un impact direct sur les humains ont pu être accomplies dans les domaines de recherches qui découlent de cette technologie. L’étude des enzymes produites en utilisant cette technique est le fondement de leurs applications éventuellement accessibles. À cet effet, la biocatalyse est un sous-domaine de l’enzymologie en développement continuel. Les chimistes et ingénieurs utilisent les composantes de systèmes biologiques ou même des systèmes complets afin de complémenter ou remplacer des méthodologies existantes. Cette thèse étudie la famille d’enzymes transglutaminase (TGase) comme biocatalyseur afin d’explorer et d’étendre l’ubiquité et les innovations rendues possibles grâce aux enzymes. Les TGases sont des enzymes versatiles. Leur homologue bactérien, la transglutaminase bactérienne (MTG), est couramment utilisé à l’échelle industrielle pour la transformation alimentaire. Depuis une dizaines d’années, de nombreux efforts ont été faits afin de trouver de nouvelles applications des TGases. En premier lieu, une revue des accomplissements, progrès et défis reliés au développement des TGases sera décrite. Les TGases sont intrinsèquement des catalyseurs de la formation de lien isopeptidiques entre une glutamine et une lysine. Par ce fait, elles ont été initialement testées dans cette thèse pour la synthèse de peptides. Une forme de l’enzyme TGase de mammifères fut en mesure de générer les composés dipeptidiques Gly-Xaa et D-Ala-Gly avec une faible conversion. La MTG possède plusieurs caractéristiques qui font de cette enzyme un candidat intéressant pour le développement de biotechnologies. Elle est stable, non dépendante d’un cofacteur et connait peu de compétition pour sa réaction catalytique inverse. La majeure partie de cette thèse porte exclusivement sur l’utilisation de la MTG. Nous avons développé et caractérisé une réaction chimio-enzymatique en un seul pot pour la conjugaison de peptides et protéines. La présence de glutathion en quantité suffisante permet de contourner l’incompatibilité de la MTG avec le cuivre et ouvre la porte à l’utilisation de la réaction de cycloaddition entre un alcyne et un azoture catalysée par le cuivre, afin d’effectuer le marquage fluorescent de protéines. L’utilisation d’autres méthodes de chimie « click » sans métaux fut aussi étudiée afin d’incorporer divers substrats protéiques. Le marquage de protéines avec la MTG fut investigué de manière combinatoire. Précisément, la ligation de Staudinger, la cycloaddition azoture-alcyne promue par la tension de cycle, ainsi que la ligation de tetrazine (TL) ont été testées. Différents niveaux de conversion ont été atteints, le plus prometteur étant celui obtenu avec la TL. Une étude par cristallographie a été effectuée afin d’élucider comment les substrats contenant une glutamine interagissent avec la MTG. Une méthode de purification alternative de la MTG a été développée afin d’atteindre ce but. Une discussion sur les stratégies et défis est présentée. Finalement, la conjugaison entre un système contenant la MTG comme biocatalyseur de marquage, le domaine B1 de la protéine G (GB1) comme substrat et d’un fluorophore contenant une amine comme sonde fut étudié. Comme deux des constituants de ce système sont des protéines, l’ingénierie d’enzyme peut être entreprise afin d’améliorer leurs propriétés. Une banque de 24 variantes de GB1 fut construite grâce à une approche semi-rationnelle afin d’investiguer quels facteurs sont déterminants pour la sélectivité de la MTG envers la glutamine. Chaque variante étudiée comportait une seule glutamine à une position variable afin d’évaluer l’impact des éléments de structure secondaire où se retrouve la glutamine. L’efficacité pour le marquage a pu être améliorée d’au moins un ordre de grandeur pour huit des substitutions étudiées. Comme chacune des structures secondaires fut marquée, il fut démontré que la MTG n’en préfère pas une en particulier. De plus, la réactivité de la MTG envers la variante I6Q-GB1 fut augmentée en créant des mutations dans son site actif. Ces résultats permettent de comprendre d’avantage la sélectivité de la MTG envers la glutamine, tout en démontrant le potentiel de cette enzyme à être modifiée afin d’être améliorée. / The development of recombinant molecular biology technologies was a turning point for the biological sciences, which has since evolved into dozens upon dozens of different subfields and contributed to extraordinary advances for humans. At the core of many of these advances are the enzymes produced by these techniques, with efforts to understand their form and function laying the groundwork for their application. One of these continuously advancing subfields rooted in enzymology is biocatalysis, in which chemists and engineers embrace biological components and systems to complement, or even replace, existing methodologies. This thesis seeks to further contribute to the advancement and ubiquity of enzymes to be incorporated into future innovations. To this end, transglutaminase (TGase) is the biocatalyst selected for study. TGases are versatile enzymes, with the bacterial homolog, microbial transglutaminase (MTG) being readily used in industrial processes for years, particularly for food processing. An abundance of efforts seeking