L'une des principales cibles pour la thérapie visant le virus de l'hépatite C (VHC) est l'ARN polymérase dépendante de l'ARN NS5B indispensable à la réplication du génome virale. NS5B est l'une des enzymes clefs du cycle virale de VHC et son activation met en jeu aussi bien des interactions intramoléculaires que des interactions avec des cofacteurs viraux et cellulaires au sein du complexe de réplication. Nous avons développé une nouvelle stratégie d'inhibition de NS5B basée sur l'élaboration de peptides courts dérivés de motifs exposés à la surface de l'enzyme dans le but de cibler les nombreuses interactions impliquées dans l'activation de cette protéine. En associant une analyse fine de la structure cristallographique de NS5B avec de la modélisation moléculaire, nous avons élaboré des peptides courts mimant les motifs « hotspot » de la protéine. Ces peptides ont été évalués sur système réplicon de génotype 1b et nous avons ainsi identifié un peptide leader Moon1 de 15 résidus correspondant à un motif hautement conservé du domaine "thumb". Dans ce travail, nous avons étudié en détail la structure et le mécanisme moléculaire de ce nouvel inhibiteur de NS5B. Moon1 inhibe l'activité polymérase de la forme sauvage de NS5B ainsi que celle de mutants résistants au inhibiteurs nucléosidiques et non nucléosidiques. Nous avons démontré que la fixation de Moon1 entraine un changement de conformation de NS5B et se fait préférentiellement avec NS5B dans une conformation fermée. Ce peptide inhibe spécifiquement l'interaction entre NS5B et l'ARN double brin, indépendamment de la présence d'ions métalliques et de manière dose-dépendante. Moon1 bloque la transition entre l'étape d'initiation de novo de la synthèse d'ARN et l'extension du primer. Nous avons démontré que les résidus essentiels à l'activité de Moon1 sont hautement conservés à travers les différents génotypes et sous-types de VHC. De plus, nous avons établi une séquence minimale pour l'activité de Moon1. Nos travaux permettent de valider l'intérêt d'une stratégie interfaciale ciblant une enzyme clef du cycle du VHC et les interactions intra et intermoléculaires nécessaires à son activation. / The non-structural protein RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) NS5B plays a key role in hepatitis C virus (HCV) replication and is currently considered as one of the most relevant target to develop safe anti-HCV agents. Although many small molecules have been identified as inhibitors of NS5B, very few are active in clinic. The structure and function of NS5B have been well characterized and as other polymerases, NS5B adopts a typical “right-hand” conformation containing the characteristic fingers, palm and thumb subdomains. The activation of NS5B requires conformational changes involving intramolecular contacts as well interactions with viral proteins and host factors in the replication complex. We developed a new strategy for NS5B inhibition based on short interfacial peptides derived from NS5B surface accessible motifs that target protein-protein interfaces or essential motifs involved in NS5B-activation. Combining the NS5B crystallogaphic structure and molecular modelling, we have designed short peptides derived from NS5B surface “hotspots” that were screened using HCV genotype 1b replicon cell system. We have identified Moon1, a short 15-residu peptide, derived from a well-conserved motif located in the NS5B thumb domain that inhibits HCV replication in the low nanomolar range. Moon1 tightly binds NS5B in a conformational-dependent manner and induces NS5B conformational changes. This peptide specifically inhibits double-stranded RNA/NS5B interactions in a dose-dependent and metal ions-independent manner. Moon1 blocks the transition between RNA de novo initiation and primer-extension. We showed that residues required for Moon-1 anti-polymerase activity are well-conserved among HCV genotypes and subtypes and a minimal Moon1 active motif was established. Taken together, these results demonstrate that NS5B structural dynamics constitute an attractive target for HCV chemotherapeutics and for the design of more specific new antiviral drugs.

