La cryo-microscopie électronique a connu une révolution majeure ces dernières années, liée à des évolutions technologiques importantes, tant au niveau des microscopes, que des caméras ou des logiciels de traitement d’images. Ainsi, avec l’arrivée de microscopes électroniques plus stables mécaniquement et électroniquement, il est possible d’enregistrer plusieurs milliers d’images de façon automatique en quelques jours, et par conséquent d’obtenir un jeu initial d’images conséquent des particules des complexes protéiques étudiés. Sauf que maintenant, il ne s’agit plus d’image au sens strict, mais de film. En effet, les nouvelles caméras, dites à détection directe d’électrons, permettent de décomposer l’image en plusieurs fractions d’images au cours de l’exposition, et ce, avec une sensibilité dix fois supérieure par rapport à celle des anciennes caméras. L’analyse de ces fractions d’images a permis de montrer que les particules protéiques, bien que piégées dans une mince pellicule de glace, bougeaient sous l’effet du faisceau d’électrons. L’alignement des fractions et leur sommation permettent ainsi de corriger ces mouvements, améliorant la qualité du signal contenu dans chaque image. Ainsi, alors que pendant des dizaines d’années, les informations structurales extraites des images des microscopes électroniques étaient limitées à la moyenne résolution, c’est à dire entre 5 et 15 Å de résolution, nous voyons apparaître depuis ces deux-trois dernières années, de très nombreuses cartes de densités électroniques de complexes protéiques issues de la microscopie électronique, à des résolutions inférieures à 4 Å, permettant de construire des modèles atomiques à l’aide d’outils jusqu’alors réservés à la cristallographie aux rayons X. C’est dans ce contexte, que j’ai étudié par cryo-microscopie électronique et traitement d’images, l’organisation structurale de trois virus de plante :- Le virus de la mosaïque de l’arabette (ArMV), un Nepovirus uniquement transmis par le nématode Xiphinema diversicaudatum, qui est responsable de la maladie du court-noué de la vigne. -Le virus de la tâche de la fève (BBSV), un Comovirus transmis par les coléoptères, responsable de la dégénération chez les légumineuses.- Le virus de la mosaïque du chou-fleur (CaMV), un Caulimovirus servant de virus modèle pour l’étude de la transmission des virus non circulants.Les virus sont des parasites endocellulaires obligatoires, dont l’efficacité dépend de leur capacité de réplication au sein de la cellule infectée et de leur transmission vers de nouveaux hôtes. En raison de l’immobilité des plantes, les phytovirus font souvent appel à des vecteurs pour la transmission plante à plante, qui sont principalement des insectes, des nématodes, des champignons ou des acariens. Les phytovirus sont généralement responsables d’une baisse importante de croissance de la plante et des fruits, voire de la mort de l’hôte infecté. Les dégâts ainsi causés engendrent des pertes de rendement dans les cultures partout dans le monde, se traduisant par d’énormes pertes économiques pour les cultivateurs. Ce travail de thèse présente les structures atomiques de l’ArMV et du BBSV obtenues par cryo-microscopie électronique, ainsi que les premiers résultats obtenus sur la structure de la capside du CaMV, et sa protéine de transmission P2. / A revolution has taken over the world of cryo-electron microscopy for the last years, by dint of a major breakthrough both in technology, with the rise of new microscopes and cameras, and in image processing. With the advent of high-end microscopes, mechanically and electronically more stable, one can expect to record an initial data set of thousand images in few days, thanks to automated acquisition. Besides, the new direct electron detectors can not only record images, but also movies with a better sensitivity than the one we used to have. The movie processing revealed the existence of a beam-induced motion occurring during acquisition. The correction of the motion through frame alignment improves significantly the quality of data. Thus, cryo-electron microscopy was only limited to a middle resolution range (5 to 15 Å) until two or three years ago, when several density maps above 4 Å started to appear, allowing the building of atomic model using tools that were only restricted to X-ray crystallography.In this context, I have studied the structural organization of three plant viruses, using cryo-electron microscopy and image processing:- Arabis Mosaic Virus (ArMV), it’s a Nepovirus only transmitted by the nematode Xiphinema diversicaudatum, responsible for disease of vineyards.- Broad Bean Stain Virus (BBSV), it’s a Comovirus transmitted by beetles, responsible for the degeneration of leguminous plants.- Cauliflower Mosaic Virus (CaMV), it’s a Caulimovirus used as model to characterize the transmission of non circulative viruses.Viruses are obligate intracellular parasites, which efficiency is directly related to its replicative capacity inside the infected cell, and its transmission to new hosts. Due to the immobility of plants, plant viruses often use vectors for the transmission plant to plant, which are mainly insects, nematodes, fungi or mites. Plant viruses are generally responsible for a significant decrease in plant and fruit growth, and even the death of the plant. The plant viruses are devasting fields worldwide, causing huge loss in crop yield each year. This study highlights the atomic structures of ArMV and BBSV, as well as the first data about the CaMV capsid and its transmission protein.

