En bioinformatique structurale, une partie des méthodes computationnelles qui calculent les structures de protéines à l'aide de données expérimentales, effectuent une optimisation de la position des atomes sous les contraintes expérimentales mesurées sur le système étudié, ainsi que sous des contraintes provenant de la connaissance générique de la stéréochimie organique. Ces méthodes d'optimisation présentent l'inconvénient de ne pas garantir la détermination de la meilleure solution. De plus, la validation de l'optimisation se fait en comparant les résultats obtenus pour des calculs répétés, et le résultat d'un calcul est accepté dans la mesure où le même résultat est obtenu plusieurs fois. Par cette approche, on rend plus difficile la détection de conformations alternatives de protéines, qui sont pourtant le sujet d'un vif intérêt dans la littérature. En effet, le développement de la sensibilité des techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) a permis de mettre en évidence plusieurs cas d'échange conformationnel reliés à la fonction des protéines. Dans ce projet de thèse, nous avons étudié une nouvelle approche pour le calcul de structures des protéines et l'exploration de leurs espaces conformationnels, basée sur la résolution du problème de Géométrie de Distance associé aux contraintes de distances dans une protéine par l'algorithme "interval Branch and Prune". Le logiciel implémentant cette méthode est appelée iBPprot, il incarne l'une des premières tentatives d'échantillonnage exhaustive des espaces conformationnels des protéines. Dans un premier temps, on s'est intéressé à l'application de la méthode en utilisant exclusivement des constraintes de distances exactes. Les résultats ont démontré que iBPprot était capable de reconstruire des structures références en s'appuyant seulement sur quelques contraintes à courte portée. De plus, la reconstruction a été d'une précision telle que la conformation générée présentait un RMSD de 1 Angstrom maximum avec la structure référence. L'exploration exhaustive de l'espace conformationnel a été possible pour une bonne partie des protéines cibles. Les temps de calcul pour l'exploration des espaces conformationnels ont été très variables allant de quelques secondes pour quelques protéines jusqu'à des semaines pour d'autres. L'évaluation de la qualité des structures obtenues a démontré qu'au moins 68% des valeurs de phi et psi sont localisées dans la zone 'core' du diagramme de Ramachandran. Cependant, des clash stériques ont été détectées dans plusieurs conformations mettant en jeu jusqu'à 7% d'atomes dans quelques unes de ces conformations. Dans un deuxième temps, on s'est intéressé à l'application de la méthode en incluant des intervalles de distances comme contraintes dans les calculs. Dans ce cas de figure, la méthode a réussi a reconstruire des structures références avec un RMSD inférieur à 5 Angstrom pour plus de la moitié des protéines cibles. En contre partie, le parcours complet de l'espace conformationnel n'a été possible que pour la plus petite protéine de l'ensemble des protéines étudiées. Pour la moitié des autres protéines, plus de 70% des atomes ont vu leurs positions échantillonnées. La qualité des structures obtenues a regressé en comparaison avec les simulations faites avec des distances exactes. En effet, seulement 53% des valeurs de phi et psi étaient localisées dans la zone 'core' du diagramme de Ramachandran, et le pourcentage d'atomes impliqués dans un clash stérique s'élevait jusqu'à 22% pour quelques protéines. Concernant le temps de calcul, le taux de génération de conformations a été déterminé pour chaque protéine cible, et il s'est avéré que globalement sa valeur etait compétitive par rapport aux valeurs des taux observables dans la littérature... / Structural biology has allowed us expand our knowledge of living organisms. It is defined as the investigation of the structure and function of biological systems at the molecular level. Studying a biomolecule's structure offers insight into its geometry, as angles and distances between the biomolecule's atoms are measured in order to determine the biomolecular structure. The values of these geometrical parameters may be obtained from biophysical techniques, such as X-ray crystallography or nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. One of the most used methods to calculate protein structures from geometric restraints is simulated annealing. This method does not guarantee an exhaustive sampling of protein conformational space, which is a shortcoming as one protein may adopt multiple functional conformations, and it is important to determine them exhaustively. In this PhD project, the efficiency of a new method - derived from operations research and computational geometry - is studied in order to answer this question: How does this method explore the conformational spaces of small proteins? This method - implemented within the iBPprot software framework - treats protein structure determination as a distance geometry problem, which the interval branch-and-prune algorithm tries to solve by the full exploration of its solutions space. The results obtained by iBPprot on a set of test proteins, with sizes ranging from 24 to 120 residues and with known structures, are analyzed here. Using short-range exact distance restraints, it was possible to rebuild the structure of all protein targets, and for many of them it was possible to exhaustively explore their conformational spaces. In practice, it is not always possible to obtain exact distance restraints from experiments. Therefore, this method was then tested with interval data restraints. In these cases, iBPprot permitted the sampling of the positions of more than 70% of the atoms constituting the protein backbone for most of the targets. Furthermore, conformations whose r.m.s. deviations closer than 6 Angstrom to the target ones were obtained during the conformational space exploration. The quality of the generated structures was satisfactory with respect to Ramachandran plots, but needs improvement because of the presence of steric clashes in some conformers. The runtime for most performed calculations was competitive with existing structure determination method...

