L’acétylcholinestérase (AChE), une des enzymes les plus rapides dans la nature, est lacible d’un large nombre de toxiques, dont notamment les neurotoxiques organophosphorés.La première partie de ce manuscrit de thèse décrit le développement raisonné d’un nouveauréactivateur, qui présente des propriétés de réactivation supérieures aux moléculesactuellement sur le marché. Les interactions entre cette molécule, KM297, et l’AChE ontété étudiées par dynamique moléculaire, docking et cristallographie aux rayons X. La connaissancedes modes de liaison du KM297 dans l’AChE native ou inhibé par un OP ontpermis de développer la molécule JDS207, qui se lie de façon exclusive au site périphériquede l’AChE. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l’analyse des simulations de laAChE par dynamique moléculaire. On observe que la combinaison de multiples trajectoiresgénérées avec des paramètres de vélocité initiale différents est une méthode fiablepour caractériser les conformations atteintes par les chaînes latérales des acides aminés. Encomparant la distribution des rotamères pour l’AChE humaine et celle du poisson Torpedocalifornica, on montre que des différences importantes existent entre les enzymes des deuxespèces. A partir de ces informations sur les conformations de résidus clés du site actif,une méthode a été développée pour générer des récepteurs utilisable pour des calcules dedocking flexible, de façon à prendre en compte la dynamique propre à chaque résidu del’enzyme. Cette méthode a été validé en comparent les résultats obtenues à des structurescristallographiques connues. / Acetylcholinesterase (AChE), one of nature fastest enzyme, is the target of multiple toxics,including organophosphate nerve agents (OP). In the first part of this thesis I present thestructure-based development of a new uncharged reactivator, which showed characteristicsbetter than any molecule commercially available to date. The molecule has been rationallydesigned to present both affinity to the inhibited enzyme and good reactivation capabilities.The interactions between the lead molecule KM297 and AChE has been characterizedby means of flexible docking, molecular dynamics simulations and X-ray protein crystallography.The deeper understanding of its binding modes to both native and OP-inhibitedAChE has helped in developing a derivative, JDS207, whose binding mode at the peripheralsite of AChE is optimized. This derivative has also been studied by flexible docking and Xraycrystallography. The design of this family of reactivators taught us that a deep insightof the AChE dynamics is necessary to optimize ligands. The second part of the thesis isdevoted to the analysis of molecular dynamics simulations of AChE. At first, we assessedthat combining multiple short simulations is a fast and reliable method to characterizethe dynamics of the amino-acids side-chains. By comparing dynamics of the side-chainsfrom hAChE and TcAChE, we confirm that some key dynamical differences exist betweenthe two enzyme. The knowledge of the rotamers issued of MD simulation has lead us todevelop a new method to generate flexible receptors for docking, which is specific to eachsingle residue in the enzyme. This method has been validated by comparing its outputstructures with the ones found on the PDB database.

Le virus d'Epstein-Barr (EBV) est un γ -herpesvirus humain. Il est responsable de maladies telles que la mononucléose-infectieuse et il est associé à de nombreux<br />carcinomes et syndromes immunoprolifératifs. A la différence d'autres herpesvirus tel que herpes-simplex, il n'existe actuellement aucun médicament efficace contre EBV. Le génome d'EBV contient 86 cadres de lecture soit autant de cibles potentielles pour une approche de génomique structurale, permettant le développement rationnel de nouvelles thérapies. La première série de cibles sur laquelle nous avons travaillé code pour 23 protéines. De façon inattendue, le principal problème rencontré lors de ce projet fut la faible expression ainsi que l'insolubilité d'une grande partie des cibles.<br />Parmi les 8 protéines solubles, 5 furent cristallisées à l'issue de quoi, 4 structures furent résolues. La clef de la réussite de ce projet fut un traitement individuel de chaque cible plutôt que l'utilisation de protocoles standards. La partie centrale de ce travail porte sur l'Uracile-ADN Glycosylase (UNG). C'est une enzyme de réparation de l'ADN. Il nous fut impossible d'obtenir des cristaux de la protéine seule, mais, grâce à la formation d'un complexe avec une protéine inhibitrice produite par le phage PBS-2, nous obtînmes des cristaux diffractant à 2.3 Å. La structure de ce complexe nous permis l'expliquer l'organisation de la « boucle leucine », un domaine du site actif, qui comporte une insertion de 7 résidus chez tous les γ-herpesvirus. Malgré cette différence, les constantes catalytiques de l'UNG d'EBV sont proches de celles des autres UNGs ce qui suggère un mécanisme similaire d'interaction avec l'ADN. Le travail sur d'autres cibles et les difficultés qui leur sont <br />inhérentes est également abordé (notamment l'Alkaline Exonucléase).

