Cette thèse porte sur l'étude de sources lasers à base d'ions Yb3+ pour une émission autour de 1um. Le premier objectif de ce travail était d'étudier des cristaux massifs dopés Yb3+ fabriqués au CIRIL pour réaliser des sources lasers en régime continu et en régime à impulsions brèves. Pour cela, nous avons concentré notre attention sur la matrice de CaF2 dopée Yb3+ qui combine les propriétés des cristaux (bonne conductivité thermique) et des verres (larges bandes d'émission). Bien que largement étudié par le passé, le CaF2 dopé par de l'ytterbium trivalent n'avait pas encore fait l'objet d'une étude spectroscopique détaillée. L'examen du fonctionnement laser a donc été précédé d'une étude spectroscopique pour de faibles et de forts taux de dopage en ions Yb3+. Les sites dits isolés ainsi que les agrégats d'ions terres rares ont pu être caractérisés clairement. Une étude laser expérimentale et théorique a ensuite été menée qui a conduit à d'excellentes performances, en régime continu ou femtoseconde, plaçant le CaF2:Yb3+ comme un des plus sérieux candidats pour ce type de source. Le second objectif de cette thèse était l'étude d'une source laser en optique intégrée émettant à 980 nm, utile dans le domaine des télécommunications (pompage des amplificateurs dopés erbium). Deux voies d'exploration ont été examinées, l'une sur des guides de SiO2:Yb,Ti,Ge fabriqués par pulvérisation magnétron réactive et l'autre sur des guides de CaF2:Yb3+ élaborés par implantation ionique. De premiers résultats expérimentaux ont été obtenus, et un modèle laser théorique nous a permis de prédire l'émission laser à 980 nm dans ce type de structure.

Nous avons développé un modèle et un programme d'affinement joint des densités de charge et spin. Lors des premiers tests plusieurs difficultés sont apparues et ont été étudiées puis résolues notamment par la mise en place de contraintes. Après la mise en place d'un programme stable d'affinement joint nous avons testé celui-ci sur le complexe MnCu(pba)...(H2O)3...2H2O, ou pba représente le 1,3-propylenbis(oxamato) en réutilisant les données provenant d'une expérience de diffraction de neutrons polarisés et en effectuant une nouvelle expérience de diffraction des rayons X à 10K, température à laquelle l'expérience de diffraction des neutrons polarisés a été conduite. Cette étude a permis de tester trois schémas de pondération, ainsi que les contraintes. Ces tests ont montré que l'affinement joint permet de retrouver les résultats des différents affinements séparés mais aussi d'aller plus loin en autorisant un affinement de la densité de spin avec plus de paramètres pertinents. Suite à ces premiers tests nous nous sommes intéressés à un complexe azido cuivre (Cu2L2(N3)2 avec L=1,1,1-trifluoro-7-(dimethylamino)-4-méthyle-5-aza-3-heptène-2-onato). L'affinement joint a permis d'avoir accès, pour la première fois, à la densité de valence expérimentale résolue en spin et d'affiner également des paramètres de contraction/dilatation différents pour la valence avec un spin up ou un spin down. Dans le dernier chapitre nous avons étudié un complexe de cobalt qui présentait des propriétés magnétiques intéressantes. Cependant la particularité magnétique du composé venant d'une forte anisotropie magnétique a rendu l'étude par affinement joint délicate dans un premier temps, c'est pourquoi nous avons étudié ce composé uniquement d'un point de vue de la densité de charge. Cette étude a tout de même permis de mettre en évidence expérimentalement à 100K un angle de torsion de 39° entre les axes principaux des atomes de cobalt, prédit par la théorie

Une étape clé dans la maturation des pré-ARNms est le clivage et la polyadénylation que ceux-ci subissent sur leur extrémité 3’. Chez les métazoaires, le complexe CstF (Cleavage stimulation Factor) reconnaît une région de l’ARNm riche en U et U/G et stabilise le complexe CPSF (Cleavage Polyadenylation Stimulating Factor) sur le site de polyadénylation. Nous avons déterminé la structure cristallographique du domaine N-terminal d’une des trois sous-unités de CstF, CstF-50. Ce domaine forme un homodimère compact et présente deux surfaces identiques conservées dérivées de la formation du dimère. La structure dimérique de CstF-50 est en accord avec le modèle hexamèrique du complexe. L’homologue de CstF chez la levure, CF IA (Cleavage/polyadenylation Factor IA), est impliqué dans les réactions de clivage et polyadénylation de la maturation 3’. Nous avons reconstitué le complexe entier ‘in vitro’ et résolu la structure en solution par RMN des régions minimales impliquées dans l’interaction des sous-unités Rna14p et Rna15p. Pour la formation de l’hétérodimère, la région C-terminale de Rna14p, que nous avons appelé domaine « monkeytail », s’entrelace intimement avec la région « hinge » de Rna15p. La présence