to apply TGases to other processes have been made within the last decade. We commence by reviewing the accomplishments, progress, and challenges to developing TGase towards new goals. TGase naturally catalyzes the formation of isopeptide bonds utilizing a glutamine and lysine substrates, and one of its first unconventional applications we investigated was for peptide synthesis. We determined the ability and specificity of one form of TGase for various amino acid-derived substrates, observing the formation of Gly-Xaa and D-Ala-Gly dipeptide products, albeit at a low conversion. MTG exhibits several characteristics that make it an appealing candidate for biotechnological development, such as its independence from a cofactor, little competition for its reverse catalytic reaction, and increased stability relative to mammalian TGases. Therefore, the remainder of this thesis pertains exclusively to MTG. We developed and extensively characterized a one-pot chemoenzymatic peptide and protein conjugation scheme. The presence of sufficient glutathione circumvents the incompatibility of the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition with MTG owing to the presence of copper. We ultimately utilized this chemoenzymatic conjugation scheme for fluorescent protein labeling. We continue to expand upon combinatorial methods to undertake protein labeling by investigating to what extent metal-free click chemistries can be utilized in combination with MTG. Specifically, the Staudinger ligation, strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, and tetrazine ligation (TL) were assayed on protein substrates to reveal varying levels of effective conjugation, with the TL being the most promising of the three. The details surrounding the manner in which MTG interacts with its glutamine-containing substrate remains unclear. To address this knowledge gap, we sought to pursue crystallography studies, which required the development a modified purification strategy. We discuss the strategies we investigated and the challenges surrounding such efforts. Finally, we present a conjugation system consisting of MTG as the labeling biocatalyst, the B1 domain of Protein G (GB1) as a substrate, and a small-molecule amine belonging to a recently developed class of fluorophores as a probe. As two components of this system are proteins, enzyme engineering can be applied to further improve their properties. A semi-rational approach was used to generate a 24-member GB1 library to probe the structural determinants of MTG’s glutamine selectivity. Each variant contained a single glutamine at varying positions covering all secondary structure elements, and assayed for reactivity. Eight substitutions resulting in an increased labeling efficiency of at least an order of magnitude were distributed throughout all secondary structure elements, indicating that MTG does not favor one preferentially. In addition, introducing point mutations within MTG’s active site also resulted in increased reactivity towards variant I6Q-GB1. Our results contribute further to understanding the nature of MTG’s glutamine selectivity, while simultaneously demonstrating the potential enzyme engineering has to improve and adjust this system.

Le transport subcellulaire et la traduction localisée des molécules d'ARNm semble être un processus très répandu et important pour contrôler la distribution asymétrique des protéines dans les cellules. L’ARNm, Bsg25D, connu pour se localiser aux centrosomes et aux microtubules astraux dans les embryons de drosophile au cours des premiers événements d'embryogenèse, a été sélectionné pour déterminer le rôle et l'importance du ciblage de l'ARNm à l'appareil mitotique lors de la division cellulaire. La localisation de Bsg25D aux centrosomes dans les embryons de drosophile est conservée entre espèces telles que D. melanogaster, D. simulans et D. yakuba. Bsg25D encode une protéine qui est étroitement liée à la Ninein (Nin) et à la Ninein-like protein (Nlp), deux protéines associées aux centrosomes présentes dans les cellules mammifères. L’analyse structure-fonction démontre que la région codante et la région 3’UTR de Bsg25D sont nécessaires pour son ciblage. Ceci suggère qu’un élément de régulation en cis, qui favorise sa localisation se situe dans la région codante + 3’UTR. / The subcellular transport and localized translation of mRNA molecules is emerging as a highly prevalent and important process for controlling asymmetric protein distribution in cells. A candidate mRNA, Bsg25D, known to localize to centrosomes and astral microtubules in Drosophila embryos during early events of embryogenesis, was selected to determine the role and importance of mRNA targeting to the mitotic apparatus during cell division. The localization of Bsg25D to centrosomes in Drosophila embryos is conserved between species such as D. melanogaster, D. simulans and D. yakuba. Bsg25D encodes a protein closely related to centrosome-associated proteins Ninein (Nin) and Ninein-like protein (Nlp) in mammalian cells. Structure function analysis revealed that the coding and 3’UTR of Bsg25D are necessary for its targeting pattern, suggesting that a cis-regulatory motif that drives its localization, is in the coding + 3’ UTR region.