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase de classe I qui fait montre d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-biphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-biphosphate (FBP), du sorbose-1,6-biphosphate et du psicose-1,6-biphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution de la structure native et en complexe avec le DHAP, a respectivement 1.87 et 1.92 Å de résolution. Ces mêmes structures ont permis de se représenter plus clairement le site actif de l'enzyme en général, et les résidus catalytiques en particulier. Le trempage des cristaux de TBP aldolase dans une solution saturante de DHAP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire iminium, ainsi que sa géométrie particulière en atteste. Des expériences d'échange de proton, entreprises afin d'évaluer le stéréoisomérisme du transfert de proton catalytique, ont également permis de faire une intéressante découverte : la TBP aldolase ne peut déprotoner le coté pro-R du C3 du DHAP, mais peut le protonner. Ce résultat, ainsi que la comparaison de la structure du complexe TBP aldolase-DHAP avec la structure du complexe FBP aldolase de muscle de lapin- DHAP, pointe vers un isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP. De plus, la résolution de ces deux structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières. / Tagatose-1,6-biphosphate aldolase from Streptococcus pyogenes is a class I aldolase that shows a lack of stereospecificity that is rare in enzymes in general, and in aldolases in particular. This aldolase catalyzes the reversible cleavage of tagatose-1,6-biphosphate (TBP), fructose-1,6-biphosphate (FBP), sorbose-1,6-biphosphate and psicose-1,6-biphosphate, four stereoisomers, in dihydroxyacetone phosphate and glyceraldehyde-3-phosphate (DHAP). In order to understand its mechanism, a structural study of TBP aldolase from S. pyogenes, one of the most versatile and virulent human pathogen, was initiated and high resolution crystallographic structures of native and DHAP-liganded TBP aldolase were solved. These structures allowed us to gain informations regarding active site residues implicated in catalysis and that give rise to the apparent lack of specificity. Soaking of TBP aldolase crystals in saturating DHAP solution specifically trapped the iminium intermediate, as demonstrated by its geometry. Furthermore, proton transfer studies uncovered an interesting phenomenon: TBP aldolase from S. pyogenes is unable to detritiate pro-R labelled hydrogen position at C3 of DHAP, yet it is able to tritiate both the pro-R and the pro-S position. These results, taken together with the superposition of the DHAP-TBP aldolase with the DHAP-FBP aldolase from rabbit muscle, suggest a cis-trans isomerism about the Schiff base C2-C3 bond. The resolution of both the native and the liganded structure also proved useful in identifying three very mobile regions in the protein. This trend could be linked to the putative metabolic sensor and genetic expression regulator role of LacD.1 in S. pyogenes. X-rays crystallography and traditional enzymatic kinetics allowed us to gain insights into the catalytic mechanism and others structural properties of this important metabolic enzyme.