de ces deux domaines chez leurs homologues de mammifères, CstF-77 et CstF-64, suggère la conservation de ce type d’organisation entre ces deux sous-unités à travers les espèces. / The removal of the 3’ region of pre-mRNA followed by polyadenylation is a key step in mRNA maturation. In metazoa, Cleavage stimulation Factor (CstF) recognizes U and G/U rich cis-acting RNA sequence elements through its 64kDa subunit and helps stabilize the Cleavage Polyadenylation Stimulating Factor (CPSF) complex at the polyadenylation site. We describe the crystal structure of the N-terminal domain of the CstF-50 subunit. Through highly conserved residues, CstF-50 forms a compact homodimer that exposes two geometrically opposite and identical conserved surfaces. Together with prior data, the structure of the CstF-50 homodimerization domain supports a hexameric model of CstF. The yeast homologue of CstF is the Cleavage/polyadenylation Factor IA (CF IA) complex and is involved in both the cleavage and polyadenylation of pre-mRNA. We have reconstituted ‘in vitro’ the overall complex and also solved the solution structure of one of the inter-subunit regions, specifically the heterodimer involving peptides from Rna14p and Rna15p. Upon binding, a short C-terminal region from Rna14p wraps intimately within the central hinge domain from Rna15p. Conservation of residues reveals that the structural tethering is preserved in the homologous mammalian proteins. / La maduración 3’ del pre-ARNm es un proceso clave de la expresión génica que incluye el corte y la poliadenilación del extremo 3’ libre del pre-ARNm. En metazoos, el complejo CstF (Cleavage stimulation Factor) reconoce una secuencia del pre-ARNm rica en U y G/U y permite la estabilización del complejo CPSF (Cleavage Polyadenylation Stimulating Factor) en el sitio de poliadenilación. Hemos descrito la estructura cristalina del dominio N-terminal de una de las tres subunidades de CstF, CstF-50. La estructura ha revelado la organización de la proteína en un dímero compacto y conservado entre las especies. Dos zonas idénticas conservadas se encuentran expuestas a ambos lados de la superficie estructural. Nuestros resultados corroboran así la hipótesis sobre el modelo hexamérico del complejo CstF. CF IA (Cleavage/ polyadenylation Factor IA), el homólogo de CstF en levaduras, interviene en las dos etapas de la maduración 3’. Las bases para la reconstitución del factor CF IA ‘in vitro’ han sido establecidas. Al mismo tiempo, hemos resuelto la estructura del subcomplejo formado por las regiones de interacción de Rna14p y de Rna15p en solución mediante RMN. En el heterodímero, las dos proteínas forman una entidad única a través de la región C-terminal de Rna14p, dominio “monkeytail”, y el dominio “hinge” de Rna15p, quedando las hélices de la dos proteínas entrelazadas. La localización de estos dominios en sus homólogos mamíferos, CstF-77 et CstF-64, sugiere que este tipo de organización está conservada entre las especies.

Le mercure est présent dans l'environnement à cause de phénomènes naturels (volcans) ou des activités humaines (combustion de combustibles fossiles). Le mercure existe sous forme de mercure élémentaire (Hg0), ionique (HgII) ou organique tel le méthylmercure (MeHg). Ces diverses formes sont en flux constant les uns avec les autres dans le cycle biogéochimique naturel. De par leur grande hydrophobicité et leur capacité à pénétrer les membranes biologiques, les composés organomercuriels contituent la forme la plus toxique de mercure retrouvée dans l’environnement Des niveaux élevés de MeHg ont d’ailleurs été détectés dans la chaire de poissons de nombreuses régions du monde. Conséquemment, une consommation de produits de la mer contaminés représente un grave danger pour la santé humaine. Certaines bactéries isolées à partir d'environnements contaminés par le mercure ont évolué vers un système qui leur permet de convertir efficacement les composés mercuriels présents autant sous forme ionique qu’organique en un mercure élémentaire moins toxique. Cette résistance au mercure s’explique par l'acquisition d'un élément génétique connu sous le nom d’opéron mer. L’opéron mer code entre autre pour deux enzymes importants : la lyase organomercurielle MerB et la réductase mercurielle MerA. MerA catalyse la réduction du HgII conduisant à la formation du mercure élémentaire Hg0 qui est un composé volatile et moins toxique. MerB, quant à elle, catalyse la protonolyse de la liaison carbone-mercure de composés organomercuriels pour produire un composé réduit de carbone et du mercure ionique (HgII). Au vu des effets des organomercuriels et de la réduction de HgII, MerA et MerB sont considérés comme des enzymes clés pouvant servir à la biorestauration des cours d'eau contaminés par les organomercuriels. Une compréhension claire des