La compréhension des interactions entre molécules biologiques passe aujourd'hui par le développement d'outils de simulation à l'échelle atomique. De la conception de médicaments aux biotechnologies, la modélisation tient un rôle important en matière d'interprétation et de prédiction de ces phénomènes. Les algorithmes existants se montrent peu satisfaisants, car ils ne traitent pas correctement la flexibilité conformationnelle des macromolécules. C'est dans ce contexte qu'a été développée au sein du laboratoire une méthode nouvelle qui permet le traitement de la flexibilité totale du système : les modes statiques. Cette méthode, basée sur le concept "induced-fit" d'arrimage de macromolécules (ou docking), est capable de calculer les déformations d'une molécule induites par une force appliquée sur un atome dans une direction de l'espace : un mode statique. L'efficacité de ce modèle a été démontré par des travaux effectués sur des biomolécules telles que les protéines et les acides nucléiques. Grâce à cette méthode, le docking se résume au calcul d'interactions entre sites réactionnels et des déformations induites. Nous montrons dans cette thèse comment les modes statiques permettent de "cartographier" les déformations d'une molécule. Cette méthode nous a également permis de décrire comment réagi une molécule (le peptide Amyloïde ß(1-16)) suite au passage d'un ion métallique, notamment les changements conformationnels engendrés. Cette application que nous avons appelée "sonde électrostatique", est également le premier pas vers un processus de docking moléculaire utilisant le modèle des modes statiques.

Une nouvelle famille de porphyrines chirales bridées a été mise au point dans le but d'accéder à des systèmes présentant un processus redox irréversible, lié à une bistabilité conformationnelle, dans le but de les appliquer dans le domaine des mémoires moléculaires. Ces nouvelles porphyrines sont constituées de deux brides ancrées sur les quatre positions meso par des groupes cyclohexyle. Une amine secondaire a été insérée au centre des brides dans le but d'obtenir des métalloporphyrines présentant une seule conformation à l'équilibre pour une longueur de bride, un métal et un degré d'oxydation donnés et pour favoriser un changement conformationnel en fonction du degré d'oxydation d'un métal comme le manganèse. Pour cela, une nouvelle voie de synthèse des porphyrines bridées par pré-fonctionnalisation du dialdéhyde autour de la fonction amine a été conçue. Les porphyrines ont été caractérisées par spectroscopie RMN, spectroscopie UV-Visible et dichroïsme circulaire. Les conformations des bases libres, des complexes de zinc(II) et de nickel(II) ont été déterminées par RMN proton. Pour une longueur de bride de 9 atomes avec une amine secondaire, les conformations des complexes de zinc(II) et de nickel(II) sont respectivement αααα et ααββ. En partant de ce modèle, les complexes de manganèse(II) et de chloromanganèse(III) ont été synthétisés et caractérisés par spectroscopie UV-Visible, dichroïsme circulaire et RMN du carbone 13 afin d'étudier si des changements de conformation en fonction du degré d'oxydation du métal ont lieu. / A new family of chiral bridled porphyrins was designed in order to access systems presenting an irreversible redox process linked to a conformational switch. Such systems could be of high interest in the field of molecular memories. These new porphyrins are made of two bridles anchored to the four macrocycle meso positions through cyclohexyl groups. The first objective is to introduce a secondary amine in the centre of the bridles in order to allow metalloporphyrins with defined bridle length and specific metal with a given oxidation degree to be only under one conformation at equilibrium. The second objective is to favor a conformational switch dependent on the oxidation state of a redox metal such as manganese. To reach these goals, a new porphyrin synthetic pathway was established. The key steps of this new protocol were the synthesis of the bridle built around the central amine with two terminal aldehyde functions required for the macrocyle formation. Porphyrins were studied by NMR, UV-Visible and circular dichroism spectroscopies. The conformations of free base porphyrins, zinc(II) complexes and nickel(II) complexes were determined by 1H NMR. For a bridle with a chain length of 9 atoms including the secondary amine, the zinc(II) complex presents only an αααα conformation and nickel(II) complex an ααββ conformation. From these structural models, manganese(II) and chloromanganese(III) complexes were synthesised and characterised by UV-Visible spectroscopy, circular dichroism and 13C NMR in order to study the possible conformational switches dependent on the Mn redox state.