Neutrophils are critical for acute inflammatory responses initiated by infection or tissue injury. Multiple inflammatory genes and signaling pathways are activated rapidly to regulate neutrophil functions. Ikaros is a critical transcription factor involved in the regulation of myeloid cells differentiation. Transcription analysis of the hematopoietic cells in the absence of Ikaros indicates differences in expression of genes encoding signaling factors. However, the impact of Ikaros on signaling mechanisms in myeloid cells during inflammation remains to be defined. The aim of this study was to define whether the lack of Ikaros expression could perturb signaling and thereby, neutrophil function/response during inflammation. We studied purified neutrophils from the bone marrow of WT and Ikaros+/- mice. We found that the expression level of Ikaros is important and governs neutrophil apoptosis, NETosis, myeloperoxidase activity and ROS production in response to bacterial DNA. We also performed in vivo experiments using a mouse model of severe pneumonia. We show that partial deletion of Ikaros (Ikaros+/- mice) is associated with impaired elimination of bacteria. To define how the crippled expression of Ikaros could affect signaling in neutrophils, we performed a high-throughput microarray to identify variations in protein kinase activity. The microarray data suggest that multiple signaling pathways, including the P38 MAPK pathway, could be affected by Ikaros. Accordingly, we employed selective kinase inhibitors to further define the importance of these kinases in neutrophil function. Finally, our results indicate the critical role of Ikaros in the regulation of Toll Like Receptor 4 and 9 as well as the cytosolic DNA sensor IFI204 in neutrophils. This study provides novel information on the role of Ikaros in the regulation of neutrophil functions and a rational basis for the development of novel therapeutic approaches targeting Ikaros for the treatment of patients with infections, and sepsis in particular. / Les neutrophiles sont essentiels pour les réponses inflammatoires aiguës initiées par une infection ou une lésion tissulaire. De multiples gènes inflammatoires et des signaux sont activés rapidement pour réguler les fonctions des neutrophiles. Ikaros est un facteur de transcription critique impliqué dans la régulation de la différenciation des cellules myéloïdes. L'analyse de transcription des cellules hématopoïétiques en l'absence d'Ikaros indique des différences dans l'expression des gènes des facteurs de signalisation. Cependant, l'impact d'Ikaros sur les mécanismes de signalisation dans les cellules myéloïdes pendant l'inflammation reste à définir. Le but de cette étude était de définir si le manque d'expression d'Ikaros pouvait perturber la signalisation et ainsi la fonction / réponse des neutrophiles pendant l'inflammation. Nous avons utilisé les neutrophiles purifiés de la moelle osseuse des souris WT et Ikaros +/-. Nous avons trouvé que le niveau d'expression d'Ikaros est un facteur important pour contrôler l'apoptose des neutrophiles, la NETosis, l'activité de la myéloperoxydase et la production d’espèces d'oxygène réactives en réponse à l'ADN bactérien. Nous avons également fait des expériences in vivo en utilisant un modèle murin de pneumonie. Nous avons trouvé que la suppression partielle d'Ikaros (souris Ikaros +/-) est associée à l'élimination réduite des bactéries. Pour expliquer comment l'expression plus faible d'Ikaros pourrait affecter la signalisation dans les neutrophiles, nous avons fait une analyse ‘’ high-throughput microarray ‘’ pour identifier les variations de l'activité de la protéine kinase. Les données de microarray suggèrent que plusieurs signaux, comme le P38 MAPK, sont affectées par Ikaros. En conséquence, nous avons utilisé des inhibiteurs sélectifs des kinases pour mieux définir l'importance de ces kinases dans la fonction des neutrophiles. De plus les résultats présentés indiquent l’importance du facteur Ikaros pour la régulation de l’expression des ‘Toll Like Receptor’ 4 et 9, ainsi que du senseur d’ADN cytoplasmique IFI204 dans les neutrophiles. Cette étude présente de nouvelles informations sur le rôle d'Ikaros dans la régulation des fonctions des neutrophiles et une base rationnelle pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques ciblant Ikaros pour le traitement des patients avec d'infections et de septicémie en particulier.

La protéine suppresseur de tumeurs p53 induit l'apoptose et l'arrêt du cycle cellulaire dans les cellules qui sont stimulées par divers stress cellulaires, dont le stress génotoxique. p53 maintient l'intégrité génomique, et ses fonctions sont les plus importantes pour la résistance à la tumorigenèse cellulaire. Des mutations de TP53, qui est le gène codant pour p53, sont fréquemment observées dans les tumeurs malignes. Comme l'apoptose n'est pas induite dans les cellules cancéreuses avec des mutations ou une délétion de TP53 en réponse à la radiothérapie ou au traitement par des agents anticancéreux, le pronostic de ces patients est très mauvais. En réponse au stress cellulaire, la p53 est stabilisée, tétramérisée et activée pour exercer des fonctions telles que l'activation de la transcription. Cette fonction est précisément régulée par des modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, l'acétylation, l'ubiquitination et la méthylation de plus de 50 résidus. L'homotétramérisation de la protéine p53 par le domaine de tétramerisation (DT) à la région C-terminale est indispensable à sa fonction, et son activité transcriptionnelle est régulée par la stabilité