Les bactériophages neutralisent les systèmes de défense et détournent les fonctions vitales de leur hôte pour favoriser leur multiplication. Les gènes de phages qui gouvernent cette prise de contrôle de l’hôte restent mal connus, pourtant leur caractérisation présente un intérêt majeur pour mettre à jour des fonctions bactériennes spécifiquement ciblées par les phages et pour concevoir de nouveaux agents antibactériens.Le phage T5 injecte son ADN dans la bactérie Escherichia coli en deux étapes. Seuls les gènes précoces codés par 8% du génome entrent dans la cellule et le transfert s’arrête. Leur expression induit la dégradation du chromosome de l’hôte et l’inactivation de ses systèmes de restriction et de réparation de l’ADN. Après quelques minutes, le reste de la molécule d’ADN est injecté, ce qui permet la production de nouveaux phages. Deux gènes précoces A1 et A2 ont été identifiés comme essentiels pour la reprise du transfert de l’ADN et A1 est également nécessaire pour induire la dégradation de l’ADN de l’hôte. A1 et A2 sont les deux seuls gènes connus pour être impliqués dans la régulation de ce système original d’infection, mais leur fonction n’a jamais été identifiée.Ma thèse porte sur la caractérisation fonctionnelle et structurale des protéines A1 et A2. J’ai purifié A1 et démontré in vitro qu’elle avait une activité DNase dépendante du manganèse. Sa structure atomique a été résolue par cryomicroscopie électronique à 3.01 Å de résolution, montrant une organisation octamérique de symétrie D4 inédite pour une DNase. Chaque monomère (61kDa) contient un domaine exonuclease dont le site actif lie deux ions Mn2+ et qui s’apparente au site catalytique des domaines exonucléases de la DNA polymerase II et des DNAses associées aux systèmes de recombinaison homologue et de réparation de l’ADN comme Mre11. En construisant différents mutants de A1, j’ai identifié certains acides aminés essentiels pour l’activité catalytique et, par des expériences de complémentation fonctionnelle, j’ai montré que cette activité était indispensable pour l’infection. L’ensemble de ces résultats suggèrent que A1 est la DNase, jusqu’ici inconnue, responsable de la dégradation massive du génome de l’hôte au tout début de l’infection. Enfin, j’ai observé que la production de A1 pendant l’infection induit une forte activité recombinase. De nombreux autres bactériophages qui n’appartiennent pas à la famille des T5virus produisent également une protéine similaire à A1 dont la fonction n’a jamais été identifiée. Ce travail est un premier pas vers la compréhension de son rôle dans le mécanisme général d‘infection par les phages. Une deuxième partie de cette thèse porte sur la caractérisation structurale de A2. Des recherches de similarité indiquent la présence d’un domaine Helix-Turn-Helix typique des régulateurs transcriptionnels. J’ai purifié A2 et montré que cette protéine de 14 kDa est un dimère en solution. La caractérisation des propriétés biochimiques de A2 a permis de débuter l’étude de sa structure par RMN.Les résultats de ma thèse ont révélé la structure originale d’une DNase de bactériophage qui contrôle la dégradation du génome bactérien et la régulation du transport de l’ADN viral au début du cycle infectieux. Ces résultats soulèvent des questions intrigantes : comment l’ADN de T5 est-il protégé de l’activité DNase de A1 ? Comment A1 et A2 interagissent-elles lors des étapes de prise de contrôle de l’hôte ? / Bacteriophages defeat bacterial defences and hijack host cell machineries to establish a favourable environment for their multiplication. Early-expressed viral genes that govern host takeover are highly diverse from one phage to another and most of them have no assigned function. They thus represent a pool of novel genes whose products potentially subvert bacterial cell vital functions and could help in designing new antibacterial strategies.T5 phage uses a unique 2-step mechanism to deliver its DNA into its host Escherichia coli. At the