La reconnaissance moléculaire joue un rôle central dans tous les processus biologiques ainsi que dans le développement de nouvelles biotechnologies. Depuis les 60 dernières années, deux mécanismes de reconnaissance moléculaire ont permis de décrire le couplage entre la liaison et le changement conformationnel observé chez les biomolécules. Le mécanisme par ajustement induit a lieu lorsque le ligand se lie à l'état inactif de la biomolécule et induit un changement de conformation vers la forme active. Le mécanisme par sélection conformationnelle, quant à lui, a lieu lorsque le ligand se lie directement à l'état spontanément actif de plus faible population et le stabilise, déplaçant ainsi la population de biomolécule vers cet état. Bien que nous connaissons des exemples de protéines qui fonctionnent selon chacun de ces mécanismes, nous ne comprenons pas encore les différences entre les performances de ces mécanismes ni les déterminants moléculaires qui leur donnent lieu. Une compréhension approfondie de ces mécanismes nous permettrait de mieux comprendre pourquoi certaines protéines ont évolué selon un mécanisme en particulier ainsi que de s'inspirer de ces mécanismes pour le développement de biotechnologies finement régulées. Jusqu'à aujourd'hui, ces deux mécanismes ont exclusivement été étudiés dans le contexte des biomolécules naturelles, principalement des protéines, dont la complexité dynamique et structurale rend difficile la comparaison et la manipulation individuelle des différents paramètres thermodynamiques. Il est donc particulièrement ardu de caractériser le rôle de chacun de ces paramètres quant à la sélection et la performance de ces mécanismes. Pour contourner ces limitations expérimentales, nos travaux de recherche se sont intéressés à recréer ces mécanismes à l'aide d'interrupteurs d'ADN fluorescents pour lesquels il est possible de prédire et de modifier la structure et les propriétés thermodynamiques ainsi que d'en mesurer l'activation en temps réel. Ce faisant, il a été possible d'observer que le mécanisme par ajustement induit est obtenu lorsque le site de liaison est partiellement accessible dans l'état inactif. Nous avons aussi observé que ce mécanisme permet une activation et une désactivation jusqu'à 10 000 fois plus rapide que la sélection conformationnelle, qui par contraste, donne lieu à une activation plus lente ainsi qu'à un maintien prolongé de l'activation. Ces différences cinétiques suggèrent ainsi un rôle évolutif distinct pour chacun et laissent envisager des applications en biotechnologies pour l'optimisation de la cinétique. / Molecular recognition plays a central role in almost every biological and biotechnological process. Over the last 60 years, two molecular recognition mechanisms have been used to appropriately describe the coupling between binding and conformational change in biomolecules. The induced fit mechanism takes place when ligand binding to the inactive state of the biomolecule induces the conformational change leading to the active state. On the other hand, in the conformational selection mechanism, where active and inactive states exist in equilibrium, the ligand binds selectively to the active state of the biomolecule and shifts the equilibrium towards this state by stabilizing it. Even though these mechanisms have been widely studied, it is still unclear if they differ in performance or how each mechanism can be modulated. Such a fundamental understanding of the differences between these mechanisms would shed light on the reasons for an apparent selective pressure driving the use of a specific mechanism for a given biomolecule and would also allow us to engineer new biomolecules which would benefit from the strengths of these mechanisms. To date, both mechanisms have been exclusively studied in the context of naturally occurring biomolecules, mainly proteins, whose structural and dynamic complexity as well as diversity seem to prevent comparison and manipulation of specific and individual thermodynamic parameters. Consequently, only little progress has been made towards characterizing the role of certain key thermodynamic parameters on the selection and performance of the mechanism. To circumvent this limitation, we have reproduced these mechanisms using simple fluorescent DNA constructs allowing for reliable prediction and variation of both structure and thermodynamics as well as real time monitoring of the activation process in presence of a DNA target. These DNA "switches" allowed us to determine that an induced fit mechanism occurs when the binding site is partially available in the inactive state and that this mechanism allows for a faster activation and deactivation (up to four orders of magnitude) compared to a conformational selection mechanism, which in contrast corresponds to a slower activation and deactivation, leading to a longer activation period. The observed kinetic differences between these mechanisms points towards potential uses for both in different areas of biotechnology as well as some rationale behind evolution favoring one mechanism over the other for a given protein.