de la structure tétramérique. Le domaine de tétramérization de la protéine p53 humaine est constitué d'un brin, d'un tour et d'une hélice et est en équilibre entre le monomère et le tétramère. La régulation par des modifications post-traductionnelles dans le domaine de la tétramérization n'est pas encore claire ; il est donc nécessaire d'élucider en détail le mécanisme de régulation par des modifications post-traductionnelles. La p53 est présente dans un large éventail d'organismes, de la lamproie, qui est un vertébré précoce, aux mammifères. Bien que le rôle de p53 soit important dans l'évolution des vertébrés, la fonction de p53 et le processus d'évolution de la structure tétramérique ne sont pas clairs. En plus de l'analyse phylogénétique de la séquence, une analyse complète de la structure et de la fonction est nécessaire. Le but de cette étude était de comprendre comment la stabilité de la structure tétramérique est modifiée par des modifications post-traductionnelles et comment la DT régule l'activité et la fonction de p53. À cette fin, j'ai exploré le mécanisme de régulation de la méthylation de l'Arg et l'évolution du domaine de tétramerisation de la p53 chez les vertébrés. Cette thèse comprend cinq chapitres. Le contexte et les objectifs de l'étude sont décrits dans une introduction générale au chapitre 1. J'ai décrit la fonction suppresseur de tumeur de p53, sa structure tétramérique et son évolution chez les vertébrés. Au chapitre 2, j'ai décrit le contrôle de la fonction par méthylation de la DT p53. La fonction de la p53 est régulée par des modifications post-traductionnelles, y compris la méthylation de trois résidus Arg dans la DT. Il a été rapporté que cette méthylation par la protéine Arg méthyltransférase 5 (PRMT5) favorise l'arrêt du cycle cellulaire, mais réprime l'apoptose. Pour clarifier le mécanisme de régulation par la méthylation, j'ai effectué une analyse de la stabilité de la structure du fragment p53 méthylé et un essai de méthylation in vitro avec la PRMT5. La méthylation des résidus Arg a déstabilisé la structure oligomérique, en particulier, Arg337 a largement contribué à la déstabilisation. J'ai identifié les sites de méthylation de PRMT5 en utilisant la CLN-SM/SM et j'ai révélé une cascade de méthylation qui a commencé par la monométhylation à l'Arg335. Ces résultats suggèrent un nouveau mécanisme de régulation via la modulation de la stabilité structurelle de la DT p53. L'affinité entre l'élément de réponse du gène cible et la protéine p53 semble être élevée avec les gènes d'arrêt du cycle cellulaire et faible avec les gènes pro-apoptotiques. Lorsque p53 se lie à un élément de réponse et contrôle la transcription, l'ADN se plie. On pense que même la protéine p53 méthylée et déstabilisée peut supporter la flexion des gènes d'arrêt du cycle cellulaire parce que l'affinité est élevée, mais ne peut supporter la flexion des gènes pro-apoptotiques. Au chapitre 3, j'ai décrit l'évolution de la stabilité structurelle de la DT p53 chez les mammifères. La séquence de la DT p53 des mammifères varie de 3 à 10 résidus au sein des espèces. J'ai synthétisé le fragment de 35 résidus de la DT p53 de l'humaine, de la musaraigne arboricole, du cobaye, du hamster chinois, du mouton et de l'opossum et j'ai analysé la thermostabilité de la structure oligomérique par spectrométrie DC. La musaraigne arboricole ressemble à un écureuil mais a été classée dans un ordre indépendant ; il y a eu des substitutions de seulement quatre résidus par rapport à la variante humaine, et sa structure oligomérique s'est avérée plus stable que celle de l'humain. En analysant les mutants, il a été déterminé que la substitution à l'origine de la stabilisation était du Met354 (Gln dans la version humaine). La modélisation de l'homologie de la structure tétramérique suggère que la chaîne latérale Met située dans l'hélice C-terminale a stabilisé la structure de l'hélice de l'extrémité par la chaîne latérale Met d'une autre chaîne protéique via de nouvelles interactions hydrophobes. Récemment, la musaraigne arboricole a attiré beaucoup d'attention, car les musaraignes arboricoles sauvages boivent régulièrement et sont sensibles à l'infection par l'hépatite B, dont on pensait qu'elle n'infectait que les chimpanzés et les humains. Elle est donc maintenant utilisée comme un modèle de primate. L'aldéhyde cause des dommages à l'ADN, et il a été suggéré que la musaraigne arboricole peut maintenir l'intégrité génomique grâce à son p53 stable. Au chapitre 4, j'ai décrit une analyse plus approfondie de l'évolution de la structure, de la stabilité et de la fonction de la DT p53 chez les vertébrés. En plus de l'analyse phylogénique de l'arbre, cette étude a analysé la structure, la stabilité et la fonction. L'analyse phylogénique a montré que la DT p53 des vertébrés avait une distance d'évolution plus longue que les DT de p63 et p73, qui sont des membres de la famille p53 qui forment un tétramère de la même manière. De plus, il a été révélé que le DT p53 est plus diversifié que le domaine de liaison à l'ADN (DBD). J'ai choisi 19 espèces dont des poissons sans mâchoires, des poissons cartilagineux, des poissons à nageoires de rayons, des poissons à nageoires de lobes, des Amphibia, des Reptilia, des oiseaux et des Mammifères. Bien qu'il y ait eu des substitutions de nombreux résidus, y compris chez la lamproie, le fragment DT a formé un tétramère chez toutes les espèces. J'ai effectué une analyse de la stabilité de la structure et une analyse de l'activité transcriptionnelle de la chimère p53. La lamproie avait une stabilité structurelle et une activité