Single particle electron cryomicroscopy (cryo-EM) is a method of structure determination that uses many randomly oriented images of the specimen to construct a three-dimensional density map. In this thesis, single particle cryo-EM has been used to determine the structure of intact adenosine triphosphate (ATP) synthase from bovine heart mitochondria, an approximately 550 kDa membrane protein complex. In respiring organisms, ATP synthase is responsible for synthesizing the majority of ATP, a molecule that serves as an energy source for many cellular reactions. In order to understand the mechanism of ATP synthase, knowledge of the arrangement of subunits in the intact complex is necessary. To obtain maps of intact ATP synthase showing internal density distributions by single particle cryo-EM, methodological improvements to image acquisition, map refinement, and data selection were developed. Further, a novel segmentation algorithm was developed to aid in interpretation of maps. The use of these tools allowed for construction and interpretation of two maps of ATP synthase, solubilized in different membrane mimetics, in which the arrangement of subunits could be identified. These maps revealed interactions within the complex important for its function. In addition, evidence was obtained for curvature of membrane mimetics around ATP synthase, suggesting a role for the complex in maintenance of mitochondrial membrane morphology.

Single particle electron cryomicroscopy (cryo-EM) is a method of structure determination that uses many randomly oriented images of the specimen to construct a three-dimensional density map. In this thesis, single particle cryo-EM has been used to determine the structure of intact adenosine triphosphate (ATP) synthase from bovine heart mitochondria, an approximately 550 kDa membrane protein complex. In respiring organisms, ATP synthase is responsible for synthesizing the majority of ATP, a molecule that serves as an energy source for many cellular reactions. In order to understand the mechanism of ATP synthase, knowledge of the arrangement of subunits in the intact complex is necessary. To obtain maps of intact ATP synthase showing internal density distributions by single particle cryo-EM, methodological improvements to image acquisition, map refinement, and data selection were developed. Further, a novel segmentation algorithm was developed to aid in interpretation of maps. The use of these tools allowed for construction and interpretation of two maps of ATP synthase, solubilized in different membrane mimetics, in which the arrangement of subunits could be identified. These maps revealed interactions within the complex important for its function. In addition, evidence was obtained for curvature of membrane mimetics around ATP synthase, suggesting a role for the complex in maintenance of mitochondrial membrane morphology.

Emerging arthropod-borne viruses, such as alphaviruses and bunyaviruses, represent a serious threat to human and animal health worldwide, and for most of them, vaccines and specific treatments are unavailable. Viral host cell entry can be divided into several entry checkpoints, and the most important checkpoints for low pH-dependent enveloped viruses, such as bunyaviruses and alphaviruses, include receptor binding at the cell surface and, followed by endocytosis, low pH dependent membrane fusion from within intracellular compartments. A more thorough understanding of the detailed mechanisms allowing the viruses to pass these checkpoints is a pre-requisite for the design of viral entry inhibitors. This thesis reports the in vitro analysis of native alphavirus-receptor interactions, with the help of electron cryo-microscopy and icosahedral reconstruction of virus-recaptor complexes, using the prototypic alphavirus Semliki Forest virus (SFV) and the C-type lectin DC-SIGN. Together with results from collaborative work on SFV glycosylation, this study provides progress in defining the binding sites of DC-SIGN at the surface of SFV. Second, an in vitro system for phlebovirus fusion was developed using standard fluorometry, and has been characterized with the help of electron cryo-microscopy. It was discovered that negatively charged phospholipids with a conical shape, including the late endosomal phospholipid BMP, allow efficient phlebovirus fusion in vitro, thereby providing a possible rationale for phlebovirus fusion in late endosomes. Furthermore, electron cryo-microscopy of phlebovirus-liposome complexes allowed the capture of early stage fusion intermediates and laid the basis for possible future higher resolution studies of these fusion intermediates.

Parmi les disciplines représentatives de la biostructure, la cryomicroscopie électronique permet, au travers de techniques adaptées, d'atteindre de hautes résolutions. Mon travail a porté sur l'étude d'une catégorie de molécules, les particules isolées à faible degré de symétrie et entre autres sur les pigments respiratoires extracellulaires tels que les hémocyanines de céphalopodes (Vampyroteuthis infernalis, Benthoctopus species, Sepia officinalis) et une hémoglobine d'annélide (Lumbricus terrestris). Une approche empirique a été retenue, et nous a permis de différencier les informations techniques et les données biologiques. Le premier but, basé sur l'utilisation d'un matériel biologique connu, était de travailler sur les techniques d'observation de l'échantillon, d'analyse des images, de reconstruction et de correction des structures. Le deuxième but était d'apporter des réponses de type biologique, par le biais de ces améliorations techniques. Le début de ma thèse fut lié à l'utilisation d'un microscope équipé d'un cristal de LaB6, ne permettant pas de descendre significativement sous la barre des 20 Å. Néanmoins, il nous a permis de répondre à une question de type phylogénétique (Benthoctopus species et Vampyroteuthis infernalis appartiennent à des ordres frères), et de démontrer l'importance du type de microscope et de la source électronique associée. Naturellement, l'étape suivante fut d'accéder à un microscope équipé d'un canon à émission de champ. L'accès sporadique et sur de courtes périodes à ce type de microscope, dont les premiers exemplaires sont arrivés en France en 2000, ne m'ont pas permis de tester systématiquement tous les modes d'utilisation. Malgré tout, les résultats que nous avons obtenu ont validé les avantages de l'émission de champ. Certes, la barre des 6-7 Å de résolution, donnant partiellement accès aux informations relatives à la structure secondaire des protéines, n'a pas encore été atteinte, mais il apparaît que les progrès que nous avons effectués tendent vers cette valeur. Cette progression repose en partie sur l'amélioration des méthodes de collecte des images, de reconstruction et de correction de la fonction de transfert de contraste.

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