Le système sécrétion de type V à deux partenaires ou système TPS est un système dédié à la sécrétion de protéines de grandes tailles souvent impliquées dans la virulence. La protéine sécrétée ou protéine TpsA traverse la membrane externe via son partenaire membranaire spécifique, la protéine TpsB. Ces systèmes TPS sont répartis en deux sous-familles, la sous-famille FHA/FhaC et la sous-famille HMW1A/HMW1B, peu caractérisée structuralement, à laquelle appartient le système HxuA/HxuB dédié à l’acquisition de l’hème extracellulaire chez Haemophilus influenzae. Ma thèse est consacrée à l’étude structurale et fonctionnelle du système HxuA/HxuB. A cette fin, le système de sécrétion HxuA/HxuB a été recréé chez E. coli. Le domaine N-terminal de HxuA, HxuA301, et son partenaire HxuB entier ont été produits respectivement en surnageant de culture et en membrane externe. Après purification de ces protéines, des essais de cristallogenèse ont été réalisés. Des cristaux ont été obtenus pour HxuA301 et HxuB. Seule la structure de HxuA301 a pu être déterminée avec une résolution de 1,5 Å. HxuA301 présente une structure en hélice-β main droite avec un motif extra-hélice constitué de quatre brins-β antiparallèles. Des croisements entre les systèmes HxuA/HxuB et HMW1A/HMW1B ont été réalisées et ont mis en évidence le fait que HxuB n’est pas indispensable au repliement de HxuA301. On a en effet pu résoudre la structure de HxuA301 produite dans E. coli sans HxuB (HxuA301-noB) qui est en tout point identique à celle de HxuA301. Cette observation appuie l’hypothèse selon laquelle le domaine N-terminal des protéines TpsA serve à initier le repliement progressif de la protéine TpsA une fois la surface bactérienne atteinte. / The type V two-partner secretion system or TPS system is a system dedicated to the secretion of large proteins mostly implied in virulence. The secreted protein or TpsA protein crosses the outer membrane thanks to its membrane partner, the TpsB protein. The TPS systems are subdivided into two subfamilies, the FHA/FhaC and HMW1A/HMW1B subfamily, with few structural characterized, in which belongs the system HxuA/HxuB dedicated to the acquisition of extracellular haem in Haemophilus influenzae. My thesis focuses on the structural and functional study of HxuA/HxuB system. In that aim, HxuA/HxuB secretion system has been recreated in E. coli. HxuA N-terminal domain, HxuA301, and full length HxuB membrane partner have been produced respectively in the supernatant and in the outer membrane. After purification of these proteins, crystallogenesis assays have been realized. Crystals have been obtained for HxuA301 and HxuB. Only the HxuA301 structure has been determined with a resolution of 1,5 Å. HxuA301 presents a structure in right-handed β-helix with one extra-helix motif constituted a four antiparallel β-strands. Crossing between HxuA/HxuB and HMW1A/HMW1B systems has been realized and highlighted that HxuB is not necessary for the folding of HxuA301. Indeed, we succeed to solve the structure of HxuA301 produced in E. coli without HxuB (HxuA301-noB) which is strictly identical to the one of HxuA301. This observation supports the hypothesis that N-terminal domain of TpsA could act as a scaffold pour the progressive folding of TpsA protein once the cell surface reached.