faibles, et les poissons comme le poisson-zèbre avaient une activité élevée en raison d'un effet de stabilisation de la deuxième hélice dans la région C-terminale. Cependant, l'espèce de Coelacanthe atteignant l'Homme dans le but d'avancer vers la terre a gagné une stabilité qui n'était élevée que dans la première hélice. Comme une mutation du DBD affecte directement la liaison avec l'ADN et que l'évolution du DT régule indirectement l'activité de p53, on pense que la stabilité de la structure tétramérique a évolué davantage que le DBD. Au chapitre 5, j'ai décrit la conclusion globale de cette étude. Pour comprendre le mécanisme de régulation in vivo, il est très important de clarifier le mécanisme de modulation de la stabilité de la structure tétramérique de p53. Dans cette étude, il a été déterminé que la stabilité structurelle est régulée par la méthylation de la DT p53. De plus, je propose que le modèle de contrôle du choix du gène cible utilise les différences d'affinité avec l'élément de réponse et l'ajustement de la stabilité de la structure tétramérique. En outre, outre l'analyse phylogénétique de la protéine, qui est exprimée chez le vertébré entier, j'ai effectué pour la première fois une analyse de la stabilité structurelle et fonctionnelle. Les résultats suggèrent que les vertébrés se sont adaptés à l'environnement grâce à la stabilité de la DT p53, et que la p53 a joué un rôle extrêmement important dans le processus d'évolution. / Tumor suppressor protein p53 induces apoptosis and cell cycle arrest in cells that are stimulated by a variety of cellular stresses including genotoxic stress. p53 maintains genomic integrity, and its functions are the most important for resistance to cellular tumorigenesis. Mutations of TP53, which is the p53-encoding gene, are frequently found in malignant tumors. Because apoptosis is not induced in cancer cells with mutations or deletion in TP53 in response to radiation therapy or treatment with anticancer agents, the prognosis of these patients is very poor. In response to cellular stress p53 is stabilized, tetramerized, and activated to exert functions such as transcription activation. This function is precisely regulated by posttranslational modifications such as phosphorylation, acetylation, ubiquitination, and methylation of more than 50 residues. Homotetramerization of the p53 protein through the tetramerization domain (TD) at the C-terminal region is indispensable for its function, and its transcriptional activity is regulated by the stability of the tetrameric structure. The TD of human p53 consists of a β-strand, turn, and α-helix and is in equilibrium between the monomer and tetramer. The regulation by posttranslational modifications in the tetramerization domain is still unclear; thus, detailed elucidation of the regulatory mechanism through posttranslational modifications is required. p53 is found in a wide range of organisms from Lamprey, which is an early vertebrate, to mammals. Though the role of p53 is important in the evolution of vertebrates, the function of p53 and the evolution process of the tetrameric structure are unclear. As well as phylogenetic analysis of the sequence, a comprehensive analysis of the structure and the function is required. The aim of this study was to understand how the stability of the tetrameric structure is changed by posttranslational modifications and how the TD regulates p53’s activity and function. To this end, I explored the Arg methylation regulatory mechanism and the evolution of the p53 tetramerization domain in vertebrates. This thesis consists of five chapters. The background of the study and the study goals are described as a general introduction in Chapter 1. I outlined the tumor suppressor function of p53, its tetrameric structure, and its evolution in vertebrates. In Chapter 2, I described the function control by methylation of the p53 TD. p53’s function is regulated by posttranslational modifications, including the methylation of three Arg residues in the TD. It has been reported that this methylation by protein Arg methyltransferase 5 (PRMT5) promotes cell cycle arrest, but represses apoptosis. To clarify the regulatory mechanism through methylation, I carried out structure stability analysis of the methylated p53 fragment and an in vitro methylation assay with PRMT5. The methylation of the Arg residues destabilized the oligomeric structure, in particular, Arg337 had a large contribution to the destabilization. I identified PRMT5 methylation sites using nLC-MS/MS and revealed a methylation cascade that started with mono-methylation at Arg335. These findings suggest a novel regulatory mechanism via structural stability modulation of the p53 TD. The affinity between the response element of the target gene and the p53 protein appeared to be high with pro-cell cycle arrest genes and low with pro-apoptotic genes. When p53 binds to a response element and controls transcription, the DNA bends. It is thought that even methylated and destabilized p53 can endure bending of pro-cell cycle arrest genes because the affinity is high, but cannot bear bending of the pro-apoptotic genes. In Chapter 3, I described the evolution of the structural stability of the p53 TD in mammals. The sequence of the mammalian p53 TD varies in 3–10 residues within species. I synthesized the 35-residue fragment of the p53 TD of human, tree shrew, guinea pig, Chinese hamster, sheep, and opossum and analyzed the thermostability of the oligomeric structure using CD spectrometry. The tree shrew resembles a squirrel but classified independent order; there were substitutions