onset of the infection, only 8 % of the genome enter the cell before the transfer temporarily stops. Expression of the genes encoded by this DNA portion leads to host chromosome degradation and inactivation of host restriction and DNA mending systems. After a few minutes, T5 DNA transfer resumes, allowing further phage multiplication. A1 and A2 are early genes required for DNA transfer completion and A1 is also necessary to trigger host DNA degradation. A1 and A2 are the only two genes known to be involved in the regulation of this original infection system, but their function yet remains to be characterized.The objectives of this work were to characterize the function and structure of A1 and A2 proteins. I have purified the A1 protein and shown that it has a manganese-dependent DNase activity in vitro. Cryo Electron Microscopy at 3.01 Å resolution unravelled its structure, showing an octameric organization with a D4 symmetry, which is unprecedented for a DNase. Each monomer (61 kDa) carries an exonuclease domain harbouring an active site with two Mn2+ ions. This site is similar to those from the exonuclease domain of the DNA polymerase II and from DNases involved in DNA mending and recombination events like Mre11. I identified essential catalytic residues for the DNase activity and demonstrated that this activity is crucial for infection by engineering A1 mutant proteins and by doing functional complementation assays. Taken together, my results suggest that A1 could then be the elusive DNase responsible for the massive host genome degradation observed during T5 phage infection. Eventually, I uncovered a recombinase activity associated to A1 production during infection. Similar proteins to A1 with unknown functions are produced in several other bacteriophages outside of the T5virus family. This work is a first step towards understanding the role of this protein in the general mechanism of infection by bacteriophages. In a second part, I worked on the structural characterisation of A2 protein. Similarity searches revealed a helix-turn-helix domain typically found in transcriptional regulators. I purified and demonstrated the dimeric organisation of this 14-kDa protein in solution. This initial characterization of A2 has opened avenues for further NMR studies.During my Ph.D., I uncovered the structure of an original bacteriophage DNase that controls bacterial genome degradation and that regulates viral DNA transport at the beginning of the infectious cycle. These results open the intriguing question about the mechanism for T5 DNA protection from A1 DNase activity as well as about the interplay between A1 and A2 during the host takeover.

The aim of this thesis is to investigate applicability of regulariza- tion by Krylov subspace methods to discrete inverse problems arising in single particle analysis (SPA). We start with a smooth model formulation and describe its discretization, yielding an ill-posed inverse problem Ax ≈ b, where A is a lin- ear operator and b represents the measured noisy data. We provide theoretical background and overview of selected methods for the solution of general linear inverse problems. Then we focus on specific properties of inverse problems from SPA, and provide experimental analysis based on synthetically generated SPA datasets (experiments are performed in the Matlab enviroment). Turning to the solution of our inverse problem, we investigate in particular an approach based on iterative Hybrid LSQR with inner Tikhonov regularization. A reliable stopping criterion for the iterative part as well as parameter-choice method for the inner regularization are discussed. Providing a complete implementation of the proposed solver (in Matlab and in C++), its performance is evaluated on various SPA model datasets, considering high levels of noise and realistic distri- bution of orientations of scanning angles. Comparison to other regularization methods, including the ART method traditionally used in SPA,...

Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) is an evolving field allowing molecular visu- alizations with picometer resolutions. Images are acquired by shooting electrons through molecular samples and detecting the scattered electrons. From such data, 3D shapes of the molecules can be inversely reconstructed. Currently, describing and simulating the cryo-EM image formation is based either on naive transmittance models or complicated wave-function formalisms. In this thesis, we explore the possibility of simulating cryo-EM image formation via Monte Carlo electron tracing. We combine a delta-tracking algorithm with an elec- tron elastic differential cross-section function and Rutherford formulae to derive two Monte Carlo estimators. The derived models are implemented in a high-performance C++/CUDA environment and compared with other common models. Our particle-based simulated images show considerable similarity to the wave-based state-of-the-art multi- slice model. We also evaluate our models on class averages of real measurements. Both of our proposed models have significantly higher normalized cross-correlation scores with the measured class averages when compared to the most commonly used transmittance model. The thesis proves the viability of a particle-based Monte Carlo simulation of elec- tron microscope...

The breast cancer susceptibility protein, BRCA1, is a tumor suppressor that helps maintain genomic integrity. Changes in BRCA1 that effect DNA repair processes can fuel cancer induction. The Kelly lab, at the Virginia Tech Carilion Research Institute, has recently developed a new methodology that employs silicon nitride (SiN) microchips to isolate BRCA1 assemblies from the nuclear material of breast cancer cells. These microchips are coated with adaptor proteins that include antibodies against target proteins of interest. The adaptor proteins are added in sequential steps to the coated microchips, followed by an aliquot of sample containing the protein of interest, such as BRCA1. The Kelly lab, partnered with Protochips Inc., developed these devices as a robust, tunable platform to monitor molecular processes, and refer to them as 'Cryo-SiN' in cryo-Electron Microscopy (EM) imaging. We are currently using Cryo-SiN to recruit BRCA1 protein assemblies to the microchip surface under mild conditions, while simultaneously preparing them for cryogenic preservation and EM imaging. This strategy presents a viable alternative to antibody affinity columns that require stringent elution steps to obtain protein complexes from the column. Another advantage of the microchip strategy is that it requires only a 30-minute nuclear extraction, a 60-minute enrichment procedure, and a 5-minute microchip capture step--a total of 95 minutes from initially lysing the cells to plunge-freezing the EM specimens. Therefore, these novel approaches represent a major departure from classical separation procedures that often require days to complete, during which time active protein assemblies can readily dissociate or become inactive. Overall, our use of BRCA1-specific microchips may reveal changes in the BRCA1 architecture during various stages of cancer progression--a major gap in knowledge that persists in cancer research. / M. S. / Modern advances in the imaging technology used for cryogenic electron microscopy (cryo-EM) have offered researchers an extraordinary view into the world of biology at the nanoscale. Supplemental to these technical innovations is the development of tunable substrates based on functional new materials that revolutionize the sequestering of biological components from human cells, such as protein complexes formed in breast cancer cells. New developments of novel viewing substrates, given traditional electron microscopy viewing grids have remained unchanged for decades, is the logical next step into the future of enhanced cryo-EM imaging. Tunable microchip substrates, made using recently enhanced micro-engineering techniques, are currently under development for use in cryo-EM imaging. In this work I have examined these microchip substrates for their capacity to streamline the isolation of biomolecules such as the protein most prominently cited in breast cancer, known as the breast cancer susceptibility protein (BRCA1). Utilizing these novel microchip substrates in the Kelly Lab, I have collected and analyzed data containing BRCA1 proteins, formed in human breast cancer cells, toward the development of 3-dimensional protein structures that allow us to peer into the structure-function relationships of these proteins. New and exciting Cryo-EM data, collected using these newly developed microchips, has the potential to reveal obscure disease mechanisms being propagated at the molecular level in modern clinical practice, such as breast cancer.