Les récepteurs couplés de protéines G (RCPG) sont des capteurs biologiques polyvalents responsables de la majorité des réponses cellulaires aux hormones et neurotransmetteurs ainsi que des sens de la vue, de l'odorat et du goût. La transduction des signaux est associée à un ensemble de changements dans la structure tertiaire des récepteurs entraînant l'activation de partenaires intracellulaires dont les protéines G. La dimérisation est un élément central du mode de fonctionnement des RCPG ; cependant, son influence sur la façon dont le signal est transmis est encore mal définie.Nous avons utilisé ici le récepteur BLT1 du leucotriène B4 comme modèle afin d'analyser les changements de conformation au cours de l'activation. Pour cela, nous avons produit le récepteur suivant une approche qui consiste à l'exprimer dans les corps d'inclusion bactériens puis à le renaturer à l'aide de détergents et/ou surfactants originaux. L'accès au récepteur purifié nous a permis de montrer que la protéine G induit une asymétrie dans les changements de conformation au sein de l'homodimère de BLT1. De plus, nous avons pu établir que l'activation de la protéine G se fait essentiellement par le protomère ayant fixé l'agoniste (cis-activation). Enfin, nous avons montré que la forme monomérique du récepteur est parfaitement capable d'induire l'activation de la protéine G, même si le dimère apporte une modulation de la réponse. Ceci indique qu'un monomère de récepteur possède tous les déterminants moléculaires nécessaires à la transmission du signal. L'ensemble de ces résultats apporte un éclairage nouveau sur la façon dont les dimères de RCPG fonctionnent et peuvent moduler la réponse biologique. / G-protein coupled receptors are versatile biological sensors that are responsible for the majority of cellular responses to hormones and neurotransmitters as well as for the sense of sight, smell and taste. Signal transduction is associated with a set of changes in the tertiary structure of the receptor that are recognized by the associated intracellular partners, in particular the G proteins. There is compelling evidence that GPCR can assemble as dimers but the way these assemblies function at the molecular level is still under investigation.We used here the leukotriene B4 receptor BLT1 as a model to analyze the conformational changes occurring during activation. To this end, we first produced the receptor in E. coli inclusion bodies and subsequently folded it back to its native state in vitro using original membrane mimetics. Using the purified dimeric receptor, we showed that (i) the G protein induces an asymmetric arrangement of the BLT1 homodimer where each of the protomers is in a distinct conformation, and (ii) the G protein is cis-activated, i.e. the protomer that binds the agonist also activates Gα. Finally, we brought evidence that, although the dimer fully activates its G protein partner, the monomer has per se all the molecular determinant for an efficient functioning. All these data are original evidence that sheds light into the way GPCR dimers are activated and in turn modulate G protein-mediated signaling.

La spectroscopie RMN alliée à l’utilisation de solvants cristal-liquide fortement et faiblement orientants est une stratégie efficace pour élucider les structures et distributions conformationnelles de petites molécules organiques rigides et flexibles en solution, et déterminer les ordres orientationnel et positionnel des solutés comme des solvants orientés. Dans une première partie, afin d’explorer les différentes contributions aux couplages dipolaires d’un soluté donné, la très faible amplitude de l’ordre orientationnel d’une molécule quasi-sphérique, le tetramethylallène, dissoute dans un nématique thermotrope est exploitée. Dans cette situation limite, le caractère prédominant des mécanismes de réorientation et de vibration moléculaire est mis en évidence, et estimé. Dans une seconde partie, les données RMN obtenues à partir de solutés de petites tailles dissous dans des solvants smectiques sont combinées aux résultats de calculs reposant sur des concepts de thermodynamique statistique et de la théorie de la fonctionnelle de densité. L’efficacité de cette méthode dans la détermination des paramètres d’ordres positionnel du solvant et orientationnel des molécules-sondes est démontrée aussi bien dans le cas de phases conventionnelles smectiques A que celui plus délicat de smectiques interdigitées Ad. La stratégie d’analyse proposée est ensuite étendue à l’investigation des structures tridimensionnelles et équilibres conformationnels de