détails mécanistiques de la façon dont MerA et MerB fonctionnent ensemble au niveau atomique est donc cruciale dans la mise en œuvre de biotechnologies implicant l’opéron mer dans les efforts de bioremédiation. Dans cette étude, nous avons utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN)et la cristallographie aux rayons X pour caractériser la structure et le mécanisme enzymatique de MerB de E. coli. Sur la base d’études structurales précédentes de MerB de E. coli, trois résidus (Cys96, Asp99 et Cys159) ont été identifiés comme constituant la triade catalytique nécessaire au clivage de la liaison carbone-Hg. En guise de suivi aux études antérieures, mon projet consiste d’abord à utiliser la cristallographie aux rayons X afin de définir les rôles de Cys96, Asp99 et Cys159 dans la liaison du substrat et dans le clivage. Deux approches ont été mises en œuvre pour atteindre cet objectif. Tout d'abord, les mutants MerB ont été testés pour définir le rôle des résidus catalytiques. Deuxièmement, les inhibiteurs de MerB et d'autres substrats non organicomercuriels potentiels ont été utilisés pour explorer le site actif de MerB. Une sérine se retrouve à la position de Asp99 dans quatre variants de MerB répertoriés chez les bactéries. Pour mieux comprendre le rôle de Asp99, nous avons comparé la sérine présente dans le variants MerB de Bacillus megaterium (MerB2) et introduit un variant D99S à la protéine MerB du type sauvage d’E. coli (MerB D99S). Nous avons pu constater que la forme purifiée de MerB D99S se caractérisait par une couleur rose après avoir visualisé sa structure cristalline aux rayons X, révélant la présence d'un métal lié au niveau de son site actif. Les analyses par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et par fluorescence des rayons X indiquèrent que MerB D99S se liait au cuivre au niveau du site actif. En outre, les analyses par résonance paramagnétique électronique (EPR) et des études de RMN ont identifié la forme CuII du cuivre. L'addition de substrats organomercuriels a pu déplacer le CuII entrainant ainsi une diminution de l’activité catalytique de MerB D99S. En revanche, MerB2 n'a pu être co-purifié avec le cuivre, bien que la structure aux rayons X du complexe MerB2-Hg soit pratiquement identique à la structure du complexe MerB D99S-Hg. Ceci suggère que le résidu Asp99 est essentiel au clivage des liaisons carbone-Hg de composés organiques du mercure et dirige la spécificité de la liaison au métal. De plus, la liaison cuivre-MerB D99S propose un lien possible entre l'évolution de MerB et son homologue structural, la protéine NosL. Dans la seconde approche, nous nous sommes intéressés au site actif de MerB en testant sa liaison à des composés organostanniques et à des composés organoplombiques avec un inhibiteur de MerB connu sous le nom de triéthylétain (TET) qui se lie au résidu Asp99 sans s’associer aux cystéines du site actif. Une liaison similaire a été observée avec un autre inhibiteur à savoir le triméthylplomb (TML). Quant au diméthylétain (DMT), il inhibe MerB à l'aide d'un mécanisme alternatif en se liant d'abord à Asp99 puis à Cys96 conduisant à un changement critique dans le site actif perturbant ainsi l’interaction π-cation entre Trp95 et Arg155. D’autres inhibiteurs comme le diéthylétain (DET) et le diéthylplomb (DEL) ont été caractérisés comme étant un substrat de MerB où les deux groupes éthyle ont été clivés pour donner les produits ioniques SnIV PbIV qui se lient au site actif de manière similaire à HgII. DMT, DET et DEL présentent une affinité pour la liaison à MerB supérieure à celle de son substrat initial MeHg. Ces résultats suggèrent que les composés organomercuriels ne sont pas les seuls substrats pour MerB et Asp99 est le premier résidu à se lier aux composés organométalliques suivis de la liaison à Cys96 et Cys159. Ces observations suggèrent un agrandissement de l’éventail d'applications possibles pour MerB dans la bioremédiation de certains sites contaminés par des composés organométalliques tels les organoplombiques et organostanniques. Mot-clé: Organomercuriallyase, Merb, organoplombiques. Organostanniques, protéine de liaison cuivre, carbone liaison métallique clivage, méthylmercure, Organomercuriels, biorestauration, résonance magnétique nucléaire, la cristallographie aux rayons X. / Mercury is introduced into the environment from either natural occurrences (volcanoes) or from human activities (combustion of fossil fuels). Mercury exists as elemental mercury (Hg0), ionic mercury (HgII) or organic mercury like methylmercury (MeHg) and these forms are in constant flux with each other as part of the natural biogeochemical cycle. Organomercurial compounds like MeHg are the most toxic form because of their hydrophobicity and their ability to efficiently permeate membranes and bioaccumulate