of only four residues in comparison with the human variant, and its oligomeric structure has been shown to be more stable than the human one. By analyzing the mutants, it was determined that the substitution causing the stabilization was of Met354 (Gln in the human version). The homology modeling of the tetrameric structure suggests that the Met side chain located in the C-terminal α-helix stabilized the helix structure of the end through the Met side chain of other protein chain via new hydrophobic interactions. Recently, the tree shrew has attracted a lot of attention, as wild tree shrews drink routinely and are susceptible to hepatitis B infection, which has been thought to infect only chimpanzees and humans. Thus, it is now used as a primate-like model. Aldehyde causes DNA damage, and it has been suggested that the tree shrew can maintain genomic integrity because of its stable p53. In Chapter 4, I described more extensive analysis of the evolution of the structure, stability, and function of the p53 TD in vertebrates. As well as phylogenic tree analysis, this study analyzed structure, stability, and function. The phylogenic analysis showed that the p53 TD of vertebrates had a longer evolution distance than the TDs of p63 and p73, which are p53 family members that formed a tetramer in the same way. In addition, it was revealed that the p53 TD is more diversified than the DNA-binding domain (DBD). I chose 19 species including jawless fish, cartilaginous fish, ray-finned fish, lobe-finned fish, Amphibia, Reptilia, birds, and Mammalia. Though there were substitutions of many residues including in Lamprey, the TD fragment formed a tetramer in all species. I carried out structure stability analysis and transcriptional activity analysis of chimeric p53. Lamprey had low structural stability and activity, and fish such as Zebrafish had high activity due to a stabilization effect of the second helix in the C-terminal region. However, the Coelacanth species reaching Human aiming at an advance to the land gained stability that was high only in the first helix. Because a mutation in the DBD directly affects binding with DNA and the evolution of the TD regulates the activity of p53 indirectly, it is thought that the stability of the tetrameric structure evolved more than the DBD. In Chapter 5, I described the all-inclusive conclusion of this study. To understand the regulatory mechanism in vivo, it is very important to clarify the stability modulation mechanism of the p53 tetrameric structure. In this study, it was determined that structural stability is regulated by the methylation of the p53 TD. Furthermore, I propose that the target gene choice control model uses the differences in the affinity with the response element and adjustment of the tetrameric structure stability. Furthermore, as well as phylogenetic analysis of the protein, which is expressed in the whole vertebrate, I performed structural stability and functional analysis for the first time. The results suggest that vertebrates adapted to the environment via the stability of the p53 TD, and p53 played an extremely important role in the evolution process.

L’immunosuppression a permis d’améliorer l’incidence du rejet aigu sans toutefois améliorer significativement le rejet chronique. Celui-ci est caractérisé par une vasculopathie du greffon (VG) similaire à une forme accélérée d’athérosclérose native accompagnée de fibrose. La pathophysiologie de la VG découle de l’hypothèse de réponse à l’insulte proposée par Russell Ross en 1977. Selon son postulat, l’endothélium stressé par des facteurs immunologiques et non immunologiques initie l’apoptose endothéliale suivi d’une réponse de réparation vasculaire via un épaississement myo-intimal aux sites d’insultes. Toutefois, lorsque les stress endothéliaux initiaux demeurent soutenus, l’apoptose endothéliale et la réponse de réparation perpétuent. Compte tenu que l’inhibition de l’apoptose endothéliale bloque le développement de la VG in vivo, notre hypothèse de travail reposait sur les répercussions paracrines de l’apoptose endothéliale sur les types cellulaires participant au remodelage vasculaire. Nous avons généré un système expérimental in vitro afin d’induire l’apoptose endothéliale en absence significative de nécrose cellulaire. À l’aide d’une approche protéomique multidimensionnelle et comparative, nous avons démontré que les cellules endothéliales apoptotiques exportent spécifiquement 27 signaux post mortem (SPM). Nous avons démontré que certains de ces SPM ont des propriétés anti-apoptotiques (TCTP et EGF), d’autre fibrogénique (CTGF), récapitulant ainsi certains phénotypes cellulaires associés au développement de la VG. Parmi les médiateurs identifiés, 16 n’avaient pas de signal de sécrétion, incluant TCTP, suggérant que des mécanismes de sécrétion non conventionnels soient favorisés durant l’apoptose. Nous avons démontré que la caspase-3 effectrice régule la voie de sécrétion non classique exosomiale associée à l’export extracellulaire de nanovésicules TCTP+VE, anti-apoptotiques et biochimiquement distinctes des corps apoptotiques. Finalement, l’ensemble des données protéomiques ont permis d’émettre l’hypothèse qu’en réponse à un stress apoptotique, la cellule exporte différents médiateurs (solubles et vésiculaires) de manière non conventionnelle nécessitant la fusion d’organelles de la voie endocytaire et autophagique avec la membrane plasmique. Ce mécanisme serait régulé durant la phase effectrice de l’apoptose permettant ainsi d’initier une réponse de réparation extracellulaire seulement lorsque le destin cellulaire a