molécules flexibles bioactives ou biomimétiques. Dans une perspective méthodologique, à l’aide d’études expérimentale et théorique portant sur le biphényle, molécule symétrique constituée d’un unique rotor, il est tout d’abord démontré l’intérêt des méthodes de simulations par dynamique moléculaire pour évaluer l’ensemble des couplages dipolaires d’un soluté donné dans une phase thermotrope, ultérieurement utilisés comme paramètres initiaux dans une analyse spectrale itérative, et in fine déterminées précisément. L’analyse spectrale chronophage et dont l’aboutissement est incertain si les paramètres initiaux sont difficiles à estimer, en est ainsi facilitée. Puis, les distributions conformationnelles d’anti-inflammatoires non stéroïdiens de dérivés salicylés et profènes, fluorés ou non, constitués d’un ou deux rotors indépendants sont présentées. Via l’utilisation inédite du modèle AP-DPD dans les solvants nématiques (chiraux) lyotropes faiblement orientants, et à partir des couplages dipolaires homo- et hétéronucléaires notamment obtenus grâce à l’expérience RMN GET-SERF, créée à propos pour permettre l’extraction simple et rapide des couplages 1H-19F, les surfaces d’énergie potentielle de ces biomolécules sont décrites de façon satisfaisante. Enfin, les équilibres conformationnels de deux stilbénoïdes constitués de deux rotors coopératifs sont déterminés dans deux solvants cristal-liquide, l’un fortement, l’autre faiblement orientant. Ces études comparatives permettent de discuter la fiabilité, la précision et l’accessibilité des observables RMN extraites dans les phases, et d’établir la complémentarité des analyses RMN réalisées dans ces solvants. / NMR spectroscopy in weakly and highly orienting media is used as a route for dealing with orientational, positional, structural and conformational problems of a variety of small rigid and flexible organic molecules in solution. First, the very weak orientational order of a quasi-spherical molecule dissolved in a nematic phase is exploited for exploring the role of the different contributions to the observed dipolar coupling. In such a limit condition, a predominant effect of the non-rigid reorientation-vibration coupling term emerges. Then, NMR data obtained from small rigid probes dissolved in smectic solvents are combined with a statistical thermodynamic density functional theory, in order to measure the positional order parameters of both solutes and solvent. The methodology gives good results when applied to a conventional smectic A liquid crystal and to the more delicate case of an interdigitated smectic Ad phase. The strategy is subsequently extended to the investigation of structure, order and conformational equilibrium of flexible bioactive or biomimetic molecules dissolved in various partially ordered NMR solvents. A first experimental and theoretical study is presented on the symmetric single-rotor molecule of biphenyl dissolved in a thermotropic liquid crystal. This test-case indicates molecular dynamics simulations are a promising tool for estimating a set of dipolar couplings of a solute in a thermotropic solvent, to be used as starting set of parameters in a standard operator-mediated NMR spectral analysis. Then, we report the conformational study of some single- and two-rotor nonsteroidal anti-inflammatory drugs, belonging to the families of salicylates and profens, dissolved in weakly orienting chiral nematic PBLG phases. A new pulse sequence, the Gradient Encoded heTeronuclear 1H-19F SElective ReFocusing NMR experiment (GET-SERF), is proposed here for the trivial edition of all 1H-19F couplings in one single NMR experiment, for a given fluorine atom. Starting from homo- and heteronuclear dipolar couplings, difficult to extract in thermotropic solvents because of a too complex spectral analysis, the torsional distributions of such molecules can be satisfactory described by the Additive Potential model combined with the Direct Probability Description of the torsional distribution in terms of Gaussian functions (AP-DPD approach). Finally, the conformational and orientational study of two stilbenoids displaying cooperative torsions is discussed in both a highly and weakly ordering liquid crystal phase. This comparative study allows to draw some conclusions on reliability, accuracy and accessibility of desired data in the two phases. Overall, this work proves NMR in liquid crystals is a flexible and meaningful tool for studying order, structure and conformation and it can greatly benefit from the availability of several aligning media inducing a different degree of order.