in organisms. High levels of MeHg have been found in fish in many areas around the world, and therefore human consumption of contaminated seafood represents a serious danger for human health. Bacteria isolated from mercury-contaminated environments have evolved a system that allows them to efficiently convert both ionic and organic mercury compounds to the less toxic elemental mercury. The mercury resistance is due to the acquisition of a transferable genetic element known as the mer operon. The mer operon encodes for several proteins including two enzymes, the organomercurial lyase MerB and the mercuric ion reductase MerA. MerB catalyzes the protonolysis of the carbon-mercury bond of organomercurial compounds to produce a reduced-carbon compound and inorganic ionic mercury HgII. MerA catalyzes the reduction of HgII to elemental mercury Hg0, which is volatile and less toxic. Due to their ability to cleave MeHg and reduce the resulting HgII product, MerB and MerA are considered crucial to bioremediation efforts to clean up MeHg from contaminated waterways. A clear understanding of the mechanistic details of how MerB and MerA function together at the atomic level is crucial for appropriate utilization of the mer system in bioremediation efforts. We have been using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray crystallography to structurally and mechanistically characterize E. coli MerB. Based on previous structural studies of E. coli MerB, three residues (Cys96, Asp99 and Cys159) have been identified as a catalytic triad which is required for carbon-Hg bond cleavage. As a follow up to the earlier studies, my project involves using X-ray crystallography to define the roles of Cys96, Asp99 and Cys159 in substrate binding and cleavage. Two different approaches were implemented to fulfill this goal. Firstly, MerB mutants were tested to define the role for the catalytic residues. Secondly, MerB inhibitors and other potential non-organomercurial substrates were used to probe MerB active site. The Cys,-Asp-Cys catalytic triad found in E.coli MerB is conserved in all MerB variants except four variants where aspartic acid is replaced by a serine. To understand the role of Asp99, we compared a serine-containing MerB variant (Bacillus megaterium MerB2) and an E. coli MerB mutant (MerB D99S) to wild type E. coli MerB. Interestingly, the purified MerB D99S protein was found to contain a pink color. X-ray crystal structure indicated the presence of a bound metal in the active site of MerB D99S. Analysis by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and X-ray fluorescence indicated that MerB D99S binds copper in the active site. Further, electron paramagnetic resonance (EPR) and NMR studies identified the copper as CuII. Addition of organomercurial substrate displaces bound CuII but MerB D99S shows diminished catalytic activity. In contrast, MerB2 did not co-purify with copper although the X-ray structure of MerB2-Hg complex is virtually identical to the structure of the MerB D99S-Hg. This suggests that the aspartic acid residue is crucial for the cleavage of carbon-Hg bonds of organomercurials as well as metal-binding specificity. Furthermore, the binding of copper to the MerB D99S protein suggests a possible evolutionary link between MerB and its structural homolog, the copper-binding protein NosL. In the second approach, we probed the active site of MerB through testing its binding to organotin and organolead compounds. The known MerB inhibitor triethyltin (TET) binds to Asp99 without binding to any of the active site cysteines. A similar binding has been observed with trimethylead (TML). Dimethyltin (DMT) inhibits MerB using an alternative mechanism. It first binds to Asp99 then Cys96, which induces a dramatic change in the active site by disrupting a cation-π interaction between Try95 and Arg155. In contrast, diethyltin (DET) and diethylead (DEL) were found to be substrates for MerB, where both ethyl groups were cleaved and the SnIV and PbIV products bound to the active site in a similar manner to HgII. DMT, DET and DEL show higher binding affinity to MerB than its initial substrate MeHg. These results suggest that organomercurials may not be the only substrates for MerB and Asp99 is the first residue to bind to organometals followed by subsequent binding to Cys96 and Cys159. In addition, these observations suggest that there are other possible applications for employing MerB in bioremediation of organolead and organotin contaminated sites while other organometals may have implications when using MerB in bioremediation systems. Keyword: Organomercuriallyase, MerB, Organolead. Organotin, Copper binding protein, Carbon metal bond cleavage, Methylmercury, Organomercuriels, Bioremédiation, Nuclear magnetic resonance, X ray crystallography.