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase de classe I qui fait montre d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-biphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-biphosphate (FBP), du sorbose-1,6-biphosphate et du psicose-1,6-biphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution de la structure native et en complexe avec le DHAP, a respectivement 1.87 et 1.92 Å de résolution. Ces mêmes structures ont permis de se représenter plus clairement le site actif de l'enzyme en général, et les résidus catalytiques en particulier. Le trempage des cristaux de TBP aldolase dans une solution saturante de DHAP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire iminium, ainsi que sa géométrie particulière en atteste. Des expériences d'échange de proton, entreprises afin d'évaluer le stéréoisomérisme du transfert de proton catalytique, ont également permis de faire une intéressante découverte : la TBP aldolase ne peut déprotoner le coté pro-R du C3 du DHAP, mais peut le protonner. Ce résultat, ainsi que la comparaison de la structure du complexe TBP aldolase-DHAP avec la structure du complexe FBP aldolase de muscle de lapin- DHAP, pointe vers un isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP. De plus, la résolution de ces deux structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières. / Tagatose-1,6-biphosphate aldolase from Streptococcus pyogenes is a class I aldolase that shows a lack of stereospecificity that is rare in enzymes in general, and in aldolases in particular. This aldolase catalyzes the reversible cleavage of tagatose-1,6-biphosphate (TBP), fructose-1,6-biphosphate (FBP), sorbose-1,6-biphosphate and psicose-1,6-biphosphate, four stereoisomers, in dihydroxyacetone phosphate and glyceraldehyde-3-phosphate (DHAP). In order to understand its mechanism, a structural study of TBP aldolase from S. pyogenes, one of the most versatile and virulent human pathogen, was initiated and high resolution crystallographic structures of native and DHAP-liganded TBP aldolase were solved. These structures allowed us to gain informations regarding active site residues implicated in catalysis and that give rise to the apparent lack of specificity. Soaking of TBP aldolase crystals in saturating DHAP solution specifically trapped the iminium intermediate, as demonstrated by its geometry. Furthermore, proton transfer studies uncovered an interesting phenomenon: TBP aldolase from S. pyogenes is unable to detritiate pro-R labelled hydrogen position at C3 of DHAP, yet it is able to tritiate both the pro-R and the pro-S position. These results, taken together with the superposition of the DHAP-TBP aldolase with the DHAP-FBP aldolase from rabbit muscle, suggest a cis-trans isomerism about the Schiff base C2-C3 bond. The resolution of both the native and the liganded structure also proved useful in identifying three very mobile regions in the protein. This trend could be linked to the putative metabolic sensor and genetic expression regulator role of LacD.1 in S. pyogenes. X-rays crystallography and traditional enzymatic kinetics allowed us to gain insights into the catalytic mechanism and others structural properties of this important metabolic enzyme.

Les virus sont les entités biologiques les plus abondantes dans les océans (&#8764;1031 particules). Ils colonisent tous les écosystèmes de la planète y compris les environnements extrêmement acides, chauds et salins, environnements où les archées sont les organismes dominants. Les virus infectant les Crenarchées hyperthermophiles présentent des morphologies exceptionnelles et aussi une très faible proportion de gènes possédant des homologues avec de fonction connue. Parmi ces virus, le virus ATV (Acidianus two-Tailed virus), infecte les archées hyperthermophiles du genre Acidianus. ATV a la propriété unique de présenter un important développement structural complètement indépendante de son hôte, à l'extérieur de celui-Ci. Les virions d'ATV développent de longues queues à chaque extrêmité de sa capside, mais seulement à des températures proches de celles de l'habitat de son hôte, 85°C. Le sujet de ma thèse a porté sur l'étude structurale de protéines du virion d'ATV. J'ai résolu la structure cristalline de la protéine ATV-273, qui possède un nouveau fold &#945;/&#946;. J'ai aussi déterminé la forme de l'enveloppe de cette protéine par SAXS. J'ai montré qu'il est possible de placer deux dimères d'ATV-273, observés dans la structure cristalline, dans cette enveloppe. Ce résultat est aussi en accord avec l'état d'oligomérisation en solution déterminé par chromatographie d'exclusion stérique couplée à la diffusion de la lumière. La fonction de cette protéine reste cependant inconnue. / Viruses are the most abundant biological entity in the oceans (&#8764;1031 particles) and remarkably, viruses populate every ecosystem on the planet including the extreme acidic, thermal, and saline environments where archaeal organisms dominate. The viruses infecting hyperthermophilic Crenarchaea revealed exceptional morphologies and also a very low proportion of genes with recognizable functions and homologues. Among these viruses we find ATV (Acidianus two-Tailed virus). ATV is a virus infecting hyperthermophilic archaea of the genus Acidianus, which has the unique property of undergoing a major morphological development outside and independently of the host cell. Virions develop long tails at each pointed end of the initial lemon-Shaped particle, at temperatures close to those of the host natural habitat, 85 °C. The subject of my thesis has focused on the virion proteins of ATV. I have solved the crystal structure of ATV-273 that revealed a new &#945;/&#946; fold. I have also obtained a SAXS envelope where it is possible to fit two crystal dimers, in agreement with the oligomerization state in solution as determined by size-Exclusion chromatography coupled to multi angle light scattering. The function of this protein, however, could be not determined. Moreover, a negative staining electron microscopy model was obtained for the AAA+ ATPase ATV-618, which belongs to the MoxR familiy and presents sequence high similarity with the AAA-ATase RavA from Escherichia coli K12. I have shown that this thermostable AAA-ATPase enzyme assumes a hexameric ring organisation in the presence of ATP.