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse présente une étude expérimentale et théorique de petites chaines peptidiques modèles en phase gazeuse. Le premier objectif de ce travail consistait à déterminer les conformations préférentiellement adoptées par ces molécules isolées, en vue d’obtenir des informations sur les interactions intra- et inter-moléculaires intervenant dans ces systèmes flexibles. La stratégie expérimentale utilisée associait la vaporisation laser à une détente supersonique et reposait sur la spectroscopie laser de double résonance IR-UV. L’attribution finale des structures a ensuite été réalisée par comparaison des spectres expérimentaux à des spectres issus de calculs de chimie quantique au niveau DFT-D. Dans un deuxième temps, il s’agissait d’étudier la dynamique de relaxation électronique de ces systèmes par spectroscopie pompe-sonde et mesures de fluorescence, et en particulier la dépendance de celle-ci avec la structure secondaire des peptides modèles. La question de la population conformationnelle de molécules flexibles en phase gazeuse est un sujet délicat et bien souvent éludée car les distributions observées expérimentalement résultent d’un passage hors équilibre lors de la détente supersonique, définissant ainsi une température conformationnelle effective. Un modèle statistique a été développé, décrivant le refroidissement et les isomérisations subis durant la détente par une molécule. Les résultats de ces modélisations reproduisent les tendances d’évolution des rapports d’abondances entre conformations observés expérimentalement et permettent de fournir des ordres de grandeurs relatifs aux processus mis en jeu (nombre de collisions efficaces, trajectoire dans la détente après désorption, températures finales) ainsi qu’une meilleure compréhension des processus de refroidissement et de relaxation conformationnelle. Les études conformationnelles ont été appliquées à deux systèmes modèles choisis pour étudier des interactions structurantes intervenant dans les protéines : les interactions protéines-solvant et les interactions hydrophobes. L’étude des complexes (Ac­Phe­NH₂ : H₂O) et (Ac­Phe­NHMe : H₂O) ont permis d’identifier les sites de solvatation préférentiellement occupés par une molécule d’eau et ainsi de proposer des mécanismes de formation des complexes dans la détente supersonique. Le rôle structurant très fort des interactions hydrophobes entre chaînes latérales aromatiques a pu être mis en évidence en étudiant deux peptides modèles contenant un enchainement de plusieurs acides aminés phénylalanine : Ac­Phe­Phe­NH₂ et Ac­Phe­Phe­Phe­NH₂. L’étude des dynamiques de relaxation du premier état excité ππ*, réalisée sur divers peptides modèles, a permis de démontrer la présence d’effets conformationnels importants. Des calculs de chimie quantique (TDDFT et CC2) réalisés sur les systèmes Ac-Phe NH₂ et Ac-Phe NHMe ont montré que cet effet pouvait être expliqué par un transfert d’excitation depuis le cycle aromatique présent sur la chaîne latérale vers les liaisons peptidiques de la chaine principale. Enfin, l’ajout d’une molécule d’eau sur le peptide Ac-Phe NH₂ semble ouvrir de nouvelles voies ultrarapides de relaxation non-radiative. / The very good spectral resolution of laser spectroscopy achieved in the gas phase is a powerful tool to study the folding properties and the hydrogen bonding network of flexible molecules such as small peptide chains. The experimental strategy used in this work to determine the structural properties of these systems is based on IR-UV double resonance spectroscopy and combines laser vaporisation with a supersonic expansion. The final assignment then requires a comparison between experimental spectra and DFT-D calculations. The conformational selectivity brought by gas phase laser spectroscopy also makes it possible to study the dependence of the dynamics of relaxation of electronic excited states of model peptides with their secondary structure by using pump-probe methods or fluorescence detection. The issue of the conformational population of flexible molecules cooled in a supersonic expansion is a difficult issue, often disregarded due to the nonequilibrium processes that control the distributions experimentally observed. A statistical model was developed