Les introns de groupe II forment une classe d’ARN connus avant tout pour leur activité ribozymique, qui leur permet de catalyser leur propre réaction d’épissage. Sous certaines conditions, ces introns peuvent s’exciser des ARN précurseurs dont ils font partie et assurer la ligation des exons qui les bordent sans l’aide d’aucune protéine. Les introns de groupe II sont généralement excisés sous forme d’un lariat, semblable à celui formé par les introns des prémessagers nucléaires, dont l’épissage est assurée par le spliceosome. De telles similarités dans le mécanisme d’épissage suggèrent que les introns de groupe II et les introns des prémessagers nucléaires pourraient avoir un ancêtre évolutif commun.Malgré leurs séquences très diverses, les introns de groupe II peuvent être définis par une structure secondaire commune, hautement conservée. Celle-ci est formée de six domaines (domaine I à domaine VI ; D1-D6), émergeant d’une roue centrale. L’épissage des introns de groupe II comprend deux étapes, et autant de réactions de transestérification, qui produisent les exons liés et l’intron excisé sous forme lariat. Il est généralement admis que la structure du ribozyme subit des changements conformationnels entre les deux étapes de l’épissage et que le domaine VI est un acteur clé dans ce phénomène. Cependant, malgré l’identification d’un certain nombre d’interactions tertiaires entre domaines, ni la RMN, ni les études faisant appel à des modifications chimiques ne sont parvenues à déterminer l’environnement immédiat, au niveau du site actif du ribozyme, de l’adénosine qui sert de point de branchement de la structure en lariat, ainsi que des nucléotides qui entourent cette adénosine au sein du domaine VI. A l’aide d’analyses phylogénétiques et d’une modélisation moléculaire tridimensionnelle, nous avons identifié plusieurs sections du ribozyme susceptibles de constituer le site de fixation du domaine VI au cours de l’étape de branchement. Des mutations ont été introduites dans ces sites de fixation potentiels et la cinétique de réaction des ARN mutants résultants a été déterminée. Afin de démontrer formellement l’interaction du domaine VI avec le site récepteur le plus probable, une molécule de ribozyme dont la réaction de branchement est assurée par l’addition d’oligonucléotides ADN ou ARN qui positionnent correctement le domaine VI vis-à-vis de son partenaire a été construite. En combinant l’information apportée par différentes expériences de ce type, nous avons pu générer un modèle à résolution atomique du complexe formé par le domaine VI, son site de branchement et le reste de l’intron au moment où l’épissage est initié. / Group II introns are a class of RNAs best known for their ribozyme-catalyzed, self-splicing reaction. Under certain conditions, the introns can excise themselves from precursor mRNAs and ligate together their flanking exons, without the aid of proteins. Group II introns generally excise from pre-mRNA as a lariat, like the one formed by spliceosomal introns, similarities in the splicing mechanism suggest that group II introns and nuclear spliceosomal introns may share a common evolutionary ancestor.Despite their very diverse primary sequences, group II introns are defined by a highly conserved secondary structure. This generally consists of six domains (Domain I-Domain VI; D1-D6) radiating from a central wheel. Each of the six intronic domains has a specific role in folding, conformational rearrangements or catalysis. The native conformation of a group II intron is sustained by intra- and interdomain long-range tertiary interactions, which are critical either for folding of the intron to the native state or for its catalytic activity. In brief, Domain V interacts with Domain I to form the minimal catalytic core; Domain VI contains a highly conserved bulged adenosine serving as the branch-point nucleotide. DII and Domain III contribute to RNA folding and catalytic efficiency. Domain IV, which encodes the intron ORF, is dispensable for ribozyme activity.Group II intron splicing proceeds through two step transesterification reactions which yield ligated exons and an excised intron lariat. It is initiated by the 2’-hydroxyl group of the bulged adenosine within Domain 6, which serves as a branch point and attacks the phosphate at the 5’-end of the intron, thus releasing the 5’-exon while forming a lariat structure in the first step. The released 5’-exon, which is bound to the intron through base pairing interactions, is then positioned correctly to attack the 3’-splice site with its free 3’-OH in the second step of splicing. It is generally believed that the structure of a group II ribozyme undergoes conformational rearrangements between first step and second step and domain VI must play a central role in the process. However, despite the identification of several interdomain tertiary interactions, neither NMR nor chemical probing studies have been successful in determining the local surroundings of the branch-point adenosine and neighboring domain VI nucleotides in the ribozyme active site. By using phylogenetic analysis and molecular modelling, we have identified several areas of the molecule which have the potential to constitute the docking site of domain VI. Mutations were introduced in putative binding sites and the resulting, mutant RNAs have been kinetically characterized. This has allowed us to identify a site within the ribozyme that appears to be specifically involved in the branching reaction. In order to further investigate the interaction between that site and domain VI, we set up a system in which the docking of domain VI into its presumed binding site is ensured by the addition of DNA/RNA oligos that position the two RNA elements in an appropriate orientation. By combining the information from such experiments, we have built an atomic-resolution model of the complex formed by domain VI, the branch site and the rest of the intron at the time at which splicing is initiated.