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste responsable de nombreuses maladies nosocomiales chez les patients immunodéprimés ainsi que d'infections graves chez les patients atteints de la mucoviscidose (CF). La colonisation des voies respiratoires des patients CF est souvent mortelle car une fois installée, cette bactérie est difficile à éradiquer et provoque le déclin des fonctions respiratoires des patients. L'antibiothérapie devient inefficace face au développement de souches multi-résistantes et sa capacité à former un biofilm. L'étape cruciale initiant l'infection ou la formation du biofilm est l'adhésion durant laquelle des interactions spécifiques lectines/oligosaccharides permettent la fixation de la bactérie à la surface de la cellule hôte. Bloquer l'adhésion serait un moyen de lutter contre l'infection. Dans l'approche d'une thérapie anti-adhésive, plusieurs lectines impliquées dans l'adhésion et l'élaboration du biofilm sont prises comme cibles. Dans un premier temps, des lectines fimbriales putatives identifiées récemment, CupB6 et CupE6, ont fait l'objet d'une étude. Des essais d'expression, de purification et de cristallisation ont été réalisés dans l'objectif de résoudre leur structure cristallographique. Une étude visant à identifier le ligand naturel de CupB6 a également été entreprise. Puis une étude a été menée pour caractériser le potentiel d'inhibition de plusieurs molécules dérivées du galactose sur la lectine soluble, PA-IL. Certaines de ces molécules pourraient être utilisées comme glycomimétiques offrant une alternative aux antibiotiques. Une étude par microcalorimétrie et cristallographie aux rayons X a permis d'étudier la spécificité d'une lectine de légumineuse, PELa.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste responsable de nombreuses maladies nosocomiales chez les patients immunodéprimés ainsi que d'infections graves chez les patients atteints de la mucoviscidose (CF). La colonisation des voies respiratoires des patients CF est souvent mortelle car une fois installée, cette bactérie est difficile à éradiquer et provoque le déclin des fonctions respiratoires des patients. L'antibiothérapie devient inefficace face au développement de souches multi-résistantes et sa capacité à former un biofilm. L'étape cruciale initiant l'infection ou la formation du biofilm est l'adhésion durant laquelle des interactions spécifiques lectines/oligosaccharides permettent la fixation de la bactérie à la surface de la cellule hôte. Bloquer l'adhésion serait un moyen de lutter contre l'infection. Dans l'approche d'une thérapie anti-adhésive, plusieurs lectines impliquées dans l'adhésion et l'élaboration du biofilm sont prises comme cibles. Dans un premier temps, des lectines fimbriales putatives identifiées récemment, CupB6 et CupE6, ont fait l'objet d'une étude. Des essais d'expression, de purification et de cristallisation ont été réalisés dans l'objectif de résoudre leur structure cristallographique. Une étude visant à identifier le ligand naturel de CupB6 a également été entreprise. Puis une étude a été menée pour caractériser le potentiel d'inhibition de plusieurs molécules dérivées du galactose sur la lectine soluble, PA-IL. Certaines de ces molécules pourraient être utilisées comme glycomimétiques offrant une alternative aux antibiotiques. Une étude par microcalorimétrie et cristallographie aux rayons X a permis d'étudier la spécificité d'une lectine de légumineuse, PELa. / P. aeruginosa is an opportunistic pathogenic bacterium responsible for numerous nosocomial infections in immunosuppressed patients. It is the first mortal pathogen in cystic fibrosis (CF) patients. The invasion of the respiratory tract of CF patients by the bacterium is often lethal because it is hard to eradicate and it rapidly impairs the respiratory functions of the patients. None of the current antibiotherapy procedures are efficient against multiresistant, biofilm forming P. aeruginosa. The first step leading to infection or biofilm formation involves the initial adhesion of bacterial cells to the host pulmonary cells via specific lectin/oligosaccharid interactions. Blocking the adhesion would be a way to fight against the infection. The anti-adhesion therapy targets several bacterial lectins involved in adhesiveness and biofilm formation. In this work, the recently identified putative fimbrial lectins CupB6 and CupE6 have been studied. Expression and purification tests followed by crystallization trials have been performed. In parallel, attempts to identify the natural ligand of CupB6 were also carried out. This work also presents a systematic characterization of the inhibitory effects of various galactose-derived molecules on the PA-IL lectin. Some of these molecules could be used as glycomimetic drugs thus offering an interesting alternative to standard antibiotics. Finally, the combination of microcalorimetry together with X-ray crystallography enabled us to gain insights into the ligand specificity of PELa, a legume lectin.