Les conversions enzymatiques des antigènes du système des groupes sanguins ABO et de l'antigène majeur de xénotransplantation α3Gal représentent des alternatives thérapeutiques afin d'améliorer l'approvisionnement des hôpitaux en sang de groupe O et la transplantation d'organes. La famille GH110 des glycoside hydrolases comprend des enzymes actives sur les antigène B et α3Gal à pH neutre et fonctionnant avec un mécanisme catalytique par inversion. La sous‐famille GH110_A regroupe des membres actifs exclusivement sur l'antigène B, tandis que la sous‐famille GH110_B regroupe des membres actifs sur les antigènes B et α3Gal. Le travail présenté dans ce manuscrit décrit les études structurales et fonctionnelles de deux α‐galactosidases, BtGal110A (GH110_A) et BtGal110B (GH110_B), de la famille GH110 provenant de la bactérie commensale Bacteroides thetaiotaomicron et représentatives des chacune des ces deux sous‐familes. La spécificité de substrat et la grande efficacité catalytique de ces enzymes à pH neutre ont été confirmées grâce à des oligosaccharides mimant l'extrémité des antigènes B et α3Gal. BtGal110A et BtGal110B se replient en hélice β droite et se distinguent d'autres protéines au repliement similaire par la présence de deux domaines additionnels qui adoptent un repliement en demi tonneau β et participent à l'architecture du site actif. La machinerie catalytique de BtGal110A et BtGal110B est constituée de trois acides aspartiques, semblable à celle des enzymes des familles GH28 et GH49, qui partagent la même repliement en hélice β. / Enzymatic conversions of the ABO blood group antigens and of the major xenotransplantation α3Gal antigen represent therapeutic alternatives intended to improve supply of hospitals with requested blood type O and organs. The family GH110 of glycoside hydrolases includes enzymes active towards B and α3Gal antigen within neutral pH and employs an inverting catalytic mechanism. The GH110_A subfamily gathers enzymes with exquisite substrate specificity towards the B antigen, while the GH110_B subfamily gathers enzymes active towards the B and the α3Gal antigens. The present manuscript describes the functional and structural studies of two α‐galactosidases BtGal110A (GH110_A) and BtGal110B (GH110_B) from the commensal bacteria Bacteroides thetaiotaomicron, two representative members of each of these two subfamilies. The substrate specificity and high catalytic efficiency of these enzymes at neutral pH were confirmed using oligosaccharides corresponding to the terminal carbohydrate sequences of the B and α3Gal antigens. BtGal110A and BtGal110B contain a right‐handed β‐helix, but he presence of two additional domains tfolded as half β‐barrels, which participate to the architecture of the active site distinguishes BtGal110A and BtGal110B fro other related glycoside hydrolases. The catalytic machinery consists of three aspartic acids, reminiscent of that of enzymes from the GH28 and GH49 families, which share a similar β‐helix fold. Our observations support the membership of family GH110 to the clan‐N of glycoside hydrolases.

Depuis la découverte de la protéine fluorescente verte (GFP) en 1962, de nombreux développements ont permis d'améliorer l'utilisation de cette protéine naturellement luminescente en tant que puissant outil permettant de suivre des protéines ou des organelles d'intérêt dans les cellules ou organismes vivants. Au début du 21ème siècle, la découverte des protéines fluorescentes photoactivables (PAFPs), notamment chez les anthozoaires, a initié une révolution dans le domaine de la technologie des FP. Certaines PAFPs sont capables d'être irréversiblement photoconverties d'une forme fluorescente verte à une forme fluorescente rouge alors que d'autres peuvent être réversiblement commutées entre des formes allumées ou éteintes, selon des longueurs d'onde d'excitation spécifiques.Ces protéines sont intensivement employées pour les techniques de microscopie optique, particulièrement en “nanoscopie”, qui permet d'atteindre une résolution optique 10 fois meilleure que la limite théorique d'Abbe. Afin de développer plus en avant ces techniques, notamment en terme de résolution temporelle, la nécessité d'obtenir des sondes fluorescentes plus lumineuses pouvant se photoconvertir ou se photocommuter efficacement est cruciale. Dans un même temps, les marqueurs fluorescents doivent généralement être monomériques et photostables. Afin de mieux comprendre les mécanismes des phototransformations des PAFPs, trois membres de la famille ont été étudiés : EosFP, Dendra2 et IrisFP. Le phénomène de photoconversion du vert au rouge, de photocommutation réversible et de photoblanchiment irréversible ont été étudiés grâce à une combinaison de cristallographie des rayons X et de microspectrophotométrie, en utilisant le laboratoire Cryobench de l'ESRF/IBS. Pris ensemble, les résultats nous ont permis de proposer un mécanisme de photoconversion pour EosFP et Dendra2 et de découvrir et caractériser IrisFP, première PAFP combinant à la fois les propriétés de photoconversion et de photocommutation. Les modifications structurales du chromophore associées à la formation d'un état radicalaire induit par les rayons X, probablement impliqué dans la voie de photoblanchiment des PAFPs, ont aussi été caracterisées.