Les oligopyridine-dicarboxamides et les oligoquinoline-carboxamides sont des oligomères synthétiques capables d’adopter des conformations hélicoïdales stables et bien définies. Les premiers sont comparables à des ressorts moléculaires qui peuvent s’étirer puis s’autoassembler pour former des doubles hélices artificielles. L’étude structurale d’oligopyridines de différentes tailles par diffraction des rayons X et RMN a permis d’éclaircir les principes de l’hybridation en double hélice. Par exemple, nous constatons que la stabilité du duplex est d’autant plus grande que l’oligomère est long mais la cinétique de l’hybridation décroit avec la taille des hélices. Ces propriétés sont modulables en fonction de divers paramètres tels que le solvant ou les substituants des pyridines. Les seconds forment de simples hélices moléculaires stables dans les solvants organiques mais aussi dans l’eau. Nous avons développé leur synthèse sur support solide afin de disposer de séquences variées, à l’image des alpha-peptides. Des études par RMN suggèrent que l’introduction d’unités aminométhylpyridines au sein d’un oligoquinoline hydrosoluble apporte de la flexibilité sans perturber sa structure hélicoïdale. Cela témoigne de la stabilité de ces structures secondaires dans les solvants protiques. Par ailleurs, certains de ces peptidomimes s’avèrent capables de reconnaitre et stabiliser des motifs structuraux particuliers de l’ADN : les G-quadruplex. Etant donné que ces architectures se forment à des endroits clés du génome impliqués dans des cancers, ces hélices moléculaires font figure de potentiels agents antitumoraux d’un nouveau genre. / Oligopyridine-dicarboxamides and oligoquinoline-carboxamides are synthetic oligomers able to fold into stable and well defined helical conformations. The first ones are comparable to molecular springs which can extend then associate to form artificial double helices. A structural study of oligopyridines of various sizes by X-ray diffraction and NMR provided a better understanding of the hybridization process. For example, we noticed that the stability of the duplex is all the higher as the oligomer is long but the kinetics of hybridization decrease with length. These properties depend on diverse parameters such as the solvent or the substituants of pyridine rings. The second family forms stable single helices in organic solvents and also in water. We adapted their synthesis on solid support to promote accessibility to a variety of sequences, just like for alphas-peptides. NMR studies suggested that the introduction of aminomethylpyridine units within a hydrophilic oligoquinoline strand brings some flexibility without disrupting its helical structure, showing the high stability of these secondary structures in protic solvents. Besides, some of these peptidomimetics turn out to be capable of recognizing and stabilizing a particular DNA motif: G-quadruplex structure. Given that these architectures form in critical places of the genome involved in cancers, these molecular helices may represent a new class of potential antitumoral agents.

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Les flavohémoglobines (FlavoHbs) sont des protéines fixant l’oxygène qui possèdent un domaine globine N-terminal lié de manière covalente à un domaine C-terminal réductase contenant une flavine adénine dinucléotide (FAD) et un site de fixation du nicotinamide adénine dinucléotide (phosphate) (NAD(P)H). Ces protéines que l’on retrouve exclusivement chez les microorganismes possèdent une action NO dioxygénase et interviennent donc dans la défense des microorganismes contre les dommages générés par le NO. De par ce rôle essentiel de défense microbienne, les flavoHbs sont considérés comme des cibles attractives des antibiotiques. En particulier, les dérivés azolés ont montré la capacité d’inhiber la fonction NO dioxygénase des flavoHbs par un mécanisme inconnu. Afin de mieux comprendre le mode d’action de ces antibiotiques, nous avons entrepris une étude structurale, enzymatique et spectroscopique sur trois flavoHbs d’intérêt. Les structures tridimensionnelles de la flavoHb de R. eutropha (FHP) en complexe avec le miconazole, l’éconazole et le kétoconazole ainsi que celle de S. cerevisae (YHB) seule et en complexe avec l’éconazole ont été obtenues à des résolutions satisfaisantes permettant de décrire précisément les interactions entre la protéine et les inhibiteurs. Les structures ont révélé des réarrangements conformationnels importants selon la nature chimique de l’inhibiteur et la présence d’acides gras dans la poche de l’hème. Afin de comprendre le rôle fonctionnel des acides gras dans le cycle catalytique de l’enzyme, la structure tridimensionnelle de la FHP en complexe avec l’acide linolénique a été obtenue et des analyses enzymatiques et spectroscopiques ont montré l’importance des acides gras dans la modulation de l’activité de la protéine. Parallèlement, des études sur la FHP, la YHB et la flavoHb de S. aureus (Shb) ont permis de mieux appréhender le rôle des inhibiteurs dans le processus de transfert d’électrons au sein de la protéine. / Flavohemoglobins (FlavoHbs) are oxygen binding proteins which consist of a heme-globin domain fused with a ferredoxin reductase –like FAD and NAD-binding domain. FlavoHbs have been identified exclusively in microorganisms where they play a key role in defence against NO damages by using their NO dioxygenase activity. These proteins are therefore considered as targets for new antibiotic drugs. Recently, azole derivatives were proven to be attractive nitric oxide dioxygenase inhibitors by a mechanism that remains elusive. In order to explore their binding characteristics, we determined the X-ray structure of the flavoHb from Ralstonia eutropha in a complex with miconazole (FHPm), econazole (FHPe), and ketoconazole (FHPk) as well as the X- ray structure of S. cerevisae flavoHb in both ligand-free and econazole-bound forms. We describe the interactions between the protein matrix and the inhibitors in a comparative manner and how the bulky structures of the azole inhibitors dictate the profile of the hemebinding pocket and vice versa in flavoHbs.Although the azole compounds were able to push the lipid out of its binding site, a fatty acid fragment is still bound inside the heme pocket of FHPe and FHPk and dictates the state of the protein. To go further in the compréhension of the fatty acid function in the flavoHbs, we determined the three dimensionnal structure of FHP in complex with linolenic acid. Spectroscopic and enzymatic analyzis confirmed the important role of fatty acids in enhancing the protein activity. We also made studies to understand how azoles modulate the electron transfer process in the flavoHbs.