Le transporteur mitochondrial de nucléotides adényliques (Ancp), localisé dans la membrane interne mitochondriale, catalyse l'échange ADP/ATP entre le cytoplasme et la matrice mitochondriale. Il lie deux classes d'inhibiteurs naturels avec une grande spécificité et une haute affinité. Ces deux types d'inhibiteurs, BA et CATR, stabilisent Ancp dans deux conformations distinctes impliquées dans le transport des nucléotides. La compréhension des changements conformationnels subits par Ancp est essentielle pour décrire précisément le mécanisme d'échange des nucléotides. La structure atomique du transporteur de bœuf a montré que les hélices transmembranaires 1, 3 et 5 sont coudées par la présence de prolines qui pourraient donc être impliquées dans les changements conformationnels associés au transport.Dans la première partie de ce manuscrit, ces prolines ont été mutées en alanine ou en leucine et les conséquences de ces mutations ont été étudiées au niveau de la cellule (phénotype, morphologie, contenu en protéines) et des mitochondries en examinant le transport lui-même ainsi que toutes les fonctions mitochondriales (respiration, contenu en protéines, importation des protéines, morphologie…). Il peut-être conclu de ces études que ces prolines jouent un rôle dans le transport mais également dans la biogenèse mitochondriale (import d'Ancp, équilibre fusion/fission mitochondriale).Dans la deuxième partie, ont été étudiées des mutations qui stabilisent Ancp dans la conformation BA ou CATR. L'objectif était d'obtenir des formes stables du transporteur représentant des états intermédiaires du transport pour en étudier la structure atomique par cristallographie. Les résultats préliminaires sont prometteurs. / The mitochondrial ADP/ATP carrier (Ancp), located in the inner mitochondrial membrane, catalyzes the ADP/ATP exchange between the cytoplasm and the mitochondrial membrane. Two classes of natural inhibitors can bind to the carrier with high specificity and affinity. These two families of inhibitors, BA and CATR, stabilize Ancp in two different conformations, which are involved in the nucleotide transport. Understanding the conformational changes undergone by Ancp is essential to describe precisely the nucleotide exchange mechanism. The atomic structure of the Beef Ancp unveiled kinks in transmembrane helices 1, 3 and 5 induced by the prolines, which therefore could be involved in the conformational changes associated with the nucleotide transport. In the first part of this manuscript, the three prolines were mutated into alanine or leucine and the results of these mutations were studied at the level of the cell (phenotype, morphology, protein content) and of the mitochondria by examining the transport itself and various mitochondria functions (respiration, protein content, protein import, morphology...). It can be concluded from these studies that these prolines play a key role in the transport but also in mitochondria biogenesis (Ancp import, mitochondrial fusion/fission balance).In the second part were studied mutations that stabilize Ancp in BA or CATR conformation. The goal was to obtain stable forms of Ancp that would correspond to intermediate steps of the transport to study their atomic structure by crystallography. The preliminary results are promising.