Pour résoudre de novo la structure de protéines par cristallographie, il est nécessaire de calculer les phases des facteurs de structure à partir des intensités des rayons X diffractés. Pour ce but, les méthodes SAD et MAD se servent de la diffusion anomale d'atomes présents dans le cristal de la protéine. L'introduction de ces diffuseurs anomaux dans les cristaux est une des étapes clés de la résolution de structure des protéines.<br />Nous avons étudié une classe de huit complexes de gadolinium servant à insérer les diffuseurs anomaux dans les cristaux de protéine. Le gadolinium présente une forte diffusion anomale et avec le rayonnement X d'un générateur de laboratoire et dans son seuil d'absorption LIII.<br />Une étude cristallographique menée avec cette classe de complexes et avec huit protéines différentes a permis de démontrer le potentiel élevé des complexes pour la préparation de dérivés à fort pouvoir de phasage. En effet, pour un grand nombre des dérivés testés, les phases expérimentales calculées ont mené à des cartes de densité expérimentale d'excellente qualité, permettant la construction aisée du modèle de la protéine.<br />L'affinement de la structure des complexes liés à la protéine a permis de comprendre l'interaction des différents complexes avec les protéines.<br />L'utilisation des complexes a permis de résoudre la structure de quatre nouvelles protéines.<br />Nous avons également étudié des méthodes physico-chimiques alternatives à la cristallographie dans le dessein de détecter la fixation d'un complexe sur une protéine en tenant compte de la particularité de l'interaction qui est caractérisée par une constante de d'association faible.

Les bactéries utilisent la communication intercellulaire pour se coordonner afin de réguler des processus bactériens majeurs comme la virulence, la sporulation, la compétence ou la formation de biofilms en fonction de la densité cellulaire. Ce processus repose sur la sécrétion de petites molécules signal appelées phéromones. Chez les bactéries à gram positif, ces phéromones sont de petits peptides qui peuvent être, soit reconnus au niveau de la membrane externe par des systèmes à deux composants dits systèmes indirects, soit être re-internalisés afin de se fixer directement sur un régulateur transcriptionnel cytoplasmique. Dans la recherche de nouveaux agents antimicrobiens, le potentiel thérapeutique d’inhibiteurs ciblant les systèmes de communication intercellulaire est bien étudié chez les bactéries à gram négatif qui utilisent des homosérine lactones comme phéromones. Quelques études s’intéressent aux systèmes indirects de bactéries pathogènes à gram positif mais le potentiel des systèmes directs, plus récemment identifiés, n’a pas encore été explorés.Les récepteurs cytoplasmiques directement régulés par des peptides signal re-internalisés forment la famille des RNPP. Ces récepteurs sont caractérisés par un domaine de fixation du peptide composé d’une répétition de motifs en hélice  appelés TetratricoPeptide Repeats (TPR). La plupart de ces récepteurs sont des régulateurs transcriptionnels contenant un domaine N-terminal de fixation de l’ADN de type Hélice-Tour-Hélice (HTH). Les études précédentes ont montré que, malgré une structure conservée, les modes de régulation des différents membres de la famille RNPP suivent des mécanismes moléculaires distincts. L’un de ces systèmes directs le mieux caractérisé est le système ComRS qui régule la compétence chez les streptocoques. La compétence permet aux bactéries d’internaliser des fragments d’ADN exogènes pour l’acquisition de nouveaux phénotypes tels que la résistance aux antibiotiques ou la virulence. Dans le groupe salivarius, il a été montré que les récepteurs ComR de deux espèces très proches, S. thermophilus et S. vestibularis, ne sont pas capables de coordonner leur état de compétence par échange de leurs peptides ComS respectifs.L'objectif de ma thèse a été d'étudier les déterminants structuraux de la spécificité du système ComRS. J’ai produit, purifié et cristallisé le récepteur ComR de S. vestibularis afin d’en déterminer la structure cristalline, seul et en présence de son peptide signal ComS. La comparaison de ces structures avec celles précédemment résolues chez S. thermophilus, conjointement