in order to describe this collisional cooling and the isomerizations experienced by one molecule during the expansion. These calculations were consistent with the experimental trends in the population ratios between conformations, they have provided orders of magnitude for the different processes involved (number of collision, trajectory in the expansion after desorption, final temperatures) and a better understanding of the cooling processes and the conformational relaxation. The conformational studies have been applied to two model systems selected to investigate structural interactions involved in proteins: protein-solvent interactions and hydrophobic interactions. The microhydrated protected phenylalanines (Ac­Phe­NH₂ : H₂O) and (Ac­Phe­NHMe : H₂O) were used to locate the solvation sites preferentially occupied by a water molecule, which then helped to propose a mechanism for the formation of hydrates in the supersonic expansion. The strong structuring properties of hydrophobic interactions between aromatic side chains has been revealed by studying two model peptides containing a sequence of phenylalanine amino acids: Ac­Phe­Phe­NH₂ and Ac­Phe­Phe­Phe­NH₂. A comparative study of the relaxation dynamics of the first ππ* excited state performed on various model peptides has demonstrated the existence of a strong conformational effect. TDDFT and CC2 calculations carried out on the protected phenylalanines have shown that this effect could be explained by an excitation transfer from the aromatic ring of a side chain toward a peptide bond of the backbone. Finally, adding a water molecule to the protected phenylalanine is also found to open new ultrafast channels of nonradiative deactivation.

La NADPH cytochrome P450 réductase (CPR) est une flavoprotéine multidomaines appartenant à la famille des diflavines réductases et un des composants essentiels du système redox des cytochromes P450. La CPR est formée de deux domaines catalytiques contenant des groupements prosthétiques FAD et FMN et d'un domaine de connexion. Le domaine FAD reçoit deux électrons du NADPH et les transfère un par un au domaine FMN, qui, à son tour, les transfère aux accepteurs. Le transfert d’électron du FMN vers les accepteurs nécessite un déplacement du domaine FMN par rapport au reste de la molécule. Au fils des années, les études structurales menées sur la CPR ont mis en évidence la réorganisation structurale et l’arrangement des domaines dans cette protéine. Cependant, les résultats de ces analyses ne fournissent pas d’informations concernant la vitesse à laquelle les mouvements des domaines de la CPR s’effectuent et n’incluent toujours pas les paramètres qui induisent le changement conformationnel ainsi que l'influence de ces changements sur l’activité catalytique de la CPR.Le projet de cette thèse a consisté à apporter de nouveaux éléments de compréhension sur la relation entre les changements conformationnels de la CPR et son cycle catalytique. La première partie de ce travail a porté sur le développement de stratégies de préparation au marquage des domaines catalytiques de la CPR, destinés à l’étude dynamique de cette protéine par le FRET. Différentes stratégies ont été envisagées parmi lesquelles l’incorporation de p-acétyle phénylalanine sur des positions définies dans la CPR. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l’étude dynamique de la CPR via des techniques de RMN et SAXS combinées à des approches biochimiques. Les expériences menées ont permis de caractériser en solution et en absence de NaCl, la présence d’un état rigide, globulaire en conformation fermée dans laquelle les domaines FMN et FAD sont maintenus « verrouillés » par des interactions à l’interface entre ces deux domaines. L’augmentation de la concentration en NaCl permet une transition de cet état « verrouillé » vers un état plus ouvert pour lequel il n’y a plus d’interface entre les domaines FAD et FMN. L’état « déverrouillé » de la CPR correspond à un équilibre dynamique entre un ensemble de conformations en échange rapide. Cet équilibre est contrôlé par la force ionique et l’activité catalytique de la CPR est maximale lorsque les états verrouillés et déverrouillés sont également peuplés. Le modèle cinétique proposé par nos études a permis de mettre en évidence un lien direct entre la dynamique des domaines et l’activité du transfert d’électron au cours de cycle catalytique de la CPR. / NADPH cytochrome P450 reductase (CPR) is a multidomain flavoprotein that belongs to the diflavines reductase family. It is an essential component of redox system delivering electrons for cytochrome P450. CPR is composed of two catalytic domains containing FAD and FMN prosthetic groups and