atteint un point de non retour. Ainsi, le testament protéique et nanovésiculaire légué durant l’apoptose endothéliale pourrait servir simultanément de biomarqueur de la VG et de cible thérapeutique afin de diminuer le remodelage vasculaire pathologique. / Immunosuppression regiments improved steadily the incidence of acute rejection with minimal positive effects on chronic rejection. The latter is characterized by a transplant vasculopathy (TV) similar to native atherosclerosis, accompanied with fibrosis throughout the vascular wall of the allograft. The pathophysiology associated to TV arose from pionnering work of Russell Ross in 1977. He proposed the 'Response to Injury' hypothesis revealing that endothelium injury initiated by immunological and non immunological factors favors a vascular repair response through neo-intima thickening at the sites of cellular injury. However, when endothelial insult is maintained, apoptosis ensues and the vascular repair process perpetuates. Since inhibition of endothelial apoptosis prevents TV development in vivo, we hypothesized that endothelial apoptosis regulates the vascular repair process through a paracrine program active on the cellular components of the vessel wall. We have generated an in vitro experimental system to induce endothelial apoptosis in absence of necrosis. Using a multifunctional and comparative proteomic approach, we have identified 27 post mortem signals (PMS) specifically exported by apoptotic endothelial cells. Some of these PMS display anti-apoptotic function (TCTP and EGF), whereas CTGF was identified as a fibrogenic factor, recapitulating the cellular events associated to the development of TV. Interestingly, 16 of these SPM did not contain a peptide signal, suggesting that non conventional secretion mechanisms could be favored during the effector phase of apoptosis. We demonstrated that activated caspase-3 regulates the exosomal secretion pathway associated to the export of nanovesicles TCTP +ve, anti-apoptotic and biochemically different from apoptotic blebs. Finally, the overall proteomic data generated a new hypothesis suggesting that in response to apoptotic stress, the cell exports different mediators (soluble and vesicular) by non conventional mechanism through the fusion of endocytic organelles and autophagic vacuoles with the plasma membrane, releasing their content into the extracellular milieu. This mechanism should be regulated during the effector phase of apoptosis favoring a vascular repair response only when cell’s demise reaches a point of no return. Therefore, these PMS could be used both as biomarkers of apoptosis or as biopharmaceutical targets to decrease the incidence of chronic vascular repair.

L’excès des particules de LDL dans le sang constitue un facteur de risque majeur dans le développement des maladies cardiovasculaires. Dans ce contexte, nous étudions la protéine PCSK9 qui favorise directement ce facteur de risque. Cette protéine est sécrétée en majorité au niveau du foie par les hépatocytes et possède la capacité de reconnaître et de lier le récepteur LDLR. Le rôle premier de ce dernier est d’éliminer les particules de LDL circulant dans le plasma. Ainsi, lorsque la PCSK9 forme un complexe avec le LDLR et l’amène à la dégradation, la conséquence directe de la diminution des ces récepteurs est une accumulation malsaine des particules LDL dans le plasma. L’importante implication de la PCSK9 dans le métabolisme des lipides nous a menés vers des recherches de caractérisation de cette protéine ainsi que dans l’étude de son mode d’action. La PCSK9 est composée de trois domaines et notre intérêt s’est porté sur l’étude structure-fonction des deux domaines dont la fonction était inconnue, soit le domaine en N-terminal : le prodomaine et de son domaine en C-terminal : CHRD. Le premier article présenté dans cette thèse révèle l’importance d’une région acide (acide aminés 33-58) régulatrice de l’activité de la PCSK9 localisée en N-terminal du prodomaine ainsi que l’effet du pH acide, équivalent à celui des endosomes tardifs, qui accroît la capacité de la PCSK9 à induire la dégradation du LDLR. Le deuxième article dissèque davantage la structure de la PCSK9 et met en lumière la différence des prérequis structurels de la région ‘’Hinge’’ ainsi que du module M2, composant du domaine CHRD, dans la voie intracellulaire et la voie extracellulaire d’activité de la PCSK9. La mutation R434W localisée dans la région ‘’Hinge’’ résulte dans une inhibition totale de l’activité intracellulaire de la PCSK9 tandis que son activité extracellulaire est réduite à ~70%. Contrairement, la perte du module M2 du domaine CHRD est bien tolérée par la PCSK9 lors de son activité intracellulaire mais totalement inhibitrice pour son activité extracellulaire. Le troisième article se distingue en présentant une nouvelle stratégie d’inhibition de l’activité de la PCSK9 en utilisant une chimère composée de la fraction Fc de l’immunoglobuline IgG1 humaine couplée avec le prodomaine de la PCSK9. La protéine fusion Fcpro lie directement la PCSK9, crée un encombrement structurel qui résulte dans une régulation négative l’activité de la PCSK9. En résumé, nous présentons dans cette thèse, trois manuscrits qui apportent une contribution à la connaissance des composantes structurelles de la PCSK9 et leur implication dans le rôle de la protéine en tant que régulateur négatif du LDLR. / Hypercholesterolemia is one of the major risk factors leading to cardiovascular disease. In this context, we focused our study on a protein that directly influences hypercholesterolemia: PCSK9. Since 2003, the