à une étude fonctionnelle par mutagénèse dirigée réalisée chez nos collaborateurs (P. Hols, UCLouvain, Belgique), a permis d’aller plus loin dans la compréhension du mécanisme de régulation de ComR mais aussi d’identifier les résidus responsables de la spécificité du système ComRS. En parallèle, j’ai également initié la caractérisation structurale de deux paralogues de ComR chez S. salivarius, ScuR et SarF, qui ne sont pas activés par ComS et ne reconnaissent pas les mêmes cibles ADN que ComR malgré des séquences très conservées. Une analyse par SEC-MALS et SAXS m’a permis de montrer que ScuR semble suivre un mécanisme similaire à celui de ComR alors que SarF se comporte différemment en solution. J’ai proposé un modèle par homologie pour ScuR et cristallisé SarF. La résolution de sa structure est en cours. Cette étude permet donc de mieux comprendre la régulation de la compétence chez les streptocoques et ouvre la voie à d’éventuelles applications biotechnologiques ou biomédicales. / Bacteria use intercellular communication to coordinate and regulate major bacterial processes such as virulence, sporulation, competence or biofilm formation, as a function of cell density. This process relies on the secretion of small signal molecules called pheromones. In gram-positive bacteria, these pheromones are small peptides that can be either recognized at the outer membrane by two-component systems called indirect systems, or can be re-internalized to directly interact with a cytoplasmic transcriptional regulator. In the search for new antimicrobial agents, the therapeutic potential of inhibitors targeting intercellular communication systems is well studied in gram-negative bacteria that use homoserine lactones as pheromones. Some studies focus on the indirect systems of gram-positive pathogenic bacteria, but the potential of the more recently identified direct systems has not yet been explored.The cytoplasmic receptors directly regulated by re-internalized signal peptides form the RNPP family. These receptors are characterized by a peptide binding domain consisting of repeats of  helical motifs called TetratricoPeptide Repeats (TPR). Most of these receptors are transcriptional regulators containing an N-terminal DNA binding domain of the helix-turn-helix (HTH) type. Previous studies have shown that, despite a conserved structure, the modes of regulation of the different members of the RNPP family follow distinct molecular mechanisms. One of the best characterized direct systems is the ComRS system that regulates competence in streptococci. Competence allows bacteria to internalize exogenous DNA fragments for the acquisition of new phenotypes such as antibiotic resistance or virulence. In the salivarius group, it has been shown that the ComR receptors of two closely related species, S. thermophilus and S. vestibularis, are not able to coordinate their state of competence by exchange of their respective ComS peptides.The aim of my thesis was to study the structural determinants of the specificity of the ComRS system. I produced, purified and crystallized the ComR receptor from S. vestibularis in order to determine its crystal structure, alone and in the presence of its ComS signal peptide. The comparison of these structures with those previously solved with ComR from S. thermophilus, together with a functional study by directed mutagenesis performed by our collaborators (P. Hols, UCLouvain, Belgium), allowed us to go further in the understanding of the regulatory mechanism of ComR but also to identify residues responsible for the specificity of the ComRS system. In parallel, I also initiated the structural characterization of two ComR paralogs from S. salivarius, ScuR and SarF, which are not activated by ComS and do not recognize the same DNA targets as ComR despite highly conserved sequences. SEC-MALS and SAXS analyses allowed me to show that ScuR seems to follow a mechanism similar to that of ComR whereas SarF behaves differently in solution. I proposed a homology model for ScuR and crystallized SarF. The resolution of its structure is in progress. This study therefore provides a better understanding of the regulation of competence in streptococci and opens the way to potential biotechnological or biomedical applications.