a connecting domain. FAD domain receives two electrons from NADPH and transfers them one by one to the FMN domain, which in turn transfers them to the acceptor. The electron transfer from FMN to the acceptor requires a large domain movement. Over the years, structural studies of CPR have highlighted the reorganization and arrangement of domains in this protein. However, the results of these analyses do not provide any information about how fast the domains movements takes place in CPR, and do not always include the parameters that induce conformational change as well as influence of those changes on the catalytic activity of the CPR. This thesis aims to bring new elements of comprehension on the relationship between conformational changes in CPR and its catalytic cycle. The first part of the work concerned the development of strategies to label the catalytic domains of CPR, a prerequisite for the dynamic study of this protein by FRET. Different strategies have been proposed including the incorporation of p-acetyl phenylalanine at defined positions in CPR. The second part of this work is devoted to the dynamic study of CPR through a combined SAXS, NMR and biochemical approaches. The experiments conducted allowed to characterize the presence of a rigid and globular state of closed conformation for CPR, in solution and in the absence of NaCl. In this conformation the FMN and FAD domains are kept "locked" by interface interactions between these two domains. Increasing the NaCl concentration permits the transition from the "locked" stats to an open conformation in which there is no more interface between the FAD and FMN domains. The "unlocked" state of CPR is a dynamic equilibrium between ensembles of conformations in fast exchange. This equilibrium is controlled by the ionic strength and CPR presents its maximum catalytic activity when the locked and unlocked states are equally populated. We proposed a kinetic model which allows demonstrating a direct link between the domain movement and electron transfer activity during the catalytic cycle of CPR.

Près de 40% des protéines présentes dans les cellules sont prédites partiellement ou complètement désordonnées. Ces protéines dépourvues de structure tridimensionnelle à l'état natif sont impliquées dans de nombreux mécanismes biologiques, la flexibilité jouant un rôle moteur dans les mécanismes de reconnaissance moléculaire. La prise en considération de l'existence de flexibilité au sein des protéines et des interactions protéines-protéines a nécessité le renouvellement de nos connaissances, de notre appréhension des fonctions biologiques ainsi que des approches pour étudier et interpréter ces phénomènes. La méthode retenue pour étudier ces transitions conformationnelles est la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Elle dispose d'une sensibilité unique, d'une résolution à l'échelle atomique et permet par diverses expériences d'accéder à l'ensemble des échelles de temps définissant les mouvements de ces protéines. Nous combinons ces mesures expérimentales à un modèle statistique représentant l'ensemble du paysage énergétique des protéines désordonnées : la description par ensemble explicite de structures. Ce modèle est une représentation discrète des différents états échantillonnés par ces protéines. Il permet, combinant les déplacements chimiques, les couplages dipolaires et la relaxation paramagnétique, de développer une description moléculaire de l'état déplié en caractérisant à la fois l'information locale et l'information à longue portée présente dans les protéines intrinsèquement désordonnées. / Around 40% of the human genome does not fold into stable three-dimensional structures but are either unfolded, or contain unfolded regions of significant length. The inherent flexibility of this class of proteins is essential for their function in a vast range of biomolecular process such as molecular recognition. In order to take into account the specificity of these interactions, it has been necessary to invent new approaches to study and interpret their behaviour. Nuclear magnetic resonance spectroscopy is a unique atomic resolution probe which is sensitive to a very large range of time scales. We combine experimental NMR data with a statistical model describing the energy landscape of unfolded state : the explicit ensemble description. This model is a discrete representation of the different states of theses proteins. Combining chemical shifts, residual dipolar couplings and paramagnetic relaxation enhancement, it is then possible to develop a molecular description of the unfolded state caracterising both the local and long-range information of intrinsically disordered proteins.