Eine Hauptanwendung der Einzelpartikel-Analyse in der Kryo-Elektronenmikroskopie ist die Charakterisierung der dreidimensionalen Struktur makromolekularer Komplexe. Dazu werden zehntausende Bilder verwendet, die verrauschte zweidimensionale Projektionen des Partikels zeigen. Im ersten Schritt werden ein niedrig aufgelöstetes Anfangsmodell rekonstruiert sowie die unbekannten Bildorientierungen geschätzt. Dies ist ein schwieriges inverses Problem mit vielen Unbekannten, einschließlich einer unbekannten Orientierung für jedes Projektionsbild. Ein gutes Anfangsmodell ist entscheidend für den Erfolg des anschließenden Verfeinerungsschrittes. Meine Dissertation stellt zwei neue Algorithmen zur Rekonstruktion eines Anfangsmodells in der Kryo-Elektronenmikroskopie vor, welche auf einer groben Darstellung der Elektronendichte basieren. Die beiden wesentlichen Beiträge meiner Arbeit sind zum einen das Modell, welches die Elektronendichte darstellt, und zum anderen die neuen Rekonstruktionsalgorithmen. Der erste Hauptbeitrag liegt in der Verwendung Gaußscher Mischverteilungen zur Darstellung von Elektrondichten im Rekonstruktionsschritt. Ich verwende kugelförmige Mischungskomponenten mit unbekannten Positionen, Ausdehnungen und Gewichtungen. Diese Darstellung hat viele Vorteile im Vergleich zu einer gitterbasierten Elektronendichte, die andere Rekonstruktionsalgorithmen üblicherweise verwenden. Zum Beispiel benötigt sie wesentlich weniger Parameter, was zu schnelleren und robusteren Algorithmen führt. Der zweite Hauptbeitrag ist die Entwicklung von Markovketten-Monte-Carlo-Verfahren im Rahmen eines Bayes'schen Ansatzes zur Schätzung der Modellparameter. Der erste Algorithmus kann aus dem Gibbs-Sampling, welches Gaußsche Mischverteilungen an Punktwolken anpasst, abgeleitet werden. Dieser Algorithmus wird hier so erweitert, dass er auch mit Bildern, Projektionen sowie unbekannten Drehungen und Verschiebungen funktioniert. Der zweite Algorithmus wählt einen anderen Zugang. Das Vorwärtsmodell nimmt nun Gaußsche Fehler an. Sampling-Algorithmen wie Hamiltonian Monte Carlo (HMC) erlauben es, die Positionen der Mischungskomponenten und die Bildorientierungen zu schätzen. Meine Dissertation zeigt umfassende numerische Experimente mit simulierten und echten Daten, die die vorgestellten Algorithmen in der Praxis testen und mit anderen Rekonstruktionsverfahren vergleichen.