Le but de cette thèse est d’étudier les structures obtenues à partir des groupes de réflexion finis. Ce travail consiste en quatre articles publiés, un article soumis et un article en préparation dont les résultats partiels constituent un chapitre de cette thèse. Dans le premier article, nous présentons une réduction des orbites des groupes de Coxeter finis vers leurs sous-groupes. Nous utilisons des matrices de projection, c’est-à-dire, des applications qui transforment les racines simples d’un groupe de réflexion en les racines simples du sous-groupe associé. Les résultats présentés dans ce papier se concentrent sur les groupes finis de réflexion non crystallographiques. De plus, nous utilisons les polytopes engendrés par le groupe non crystallographique H3 pour illustrer les lois de ramification (branching rules), c’est-à-dire une réduction des orbites des groupes finis de Coxeter. Dans le deuxième article, nous étudions les polytopes avec 60 sommets engendrés par le groupe non crystallographique H3. Nous utilisons la méthode de décoration des diagrammes de Coxeter–Dynkin pour décrire leurs structures en détails et décomposer les sommets en somme des orbits de symétries de dimension inférieure. Le troisième article compare deux notations utilisées pour décrire le polyèdre engendré par le groupe de réflexion. Il s’agit du symbole de Schläfli et de la notation des points dominants. Nous y présentons les avantages de chaque méthode, expliquons les deux approches et nous les illustrons par des exemples. Dans le quatrième article, nous nous concentrons sur le graphène, c’est-à-dire un pavement d’hexagones sur le plan, qui possède de remarquables propriétés quand les sommets sont modélisés par des atomes de carbone. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes pour obtenir du graphène à partir de réseaux (lattices) et des orbites de dimension 3 des groupes finis de réflexion. De plus, une technique de coloriage des hexagones au moyen d’un nombre fini de couleurs est donnée avec une méthode systématique pour raffiner le graphène. Dans le cinquième article, nous utilisons des v fonctions spéciales et les transformations de Fourier pour traiter les données échantillonnées sur un réseau de carrés du groupe de Lie SU(2)×SU(2), relié au groupe de symétrie A1×A1. / The goal of this thesis is to study structures obtained from finite reflection groups. The work is contained in four published papers, one submitted article and a research paper currently in preparation, with partial results presented as a chapter of this thesis. In the first article, we present a reduction of the orbits of finite Coxeter groups to their subgroups. We use projection matrices, that is, mappings that transform the simple roots of a reflection group to the simple roots of the appropriate subgroup. The results presented in this paper focus on non-crystallographic finite reflection groups. Moreover, we use polytopes generated by the non-crystallographic group H3 to illustrate the obtained branching rules, i.e., reductions of orbits of the finite Coxeter groups. In the second article, we study polytopes with 60 vertices, generated by the non-crystallographic group H3. We use a method of decoration of the Coxeter–Dynkin diagram to describe their structure in detail, and decompose their vertices into sums of orbits of lower-dimensional symmetries. The third article compares two notations used to describe polyhedra generated by reflection groups, namely the Schläfli symbol, and the dominant point notation. Here, we present the advantages of each method, we explain the two approaches, and we illustrate them through examples. In the fourth article, we focus on graphene, i.e., a hexagonal tiling of the plane that possesses remarkable properties when the vertices are modelled with carbon atoms. In this work, we present different methods to obtain graphene from lattices and three-dimensional orbits of finite reflection groups. Moreover, a technique to colour the hexagons by a finite number of colours is provided, along with a systematic method to refine the graphene. In the fifth article, we use special functions and Fourier transforms to process data sampled on a square lattice of the Lie group SU(2) × SU(2), related to the A1 × A1 symmetry group.