La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'inhibition des glycosidases. Ces enzymes sont impliquées dans de très nombreux processus biologiques et, par voie de conséquence, dans de nombreuses maladies (diabète, cancer, maldadies lysosomales etc...). Outre l'intérêt de développer de nouveaux médicaments, les glycosides hydrolases font aussi figure de cibles de choix pour étudier les itinéraires conformationnels au cours de l'hydrolyse de la liaison glycosidique et en particulier au niveau de l'état de transition. La mise en parallèle de l'importance de l'orientation des liaisons C2-O2 et C3-O3 dans la stéréosélectivité des réactions de b-mannopyranosylation dirigées par les groupements 4,6-O-benzylidène, avec le rôle des interactions avec la liaison C3-O3 dans la catalyse enzymatique pour les b-mannosidases, nous a conduits à nous intéresser au développement de nouveaux glycoimidazoles, potentiellement inhibiteurs de ces enzymes. Nous nous sommes attachés à développer ce type de molécules car ils sont considérés, à l'heure actuelle, comme les meilleurs mimes de l'état de transition. La catalyse par les b-mannosidases passerait par un état de transition de type B2,5. Ce chemin conformationnel semble inhabituel mais serait le plus approprié au développement du caractère de double liaison entre le carbone anomérique et l'oxygène endocyclique ainsi qu'à la charge positive lorsque le système est proche de l'état de transition. De plus, il semblerait que la conformation B2,5 soit aussi privilégiée pour les a-mannosidases, ce qui renforce l'intérêt thérapeutique de synthétiser de nouveaux inhibiteurs de glycosidases. La stratégie de synthèse s'appuie sur des travaux de Vasella. Elle repose sur la construction du squelette bicyclique des tétrahydroimidazopyridines, via une réaction de cyclisation intramoléculaire d'oxoéthylamidines intermédiaires, qui permet d'obtenir de nouveaux glycoimidazoles en une quinzaine d'étapes. Dans la seconde partie, sont exposés les travaux concernant la préparation et l'utilisation en synthèse de glutaconaldéhydes oxydés en position 2 et de N-acylaminopentadiènals. Après avoir rappelé l'importance des glutaconaldéhydes et des aminopentadiènals dans les hypothèses de biogenèse des alcaloïdes marins de la famille des manzamines, nous avons vu que ces espèces pouvaient être considérés comme des intermédiaires possibles pour la synthèse d'alcaloïdes marins de la famille des pyrrole-2-aminoimidazoles (P-2-AI). La nouvelle méthode de préparation des sels de glutaconaldéhydes nous a permis de synthétiser un glutaconaldéhyde oxydé en position 2 et de commencer à étudier la réactivité des 2-alkoxy-N-acylaminopentadiènals. Le dernier chapitre de cette partie traite d'une méthode de préparation de N-acyl-5-aminopenta-2,4-diènals via l'ouverture de furfurylamines N-acylées développée en parallèle avec les travaux précédemment cités.