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

Les acides chlorogéniques (CGAs) représentent une famille d'esters formés d'un dérivé de l'acide cinnamique conjugué à l'acide quinique ou shikimique. Ces métabolites secondaires produits par la voie des phénylpropanoides sont largement répandus chez les végétaux terrestres et sont une source majeure d'antioxydants alimentaires. Les esters hydroxycinnamoyl-CoA sont les précurseurs des CGAs et d'autres composés phénoliques tels que les lignines. Ces intermédiaires activés sont synthétisés à partir d'un acide hydroxycinnamique et du coenzyme A par la 4-coumarate CoA ligase (4CL) appartenant à la superfamille des enzymes formant des adénylates. Nicotiana tabacum 4CL2 a été utilisée pour la production d'esters et sa structure a été résolue par remplacement moléculaire. Deux gènes codant pour des hydroxycinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxycinnamoyltransférases chez Coffea canephora ont été clonés. CcHCT et CcHQT, qui appartiennent à la superfamille des acyltransférases acyl-CoA-dépendantes, ont été surexprimées dans E. coli et purifiées à homogénéité. L'analyse par diffraction aux rayons X de cristaux de CcHCT a permis de déterminer sa structure par remplacement moléculaire. Un modèle a été dérivé par homologie de séquence pour CcHQT afin de proposer les déterminants de la préférence pour l'acide quinique ou shikimique. Des modélisations moléculaires ont été réalisées afin d'identifier les résidus potentiellement impliqués dans les intéractions enzyme-substrat. L'analyse par chromatographie liquide haute performance des réactions enzymatiques ont montré que ces enzymes sont capables de synthétiser l'acide 5-O-caféoylquinique mais aussi le diester 3,5-O-dicaffeoylquinique, qui est un composé majeur du grain de café avant mûrissement. La production de variants par mutagenèse dirigée a permis l'identification de résidus importants pour la catalyse des réactions de mono- et de diacylation. L'approche combinée de la biologie structurale et de l'enzymologie s'avère particulièrement utile pour mieux comprendre le rôle de HCT et HQT.

Les acides chlorogéniques (CGAs) représentent une famille d'esters formés d'un dérivé de l'acide cinnamique conjugué à l'acide quinique ou shikimique. Ces métabolites secondaires produits par la voie des phénylpropanoides sont largement répandus chez les végétaux terrestres et sont une source majeure d'antioxydants alimentaires. Les esters hydroxycinnamoyl-CoA sont les précurseurs des CGAs et d'autres composés phénoliques tels que les lignines. Ces intermédiaires activés sont synthétisés à partir d'un acide hydroxycinnamique et du coenzyme A par la 4-coumarate CoA ligase (4CL) appartenant à la superfamille des enzymes formant des adénylates. Nicotiana tabacum 4CL2 a été utilisée pour la production d'esters et sa structure a été résolue par remplacement moléculaire. Deux gènes codant pour des hydroxycinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxycinnamoyltransférases chez Coffea canephora ont été clonés. CcHCT et CcHQT, qui appartiennent à la superfamille des acyltransférases acyl-CoA-dépendantes, ont été surexprimées dans E. coli et purifiées à homogénéité. L'analyse par diffraction aux rayons X de cristaux de CcHCT a permis de déterminer sa structure par remplacement moléculaire. Un modèle a été dérivé par homologie de séquence pour CcHQT afin de proposer les déterminants de la préférence pour l'acide quinique ou shikimique. Des modélisations moléculaires ont été réalisées afin d'identifier les résidus potentiellement impliqués dans les intéractions enzyme-substrat. L'analyse par chromatographie liquide haute performance des réactions enzymatiques ont montré que ces enzymes sont capables de synthétiser l'acide 5-O-caféoylquinique mais aussi le diester 3,5-O-dicaffeoylquinique, qui est un composé majeur du grain de café avant mûrissement. La production de variants par mutagenèse dirigée a permis l'identification de résidus importants pour la catalyse des réactions de mono- et de diacylation. L'approche combinée de la biologie structurale et de l'enzymologie s'avère particulièrement utile pour mieux comprendre le rôle de HCT et HQT.