Sowohl die kotranslationale Translokation von sekretorischen Proteinen durch die Membran als auch die Insertion von Membranproteinen sind essentielle Prozesse in allen lebenden Zellen. Sie erfordern die Sortierung des translatierenden Ribosoms zur Membran mittels des Signalerkenungspartikels (SRP), eines im Verlauf der Evolution konservierten Ribonukleoprotein-Partikels. SRP erkennt die Signalsequenz einer wachsenden Proteinkette, sobald diese aus dem Ribosom hervortritt. Die Bindung von SRP führt zum Anhalten der Peptidelongation (Elongationsarrest) und zum Andocken an den membrangebundenen SRP-Rezeptor (SR). In dieser Arbeit wird die 12 Å Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur eines Sortierungs-Komplexes dargestellt, der aus dem Säugetier-SRP gebunden an ein aktives Ribosom mit Signalsequenz besteht. Ein erstes molekulares Modell von SRP in dieser Konformation wurde erzeugt. Es zeigt wie die S-Domäne von SRP die große ribosomale Untereinheit nahe dem Peptidtunnel-Ausgang kontaktiert, um dort die Signalsequenz zu binden. Außerdem wird deutlich wie die Alu-Domäne von SRP in die Bindungsstelle für Elongationsfaktoren hineinreicht, wodurch die Elongationsarrest-Aktivität der Alu-Domäne erklärt wird. Auf dieser Basis konnte ein erstes Struktur-basiertes Modell der ersten Schritte der kotranslationalen Proteinsortierung entworfen werden. Darüberhinaus wurde auch der Schritt des Andockens an die Membran visualisiert, indem die Struktur des Ribosom-SRP-SR-Komplexes durch Kryo-EM gelöst wurde. Erste Schlüsse hinsichtlich des Mechanismus, der das Ribosom vom SRP zum Translokon transferiert, können hier gezogen werden. Als Nebenergebnis konnte durch die erreichte hohe Auflösung die Position des wichtigen ribosomalen Proteins L30e in der Kryo-EM-Struktur des Weizenkeim-Ribosoms idenifiziert werden. / Cotranslational translocation of proteins across or into membranes is a vital process in all kingdoms of life. It requires targeting of the translating ribosome to the membrane by the signal recognition particle (SRP), an evolutionary conserved ribonucleoprotein particle. SRP recognizes signal sequences of nascent protein chains emerging from the ribosome. Subsequent binding of SRP leads to pausing of peptide elongation and docking to the membrane-bound SRP receptor. Here, the 12 Å cryo-electron microscopy structure of a targeting complex is presented consisting of mammalian SRP bound to an active 80S ribosome carrying a signal sequence. A molecular model of SRP in this functional conformation was generated. The model reveals how the S-domain of SRP contacts the large ribosomal subunit at the nascent chain exit site to bind the signal sequence, and that the Alu-domain reaches into the elongation factor binding site of the ribosome explaining its elongation arrest activity. A molecular model of the first steps of protein targeting is presented. Moreover, also the docking step has been visualized by solving a cryo-EM structure of the ribosome-SRP complex bound to the SRP receptor. This structure provides first hints regarding the mechanism of ribosome transfer to the translocon. As a side result the position of the functionally significant ribosomal protein L30e has been identified in the high resolution maps of the wheat germ ribosome.

Infections arising from multidrug-resistant pathogenic bacteria are spreading rapidly throughout the world and threaten to become untreatable. The origins of resistance are numerous and complex, but one underlying factor is the capacity of bacteria to rapidly export drugs through the intrinsic activity of efflux pumps. In this work, a summary is provided of our current understanding of the structures and molecular mechanisms of multidrug efflux pumps in bacteria (Chapter 1). The emerging picture of the structure, function and regulation of efflux pumps suggests opportunities for countering their activities. Although this thesis primarily explores structure and function, it also elucidates the hidden regulatory mechanism (post-translational) behind the association of a small protein called AcrZ with the tripartite complex AcrAB/TolC, in connection with the lipid environment, and the resulting changes in the latter's functionality (Chapter 2). A regulatory role of the native membrane lipid environment as well as of small proteins for efflux pump activity have previously been hypothesised. I present the first example of a function-regulating role of the lipid cardiolipin in combination with a small protein binding partner (AcrZ) for the substrate selectivity and transport activity of an efflux pump protein (AcrB). This regulation happens through induced structural changes which have remained unseen so far. Alongside with these results, a nanodisc reconstitution method was experimentally adapted for a structure-function investigation of an efflux pump (complex) using cryo-EM (Chapter 2). Beyond some fundamental regulatory insights, hidden intrinsic transport mechanisms for some transporters have also remained to be explored and studied. The discovery of a mechanism for active influx by a prominent efflux pump model system (Chapter 3) provides hope that this phenomenon is more common amongst multidrug transporters and that it could be utilised for drug discovery purposes. This novel feature explains the contradictory