coding gene for PCSK9 has been identified as the third locus responsible for familial hypercholesterolemia (FH3). PCSK9 is a protein secreted mostly from the liver by hepatocytes and has the capacity to recognize, bind and direct to degradation the LDLR receptor. The latter is responsible for the elimination the LDL particles from the plasma. The direct consequence of the LDLR degradation induced by PCSK9 is the harmful accumulation of the bad cholesterol in the blood. Since PCSK9 activity has undesirable consequences on lipid metabolism homeostasis, we directed our research to characterize this protein to better understand its mechanism of action. Three domains compose PCSK9 structure and we focused on the ‘’structure-function study’’ of two domains, of which roles were still unknown: the prodomain located at the N-terminal extremity and the CHRD domain at the C-terminus of PCSK9. The first manuscript presented in this thesis brings to light the importance of the acidic N-terminal sequence of the prosegment (amino acids 33-58) and its effect on the activity of PCSK9. It also presents a novel mechanism for fine-tuning the activity of PCSK9, which is enhanced at acidic pHs close to those of late endosomes. The second manuscript dissects further the PCSK9 structure, revealing that the structural requirements of the hinge and the M2 module located in the CHRD domain are not the same for the intracellular and extracellular pathways of PCSK9-induced LDLR degradation. Although the R434W natural mutation in the hinge region is absolutely deleterious for the intracellular activity of PCSK9, it reduces by ~70% the extracellular one. In contrast, the loss of M2 module of the CHRD domain is tolerated for the intracellular activity of PCSK9 but not for the extracellular one. The third manuscript demonstrates for the first time that a chimera containing the prosegment (Fcpro) directly binds PCSK9 and effectively acts as a negative regulator (inhibitor) of its ability to induce LDLR degradation. Our work presents a new strategy to develop such inhibitors by interfering with the structure of PCSK9 and exploiting the properties of the PCSK9 prosegment and the advantage of its fusion to a humanized Fc of IgG1. In summary, the present research data sheds new light on the functional contribution of the prodomain and the CHRD domain of PCSK9.

Les protéines amyloïdes sont retrouvées sous forme de fibres dans de nombreuses maladies neurodégénératives. En tentant d’élucider le mécanisme de fibrillation, les chercheurs ont découvert que cette réaction se fait par un phénomène de nucléation passant par des oligomères. Il semblerait que ces espèces soient la principale cause de la toxicité observée dans les cellules des patients atteints d’amyloïdose. C’est pourquoi un intérêt particulier est donc porté aux premières étapes d’oligomérisation. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à une séquence d’acide aminé fortement hydrophobe de l’α-synucléine appelée composante non β -amyloïde (Non-Amyloid β Component ou NAC). Cette dernière est retrouvée sous forme de fibres dans les corps et les neurites de Lewy des patients atteints de la maladie de Parkinson. De plus, elle constitue une composante minoritaire des fibres impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons observé les changements structuraux qui ont lieu pour le monomère, le dimère et le trimère de la séquence NAC de l’α-synucléine. Nous nous sommes aussi intéressés aux conséquences structurelles observées dans des oligomères hétérogènes qui impliqueraient, Aβ1−40. Pour cela nous utilisons des dynamiques moléculaires, d’échange de répliques couplées au potentiel gros-grain, OPEP. Nous constatons une disparition des hélices α au profit des feuillets β , ainsi que le polymorphisme caractéristique des fibres amyloïdes. Certaines régions se sont démarquées par leurs capacités à former des feuillets β . La disparition de ces régions lorsque NAC est combinée à Aβ laisse entrevoir l’importance de l’emplacement des résidus hydrophobes dans des structures susceptibles de former des fibres amyloïdes. / Amyloid proteins are found in fiber form in many neurodegenerative diseases. In attempting to elucidate the mechanism of fibrillation, researchers have found that fibril formation occurs by a nucleation mechanisms involving oligomers. It seems, in particular, that the latter species are responsible for the toxicity observed in the cells of patients suffering from amyloidosis. That is why special interest is focused in the early stages of oligomerization. In this this work, we focus on a highly hydrophobic amino acid sequence of the α-synuclein called Non-Amyloid β Component (NAC). The NAC is recovered in the form of fibers in the body and Lewy neurites in patients with Parkin- son’s disease. Moreover, it is a minority component of the fibers involved in Alzheimer’s disease. In particular, we observe the structural changes taking place for the monomer, dimer and trimer of the NAC region of α-synuclein. We are also interested in the structural consequences observed in heterogeneous oligomers which involve Aβ1−40. We use Hamiltonian and temperature replica exchange molecular dynamics (HT-REMD) simulations combined with the coarse-grained OPEP potential. We observe a loss of α-helices in favor of β -strands and the characteristic polymorphism of amyloid fibers. We also find that some regions are distinguished by their ability to form β -strands. The disappearance of these regions when combined Aβ with NAC suggests the importance of the location of hydrophobic residues in amyloid fibers structures.