Les acides chlorogéniques (CGAs) représentent une famille d'esters formés d'un dérivé de l'acide cinnamique conjugué à l'acide quinique ou shikimique. Ces métabolites secondaires produits par la voie des phénylpropanoides sont largement répandus chez les végétaux terrestres et sont une source majeure d'antioxydants alimentaires. Les esters hydroxycinnamoyl-CoA sont les précurseurs des CGAs et d'autres composés phénoliques tels que les lignines. Ces intermédiaires activés sont synthétisés à partir d'un acide hydroxycinnamique et du coenzyme A par la 4-coumarate CoA ligase (4CL) appartenant à la superfamille des enzymes formant des adénylates. Nicotiana tabacum 4CL2 a été utilisée pour la production d'esters et sa structure a été résolue par remplacement moléculaire. Deux gènes codant pour des hydroxycinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxycinnamoyltransférases chez Coffea canephora ont été clonés. CcHCT et CcHQT, qui appartiennent à la superfamille des acyltransférases acyl-CoA-dépendantes, ont été surexprimées dans E. coli et purifiées à homogénéité. L'analyse par diffraction aux rayons X de cristaux de CcHCT a permis de déterminer sa structure par remplacement moléculaire. Un modèle a été dérivé par homologie de séquence pour CcHQT afin de proposer les déterminants de la préférence pour l'acide quinique ou shikimique. Des modélisations moléculaires ont été réalisées afin d'identifier les résidus potentiellement impliqués dans les intéractions enzyme-substrat. L'analyse par chromatographie liquide haute performance des réactions enzymatiques ont montré que ces enzymes sont capables de synthétiser l'acide 5-O-caféoylquinique mais aussi le diester 3,5-O-dicaffeoylquinique, qui est un composé majeur du grain de café avant mûrissement. La production de variants par mutagenèse dirigée a permis l'identification de résidus importants pour la catalyse des réactions de mono- et de diacylation. L'approche combinée de la biologie structurale et de l'enzymologie s'avère particulièrement utile pour mieux comprendre le rôle de HCT et HQT. / Chlorogenic acids (CGAs) represent a family of esters formed between a cinnamic acid derivative and quinic or shikimic acid. CGAs are secondary metabolites produced via the phenylpropanoid pathway by higher plants and are a major source of dietary antioxidants. Hydroxycinnamoyl-CoA esters are the precursors for CGAs and other phenolic compounds such as lignins. These activated intermediates are synthesized from a hydroxycinnamic acid and coenzyme A by 4-coumarate CoA ligase (4CL), which belongs to the adenylate-forming enzyme superfamily. Nicotiana tabacum 4CL2 was used to produce hydroxycinnamoyl-CoA esters and its structure was solved by molecular replacement. Two genes encoding hydroxycinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxycinnamoyltransferases from Coffea canephora were cloned. CcHCT and CcHQT, which belong to the acyl-CoA-dependent acyltransferase superfamily, were overexpressed in E. coli and purified to homogeneity. X-ray diffraction analysis of CcHCT crystals resulted in a structural solution by molecular replacement. A homology model was derived for CcHQT in order to propose some determinants of the preference for quinic or shikimic acid. Docking experiments were carried out in order to identify potential residues involved in enzyme-substrate interactions. High performance liquid chromatography analysis of enzymatic reactions showed that these enzymes are capable of synthesizing 5-O-caffeoylquinic acid but also the diester 3,5-O-dicaffeoylquinic acid, which is a major component of the coffee grain before ripening. The production of variants by site-directed mutagenesis enabled the identification of residues important for catalysis of the mono- and diacyltransfer reactions. The combined approach of structural biology and enzymology provides molecular insights into the role of HCT and HQT in CGA biosynthesis.