findings on this transporter in the past and raises new questions about the little-known physiological role and evolution of efflux pumps. The development and evolution of antimicrobial resistance has frequently shown to be a multifactorial and fast-moving process. One of these factors is the evolution of pumps itself towards an altered functionality (e.g. towards a broader or altered substrate spectrum or higher efflux rates). Against this background, the role of key carboxylate residues for efflux-energising proton trafficking was investigated for a prominent study model of a secondary-active transporter (Chapter 4). The re-allocation and/or addition of acidic residues was demonstrated to result in the preservation of wild type activity or the generation of hyper-efflux activity, respectively. These findings suggest that rapid emergence of antimicrobial resistance could be enhanced by the 'plasticity' in the location of key carboxylate residues with a role in proton coupling. It also demonstrates the necessity of antimicrobial drug design programmes to anticipate possible trajectories of an adaptive evolution of efflux pump. The 'cryo-EM revolution' has boosted the pace at which new structural and functional insights into multidrug efflux pumps are gained. Nevertheless, in order to derive the structure of individual pump components or of a full assembly, it is sometimes necessary to identify and characterise homologues and mutants, which would allow the application of cryo-EM for obtaining near-atomic maps. Functional analyses presented in this work helped to characterise a homologue and mutants of the MacAB/TolC tripartite complex to justify the obtained protein structures and strategies for further functional characterisation (Chapter 5). Given (1) the unusual stoichiometry of a MacB dimer in complex with a hexameric membrane-fusion protein (MacA), which leads to a seeming leakiness of the assembly, and (2) the fact that substrate has to pass through a narrow aperture in the membrane-fusion protein for extrusion, it is rather surprising that MacB was previously shown to transport an entire toxin. An experimental approach was developed that could enable the structure determination of a toxin-bound full assembly of MacAB/TolC (Chapter 5). Finally, the role of multidrug efflux pumps for the evolution of multidrug resistance is yet to be studied and better explored. For instance, evolutionary trajectories of pump overexpression, as compared to those of regular expression or no expression, are unknown yet could have the potential to reveal useful insights for spread prevention and drug design. The outline of an experimental design with some preliminary validating data is presented in Chapter 6.

Les récepteurs nucléaires (RNs) sont des facteurs de transcriptions se liant à des séquences spécifiques d'ADN et activant la transcription de gènes en réponse à la fixation de ligands spécifiques. Parmi tous les RNs impliquées dans l'étiologie des cancers, les récepteurs liés aux œstrogènes ERR jouent un rôle important dans les cancers du sein, de l'ovaire, du colon, de l’endomètre et la prostate. Ce RN est dit orphelin car il ne possède pas de ligand naturel connu à ce jour. Par une approche de biologie structurale intégrative combinant cryo-microscopie électronique, bioinformatique et évolution, mon travail de thèse s'est focalisé sur l'étude structurale de ERR et sur l'origine et l'évolution des RNs. Dans ce contexte, 3 outils informatiques ont été développés. Les résultats obtenus ont permis d'une part la révision des connaissances fondamentales sur l'origine des récepteurs nucléaires et leur évolution. D'autre part, l'étude structurale de ERR a permis d'acquérir de nouvelles données sur la topologie des récepteurs nucléaires stéroidiens fixés sur un élément de réponse ERRE/ERE ainsi que sur le mécanisme allostérique de la liaison du coactivateur PGC-1α sur le dimère de ERR. La résolution du complexe à l'échelle atomique par cryo-microscopie électronique permettra d'ouvrir la voie vers la conception de nouvelles molécules thérapeutiques. / Nuclear receptors (NRs) are transcription factors which bind to specific DNA sequences and activate gene transcription in response to the binding of specific ligands. Among all of the RNs involved in the etiology of cancers, ERR estrogen receptors play an important role in breast, ovarian, colon, endometrial and prostate cancers. This NR is said to be orphan because it does not have a natural ligand known to date. Using an integrative structural biology approach combining cryo-electron microscopy, bioinformatics and evolution, my PhD work focused on the structural study of ERR and the origin and evolution of RNs. In this context, three informatic tools have been developed. The results obtained allowed, on the one hand, the revision of fundamental knowledge on the origin of nuclear receptors and their evolution. On the other hand, structural study of ERR allow us to acquire new data on topology of steroid nuclear receptors fixed on an element of ERRE / ERE response as well as on the allosteric mechanism of the binding of the coactivator PGC-1α on the dimer of ERR. The resolution of the complex at the atomic scale by cryo-electron microscopy will open the way towards the design of new therapeutic molecules.