Les petites GTPases de la famille Arf, régulateurs majeurs du trafic membranaire, sont activé par plusieurs familles de facteurs d’échange nucléotidiques (ArfGEFs). Les ArfGEFs jouent un rôle essentiel dans l’intégration des signaux de régulation qui conduisent à l’activation d’Arf au niveau de compartiments cellulaires spécifiques, cependant les mécanismes par lesquels ils ciblent les Arfs activés aux membranes spécifiques et leur coordination avec l’échange de nucléotide reste peu comprise. Nous utilisons ici la cristallographie et la reconstitution des activités ArfGEF sur des membranes artificielles pour analyser ces mécanismes pour un ArfGEF humain atypique, impliqués dans l’endocytose de récepteurs et associé à l’invasion tumorale dans de nombreuses cellules cancéreuses. Les membres de cette famille ont été décrits comme des GEFs spécifique d’Arf6, et comporte un domaine de type PH après leur domaine Sec7. Dans la deuxième partie de ma thèse, nous voulions savoir comment les isoformes Arf1 et Arf6 achevaient leurs fonctions dans la cellule. Arf1 et Arf6 sont très similaires: elles possèdent plus de 60% d’identité de séquence, et des études structurales ont montré que la surface qu’ils utilisent pour interagir avec leurs régulateurs et effecteurs est essentiellement identique en séquence et en structure. Cependant, elles ont des fonctions différentes dans la cellule et des propriétés différentes in vitro, pour lesquelles aucune donnée structurale n’a donné d’explications. Nous utilisons ici la cristallographie, le SAXS et la RMN pour comprendre la différence entre ces deux isoformes. / Small GTPases of the Arf family, which are pivotal regulators of membrane traffic in eukaryotes, are activated by several families of guanine nucleotide exchange factors (ArfGEFs). ArfGEfs play a key role in processing upstream regulatory signals that lead to Arf activation onto specific subcellular compartments, yet the mechanisms by which they target activated Arfs to specific membranes and their coordination with nucleotide exchange remain poorly understood. Here we used X-ray crystallography and reconstitution of ArfGEF activities on artificial membranes to analyze these mechanisms for an atypical human ArfGEF, involved in receptor endocytosis and associated with tumour invasion in various cancer cells. Members of this family have been described as Arf6-specific GEFs, and carry a PH-like domain downstream their Sec7 domain. In a second part of the work we wanted to know how the isoforms Arf1 and Arf6 achieve exquisitely specific functions in cells. Arf1 and Arf6 are highly similar: they have over 60% sequence identity, and structural studies have shown that the surfaces they use to interact with regulators and effectors are essentially identical in sequence and structure. Yet, they have non-overlapping functions in cells. Arf1 is a major regulator of most aspects of vesicular traffic, while Arf6 is restricted to the plasma membrane where it acts at the crossroads of trafficking and cytoskeleton functions (D'Souza-Schorey and Chavrier 2006). Consistent with their cellular specificities, Arf1 and Arf6 also have distinctive biochemical properties in vitro, for which no straightforward structural explanation has been put forward. Here we used X-ray crystallography, synchrotron SAXS experiments and NMR to assess the difference between these two isoforms.