La complexité du vivant est omniprésente à toutes les échelles : des interactions entre molécules individuelles aux réseaux d'interactions permettant à la cellule d'assurer ses fonctions vitales et de répondre aux stimuli. Cette thèse se veut être une application des outils de l'Automatique et de l'Informatique à certaines questions de la Biologie et Biochimie.<br />Pour cela, nous avons abordé le problème via deux aspects : le premier concerne la modélisation des interactions moléculaires en vue de prédire les modes de fixation et les affinités entre molécules. Puisque ces estimations nécessitent de considérer la flexibilité des acteurs, nous avons abordé, en premier lieu, la prédiction des conformations moléculaires qui reste un challenge majeur, caractérisé par ses aspects multimodal et de grandes dimensions. Nous avons alors développé une suite d'heuristiques autour d'un algorithme génétique central. Les paramètres de contrôle et les stratégies d'hybridation sont pilotés par un méta-algorithme permettant d'optimiser la recherche. En outre, des stratégies innovantes de parallélisation sur grilles d'ordinateurs ont été validées afin de réduire les temps de calculs. Enfin, pour entreprendre l'étude des conformations de plusieurs molécules, nous avons développé des algorithmes de criblage rapides basés sur la comparaison d'indices topologiques.<br />Nous avons également étudié un autre aspect en modélisant formellement certains graphes d'interactions, ceci à une toute autre échelle : celle des concentrations des molécules. Nous avons alors mis en évidence l'impact des modes d'interactions moléculaires sur la dynamique globale.

Cette thèse a pour but de développer le pendant in silico des étapes clés du Fragment-Based Drug Design (FBDD), et ce dans le cadre plus général du développement de l'outil S4MPLE. Le FBDD génère des ligands drug-like à partir de petites molécules (fragments). Après une étape de validation de S4MPLE et de sa fonction d'énergie, un recentrage autour du FBDD est réalisé, à travers le docking puis l'optimisation virtuelle de fragments par growing ou linking (G/L). Cette stratégie reposesur 1) la création d'une chimiothèque focalisée en connectant un ou deux fragment(s) avec des linkers pré-générés, et 2) l'échantillonnage avec S4MPLE des composés chimères dans le site avec des contraintes. Des simulations de G/L plus ou moins ambitieuses (site flexible, ajout de H2O libres) permettent de valider cette approche avec des études rétrospectives basées sur des données expérimentales. La dernière phase de la thèse a consisté à appliquer ce protocole in silico à un projet de l'entreprise.

Les Rotavirus appartiennent à la famille des Reoviridae, famille du groupe III des virus à ARN double brin. Identifiés en 1973 par Ruth Bishop, ces virus non enveloppés sont la première cause de diarrhée aiguë sévère du jeune enfant dans le monde. La capside virale icosaédrique est constituée de 3 couches protéiques de structure : la couche externe formée par la glycoprotéine VP7 d’où émergent les spicules de protéine VP4, la couche intermédiaire constituée par la protéine VP6 représentant près de 50 % du poids du virus et enfin, la couche interne appelée core, résultant de l’assemblage des protéines VP2, d’où émergent vers l’intérieur les protéines VP1 et VP3. Cette capside renferme un génome divisé en 11 segments d’ARN bicaténaires. A ces 6 protéines structurales s’ajoutent les protéines non structurales qui interviennent lors de la réplication du virus. Les deux protéines structurales, VP4 et VP7 sont essentielles pour la fixation de la particule triple couche (TLP) aux membranes des cellules hôtes, par interaction aux récepteurs intégrines, elle sont également impliqués dans la déstabilisation des membranes endosomales, indispensable à la libération de la particule double couche (DLP) infectieuse dans le cytoplasme. Actuellement, contrairement au mécanisme d’action de la protéine VP5*, celui de la glycoprotéine VP7 est inconnu. L’objectif de cette thèse, a été de comprendre le mécanisme moléculaire de déstabilisation des membranes par les peptides dérivés de VP7. Dans un premier temps nous avons montré, par des études in silico, l’existence d’un domaine prédit en hélice membranaire bordé de résidus arginine et lysine hautement conservés, situé à l’extrémité C-terminale de la glycoprotéine VP7. Ces résultats ont conduit à la synthèse de quatre peptides avec lesquels