Le développement d’une économie basée sur l’hydrogène implique l’utilisation de catalyseurs efficaces et peu chers. Pour cela on peut s’inspirer de la nature qui a produit des métalloenzymes, les hydrogénases. On considère que la maturation est réalisée en deux étapes. Dans un premier temps, les clusters [4Fe–4S] sont assemblés par les systèmes ISC/SUF. Puis trois maturases, HydE/F/G réalisent la biosynthèse du 2Fe sous-cluster pour synthétiser le cluster-H. Seules quelques hydrogénases à [FeFe] ont été caractérisées montrant une grande diversité alors qu’elles possèdent le même centre catalytique, le cluster-H. Ainsi, une partie de cette thèse a porté sur l’utilisation de la «maturation chimique» pour activer de nouvelles enzymes apo-HydA. L’hydrogénase provenant de Megasphaera elsdenii, et sa version tronquée, MeH-HydA, contenant seulement le domaine du cluster-H ont été étudiées grâce à cette technique. La stratégie mise en œuvre a été la reconstitution des cofacteurs métalliques par l’assemblage des clusters [4Fe–4S] et la maturation des enzymes par le complexe biomimétique [Fe2(adt)(CO)4(CN)2]2–. Les hybrides HydF synthétisés en incubant la protéine contenant le cluster [4Fe–4S] avec les complexes biomimétiques [Fe2(xdt)(CO)4(CN)2]2– possèdent un centre à 6 fers similaire au cluster-H. Cette grande similarité amène au dernier point traité dans cette thèse: la possible activité catalytique d’HydF en tant que «hydrogénase artificielle». Les hybrides de HydF ont été caractérisés et leur activité d’hydrogénase a été évaluée. De plus, une structure RX de la protéine contenant son cluster [4Fe-4S] a été obtenue. / There is a general agreement that the building of a sustainable H2 economy relies on the availability of cheap, abundant and efficient catalysts. Nature has provided attractive solutions, hydrogenases. However, these enzymes are difficult to produce and so far only few HydAs have been completely characterized showing diversity despite the same active site. This core, H-cluster, is composed of a [4Fe–4S] cluster bound via a Cys to a diiron complex which has 3 CO, 2 CN and an azadithiolate ligands. Recently, it has been showed that hydrogenases can be easily produced through the insertion of a biomimetic [Fe2(adt)(CO)4(CN)2]2– complex inside the heterologously produced apo-enzyme, resulting in a full activation. Part of the PhD has been focused on the chemical maturation of new HydA from Megasphaera elsdenii and its truncated version, MeH-HydA, containing only the H-cluster. The assembly of all metal cofactors via the chemical reconstitution of the [Fe–S] clusters and the maturation through the [Fe2(adt)(CO)4(CN)2]2–complex has been carried out. Interestingly, HydF hybrids synthesized incorporating biomimetic [Fe2(xdt)(CO)4(CN)2]2– complexes onto the [4Fe–4S] cluster HydF protein, have a 6Fe core reminiscent of the H-cluster. HydFs from different organisms were purified and subsequently the [4Fe–4S] cluster has been reconstituted. For the first time, an X-ray structure of HydF with its [4Fe-4S] cluster has been obtained. The 6Fe cluster of HydF has been also prepared chemically with diiron complexes mimicking the active site of HydA. The metallo-cofactors have been spectroscopically characterized (EPR, FTIR, HYSCORE), hydrogenase activities evaluated.