Les bactéries utilisent un mode de communication appelé quorum sensing pour régulerl’expression des gènes en fonction de la densité de population et contrôler ainsi de façonmulticellulaire des processus tels que la sporulation, la compétence ou la virulence. Chez les bactériesà Gram-positif, le quorum sensing repose principalement sur la production, la sécrétion et la détectionde petits peptides de signalisation.Le projet porte sur l’étude du système quorum sensing: NprR/NprX chez Bacillus cereus, oùNprR est l’effecteur qui reconnait spécifiquement le peptide de signalisation NprX. NprR est uneprotéine bi-fonctionnelle. Seule, elle agit en tant qu’inhibiteur de la sporulation, en complexe avecNprX, elle perd sa fonction initiale au profit d’une activité facteur de transcription impliquée dans lavirulence. NprR appartient à une famille d’effecteurs de quorum sensing appelée RNPP (Rap, NprR,PlcR et PrgX) encore mal caractérisée au niveau structural. Mon projet de thèse a consisté en l’analysestructure-fonction du système NprR/NprX.Pour comprendre la régulation fonctionnelle de NprR par NprX, des études en solution (SECMALSet DLS) ont permis de mettre en évidence un switch moléculaire qui repose sur un changementd’oligomérisation. Ainsi NprX fait basculer NprR d’une conformation Apo dimérique à uneconformation compléxée tétramérique.L’étude structurale par cristallographie a aboutit à la résolution de la structure du complexeNprR/NprX. L’analyse de ce tétramère suggère la reconnaissance de 2 sites distincts sur l’ADN.L’étude structurale par SAXS, a quant à elle, permis de proposer une conformation dimérique de laforme Apo NprR, modèle conforté grâce à une étude par mutagénèse dirigée des résidus d’interface. Ils’agit d’un mode de dimérisation semblable à celui des protéines Rap (membres de la famille RNPP).La caractérisation par ITC de l’interaction NprR/NprX avec différentes formes du peptide,ainsi que l’analyse de la poche de fixation du complexe, ont permis de mieux comprendre la spécificitéd’interaction et de mettre en évidence deux résidus clés de l’effecteur : l’Asn275 essentielle à lafixation du peptide et l’Arg 126 essentielle à l’activation de la fonction facteur de transcription.Ces travaux ont contribué à une meilleure compréhension du système quorum sensingNprR/NprX grâce à l’élucidation du switch moléculaire contrôlé par NprX mais aussi à une meilleureconnaissance de la famille d’effecteurs RNPP. / Bacteria use a communication mode named quorum sensing to regulate gene expression depending on the population density and thus to control processes such as sporulation, competence or virulence in a multicellular manner. In Gram-positive bacteria, the quorum sensing relies mostly on the production, the secretion and the detection of small signaling peptides. The project focuses on the study of the quorum sensing system NprR/NprX in Bacillus cereus, where NprR is the effector, which recognizes specifically the signaling peptide NprX. NprR is a bi-functional protein. In the absence of peptide, it acts as a sporulation inhibitor while in complex with NprX, it acts as transcription factor implicated in virulence. NprR belongs to a family of quorum sensing effectors named RNPP (for the first identified members: Rap, NprR, PlcR and PrgX) still not well characterized at a structural level. My PhD project consisted to perform the structure/function analysis of the NprR/NprX system. To understand the functional regulation of NprR by NprX, I carried out different studies in solution (SEC-MALS and DLS). These results allowed me to highlight a molecular switch based on a changing of the oligomerisation state of the protein. NprX binding switches NprR from an Apo dimeric conformation to a tetrameric complex. The structural study by crystallography led to the resolution of the tetrameric NprR/NprX complex structure. The analysis of this tetramer suggests the recognition of 2 DNA binding sites. The structural study of the dimeric conformation of Apo NprR by SAXS, allowed me to propose a model similar to that of the Rap dimers (members of RNPP family). This model is supported by a directed mutagenesis study of interface residues. The characterization by ITC of the NprR/NprX interaction with different forms of the peptide, as well as the analysis of the binding pocket in the complex, led to a better understanding of the specificity of the interaction. Two key residues of the effector were highlighted: Asn275, essential to peptide binding and Arg126, essential to the activation of the transcription factor function. These results have contributed to a better understanding of the NprR/NprX quorum sensing system thanks to the elucidation of the molecular switch controlled by NprX but also in a better knowledge of the RNPP effectors family.