Les ADN topoisomérases régulent la topologie de l’ADN lors des processus cellulaires tels que la réplication, la transcription ou la ségrégation des chromosomes au cours de la division cellulaire. Leur rôle crucial dans le maintien de l’intégrité du génome et dans la transmission des gènes en fait des cibles privilégiées pour le développement de molécules thérapeutiques. Cependant, les inhibiteurs utilisés actuellement comme agents anti-tumoraux contre les topoisomérases humaines sont peu spécifiques et entrainent de nombreux effets secondaires. De même, l’utilisation massive d’antibiotiques à large spectre contre les topoisomérases bactériennes entraine l’apparition de mutations et le développement de souches résistantes. L'amélioration des traitements dépend de notre compréhension du mécanisme catalytique, des fonctions cellulaires précises, des architectures tridimensionnelles et des processus d'inhibition de ces ADN topoisomérases. Nous nous sommes tout d’abord consacrés à l’étude structurale de l’interaction entre la Coumermycine-A1, un antibiotique de la famille des aminocoumarines, avec le domaine ATPase de l’ADN Gyrase, une topoisomérase 2A bactérienne. Les résultats obtenus ont révélé un mode d’inhibition inédit et ouvrent la voie à la conception de nouveaux dérivés de cet antibiotique, ciblant plus spécifiquement les ADN Gyrases de pathogènes. La seconde partie de la thèse a consisté en l’étude de l’architecture complète de l’ADN Gyrase et de l’isoforme alpha de la Topo II humaine par Cryo-microscopie électronique. Les données structurales obtenues révèlent pour la première fois l’architecture complète de ces topoisomérases à haute résolution. L’ensemble des résultats apporte de nouveaux éléments pour la compréhension des mouvements allostériques des topoisomérases 2A lors du cycle catalytique. Ces données, jusque-là inaccessibles par les méthodes structurales conventionnelles, sont essentielles pour le développement de nouvelles molécules inhibitrices pouvant cibler spécifiquement différents états catalytiques. / DNA topoisomerases regulate DNA topology during cellular processes such as replication, transcription or chromosome segregation. Their crucial role in maintaining the integrity of the genome and in genetic transmission makes them prime targets for the development of therapeutic molecules. However, the inhibitors currently used as anti-tumor agents against human topoisomerases are not very specific and cause many side effects. Similarly, the massive use of broad-spectrum antibiotics against bacterial topoisomerases leads to the appearance of mutations and the development of resistant strains. The optimization of current therapeutics depends on our understanding of the catalytic mechanism, the precise cellular functions, the complete three-dimensional architectures and the inhibition processes of these topoisomerases. This study first focused on the structural characterization of the interaction between Coumermycin-A1, an aminocoumarin antibiotic, with the ATPase domain of DNA Gyrase, a bacterial Type 2A topoisomerase. The results obtained revealed an unprecedented mode of inhibition and pave the way to the design of new variants of this antibiotic, specifically targeting pathogenic DNA Gyrases. The second part of the thesis consisted in the study of the complete architecture of the DNA Gyrase and the human Topo II alpha isoform by Cryo-electron microscopy. The structural data obtained reveal for the first time the complete architecture of these topoisomerases at high-resolution. The results shed light on the finely-tuned allosteric movements of topoisomerases 2A during the catalytic cycle. These information, until now out of reach using the conventional structural methods, are essential for the development of new inhibitory molecules that can specifically target different catalytic states.