des tests de perméabilisation de membranes modèles de larges vésicules unilamellaires (LUVs) ont été menés. Ceux-ci ont permis d’identifier le domaine minimum le plus actif, VP723, parmi les peptides sélectionnés. Dans un second temps nous avons déterminé la structure de ces peptides par RMN, dans des conditions mimant l’environnement hydrophobe de la membrane. Le peptide minimal VP723 s’organise en hélice α-amphipathique, structure souvent impliquée dans la déstabilisation des membranes cellulaires. La comparaison de sa structure obtenue par RMN à celle du domaine correspondant dans la structure cristallographique de la protéine native montre le réarrangement conformationnel de ce segment après maturation par la trypsine. Ces résultats ont été confirmés par deux mutants de synthèse, dont l’un est inactif pour la perméabilisation des membranes modèles. Ces travaux ont été complétés par des expériences de Résonance Plasmonique aux Ondes guidée (PWR). Des études par RMN du solide sont en cours afin de déterminer l’orientation du peptide dans les membranes modèles. En conclusion, nos résultats mettent en évidence l’importance du domaine C-terminal VP723 de la protéine VP7 dans la déstabilisation des membranes, permettant d’assurer la translocation de la particule virale infectieuse (DLP) de l’endosome vers le cytoplasme. Un modèle du mécanisme d’entrée du virus, médié par les peptides dérivés de la maturation par la trypsine de la glycoprotéine VP7 est proposé. / Rotaviruses belong to the Reoviridae family, belonging to the group III of dsRNA viruses. Identified in 1973 by Ruth Bishop, these non-enveloped viruses are the leading cause of severe diarrhea in young children worldwide. The icosahedral capsid is composed of three structural protein layers: the outer one, formed by the glycoprotein VP7, emerges spicules protein VP4, the intermediate one consists of VP6 protein representing nearly 50% of the weight of the virus and finally, the inner one called core, results from the assembly of proteins VP2, emerges towards the inside of proteins VP1 and VP3. The capsid contains a genome divided into 11 segments of dsRNA. To these six structural proteins are added nonstructural proteins involved in virus replication. The two structural proteins, VP4 and VP7, are involved in the interaction of the triple layer particle (TLP) to integrin receptors, necessary for the release of the infectious double layer particle (DLP) into the cytoplasm following the permeabilization of the membrane of the endosome compartments. Currently, unlike the mechanism of action of the protein VP5*, the glycoprotein VP7 remains unknown. The objective of this work was to understand the molecular mechanism involved in the destabilization of membranes by peptides derived from VP7. In a first step, we have shown, by in silico studies, the existence of a helical trans-membrane domain predicted containing a highly conserved arginine and lysine residues, located at the C-terminus of the VP7 glycoprotein. These results led to the synthesis of four peptides with which permeabilizing tests of model membranes were conducted. We have identified the minimum of the most active domain, named VP723, among the selected peptides. In a second step, we determined the structure of these peptides by NMR under conditions mimicking the hydrophobic environment of the membrane. The VP723 peptide is organized like an α-helical amphipathic structure often involved in the destabilization of cell membranes. The comparison of the structure obtained by NMR to that of the corresponding domain in the crystallographic structure of the native protein shows a conformational rearrangement of the segment after trypsin maturation. These results were confirmed by two synthetic mutants, one of which is inactive for the permeabilization of model membranes. These studies were complemented by experiments Plasmon Resonance guided the Waves (PWR). Studies by solid state NMR are in progress to determine the orientation of the peptide in model of membranes. In conclusion, our results highlight the importance of the C-terminal domain of the VP7 protein, named VP723, in the destabilization of membranes, to ensure the translocation of the infectious viral particle (DLP) from the endosome into the cytoplasm compartments. A mechanism of virus entry mediated by peptides derived from trypsin maturation of the VP7 glycoprotein is proposed in this study.