Les polykétides sont des molécules complexes possédant des rôles thérapeutiques divers (antibiotiques, anticancéreux, immunosuppresseurs, etc..). Ces composés sont synthétisés par les polykétides synthases (PKS) qui présentent donc un intérêt certain. Une stratégie prometteuse et en développement, appelée biologie synthétique, consiste en l’ingénierie protéique des PKS pour produire de nouveaux polykétides. Cependant, un prérequis au succès de cette méthode est la compréhension du fonctionnement des PKS. En effet, les PKS sont des systèmes complexes composés de plusieurs sous-unités. Celles-ci comportent chacune un ou plusieurs modules responsable d’un cycle d’extension du polykétide. Les modules sont composés également de plusieurs domaines assurant chacun un rôle biosynthétique. Il est ainsi nécessaire de comprendre comment s’opère la communication entre domaines au sein d’un module. Pour cela, nous avons étudié le module 5 de la PKS synthétisant la virginiamycine M par une approche combinant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), la résonance magnétique nucléaire (RMN) et la modélisation par homologie. Ainsi nous sommes parvenus à caractériser la structure en solution du module 5, mais également à positionner les structures à haute résolution des domaines à l’intérieur de l’enveloppe SAXS. De plus, notre étude de la dynamique du module 5 a montré que les deux domaines acyl carrier protein (ACP) composant le module semblent non-équivalents, et que l’ACP5b doit être doté d’une certaine mobilité afin d’être fonctionnel, ceci dû à la flexibilité du linker reliant les deux ACP. L’interaction entre les sous-unités consécutives est également primordiale pour assurer la fidélité de la synthèse des polykétides. Ces interactions sont assurées, au moins en partie, par des domaines de petite taille appelés « domaine de docking (DD) ». Jusqu’alors, les DD avaient été caractérisés uniquement chez les PKS de type cis-AT. Nous avons caractérisé une nouvelle classe de DD, la première chez les PKS trans-AT. Grâce à une approche pluridisciplinaire, nous avons montré que l’un des DD constitue probablement une protéine intrinsèquement désordonnée (IDP) : son interaction avec le DD partenaire induirait son repliement. Nous avons résolu la structure RMN d’une protéine de fusion entre les deux DD, affichant une nouvelle topologie pour une interaction protéine-protéine. Cette interface de docking a ensuite été replacée dans son contexte modulaire par SAXS. Contrairement aux autres DD qui ne forment qu’une seule interface de docking, ces DD forment deux complexes de docking à l’intersection des deux sous-unités. Nos données SAXS nous avons également permis de proposer un modèle de l’interface créée entre deux sous-unités PKS dans laquelle une chambre réactionnelle est formée, qui pourrait servir à protéger des intermédiaires réactifs de polykétide. Des enzymes post-PKS interviennent suite à la synthèse du polykétide pour maturer ce dernier. Cette étape est d’une importance considérable puisqu’elle confère la structure et l’activité finale du polykétide. Dans ce contexte, nous avons mené une étude structure/fonction de l’enzyme post-PKS catalysant la macrocyclisation de l’antibiotique lankacidine C. Après un phasage par SAD sur la protéine séléniée, nous avons résolu la structure de l’enzyme en complexe avec des analogues de substrats, puis procéder à la conception de mutants pour résoudre la structure de l’enzyme avec son substrat naturel / Polyketides are structurally complex molecules which exhibit diverse therapeutic activities (antibiotic, antitumor, immunosuppressant…). These compounds and the enzymes responsible for their synthesis, the polyketide synthases (PKSs), are thus of significant biomedical interest. An emerging though promising strategy for the generation of novel polyketides is the engineering of the PKS proteins, an approach called synthetic biology. Nevertheless, a fundamental understanding of the mode of operation of the PKS enzymes is directly correlated with the success of this methodology. Indeed, PKSs are molecular-scale assembly lines which are composed of several subunit, each of which includes one or several modules catalyzing a polyketide elongation cycle. The module themselves are composed of several domains each with a specific role in the biosynthesis. It is therefore necessary to understand how the domains within a module communicate with each other. To address this question, we studied module 5 of the PKS responsible for virginiamycin M using an approach combining small angle X-ray scattering (SAXS), nuclear magnetic resonance (NMR) and homology modeling. This strategy allowed us to characterize the solution structure of module 5, but additionally to position high-resolution domain structures inside the SAXS envelopes. We also studied the dynamics of module 5, demonstrating that the two component acyl carrier proteins (ACPs) appear to be non-equivalent, and that the function of ACP5b is likely dependent on the mobility conferred on it by the flexible linker between the two domains. The interaction between the consecutive subunits is also critical to ensuring the fidelity of polyketide synthesis. This communication is assured, at least in part, by small domains called docking domains (DD), which have to date only been characterized from cis-AT PKS. Here, we have identified a new class of DD, the first shown to be present in trans-AT PKSs. Using a multidisciplinary approach, we have demonstrated that the N-terminal DD (VirFG NDD) is likely to be an intrinsically disordered protein (IDP), whose interaction with its partner DD (VirA CDD) induces its folding. We have solved the NMR structure of a fusion protein between the two DD, revealing a new topology for a protein-protein interaction. This docking interface was then placed into its modular context by SAXS. In contrast to the other classes of DD which form a single docking complex, this new type of DD gives rise to two docking interfaces at the intersubunit junction. Finally, our SAXS data have allowed us to propose a model for the complete interface between two PKS subunits in which a reaction chamber is formed, which may allow reactive polyketide intermediates to be protected. Post-PKS enzymes catalyze maturation of the polyketide after its release from the last module of the PKS. This processing is critical as it yields the final structure and activity of the polyketide. In this context, we conducted a structure/function study of the post-PKS enzyme catalyzing the macrocyclisation of the antibiotic lankacidine C. After phasing by SAD using a seleniated protein, we solved the structure of the enzyme in complex with substrate analogues. We then proceeded to site-directed mutagenesis of specific residues, in order to solve the structure of the enzyme in complex with its natural substrate