Si la GAPDH est une enzyme bien caractérisée sur le plan biochimique et structural, la contribution de ses deux sites de reconnaissance anionique lors de la catalyse reste incomprise et nécessitait la détermination des structures de l'intermédiaire thioacylenzyme et du complexe enzyme-produit. Ce manuscrit présente la mise au point des conditions de cristallisation et d'accumulation de l'intermédiaire thioacylenzyme (suivi par microspectrophotométrie) et du complexe enzyme-produit, la résolution et l'analyse des structures cristallographiques correspondantes ainsi que les implications pour le mécanisme catalytique. Les résultats obtenus mettent notamment en évidence un mouvement de "va-et-vient" du substrat au cours de la catalyse entre les deux sites de reconnaissance anionique qui est lié à l'étape d'échange du cofacteur. Bien que structuralement proche des GAPDH, l’E4PDH est une enzyme pour laquelle peu de données sont disponibles. De nombreuses questions restent donc posées concernant notamment les déterminants de l'affinité pour le cofacteur, la nature du site de reconnaissance anionique, ou encore le mécanisme d'activation de la molécule d'eau nécessaire à une étape d'hydrolyse efficace. Sont présentées dans ce manuscrit trois structures cristallographiques de l'E4PDH d'E. coli, sous forme apoenzyme, en présence de phosphate ou en complexe avec un analogue de cofacteur. L'analyse de ces structures a notamment permis de caractériser l'unique site de reconnaissance anionique de l'enzyme, de proposer des hypothèses quant à la faible affinité de l'enzyme pour le cofacteur, et d'identifier un candidat possible pour l'activation de la molécule d'eau hydrolytique. / Even if GAPDH is well characterized from a biochemical and structural point of view, the contribution of its two anion recognition sites to catalysis is still matter of debate. This work presents the crystallization, the strategy for the accumulation of the thioacylenzyme intermediate and for the obtaining of the enzyme-product complex, the resolution and analysis of the corresponding crystallographic structures and the implications in terms of reaction mechanism. The results mainly shed light on the existence of a flip-flop movement of the substrate between the two anion recognition sites during catalysis which is related to the cofactor exchange step. Although structurally related to GAPDHs, the E4PDH is an enzyme fairly less characterized. Many interrogations thus remain on the determinants of cofactor affinity, on the nature of the anion recognition site or on the mechanism of activation of the water molecule that is needed for an efficient hydrolysis step. This dissertation presents the resolution of three crystallographic structures of the E4PDH from E. coli, under the apoenzyme form, in the presence of phosphate or in complex with a cofactor analog. The analysis f these structures allows the characterization of the unique anion recognition site of this enzyme, to propose structural hypotheses to explain the low affinity of this enzyme for its cofactor and also to identify possible candidates for the activation of the nucleophilic water molecule.

Les molybdoenzymes sont des métalloprotéines retrouvées chez tous les êtres vivants, des procaryotes à l’Homme. Chez les organismes procaryotes, leur repliement et leur assemblage est un processus complexe nécessitant l’intervention de protéines chaperons spécifiques qui coordonnent l’insertion des centres métalliques au repliement et à l’assemblage des différentes sous-unités. Au cours de ma thèse, je me suis intéressé au rôle du gène fdhD indispensable à l’activité des formiate déshydrogénases chez Escherichia coli et plus précisément sur son importance vis-à-vis de l’une d’entre elles, FdhF, une métalloprotéine à fer, molybdène et sélénium. FdhD interagit d’une part, avec sa cible FdhF et d’autre part, avec IscS, cystéine désulfurase majeure et impliquée notamment dans la biosynthèse des centres [Fe-S]. L’analyse de la séquence de FdhD met en évidence la présence d’un motif C121GXC124 conservé dont la substitution des résidus cystéine en alanine abolit la fonction de FdhD. En interagissant avec IscS, FdhD stimule son activité cystéine désulfurase et récupère le soufre généré en le fixant sous la forme de persulfures. La substitution des résidus cystéine a pour conséquence de réduire l’efficacité de transfert de soufre entre IscS et les variants de FdhD. La perte totale de l’activité FdhF enregistrée, en absence de FdhD, n’est pas due à une instabilité ou à un défaut d’insertion des centres métalliques mais est causée par une perte de sulfuration de l’enzyme. Sur la base de mes résultats, nous proposons que FdhD soit une soufre transférase entre IscS et FdhF. La sulfuration de FdhF par FdhD est essentielle à son activité enzymatique. Ce modèle est en accord avec les données cristallographiques indiquant la présence d’un atome de soufre au niveau de la sphère de coordination du Mo dans le site actif des formiate deshydrogénases et permet d’aller plus loin en reliant la présence du soufre à un état actif de l’enzyme et en identifiant les acteurs du processus. / Molybdoenzymes are ubiquitous metalloproteins found from prokaryotes to human. In prokaryotes, their folding and assembly is an intricate process assisted by dedicated chaperones coordinating metal centers insertion to folding and assembly of several subunits.During my PhD, I have investigated the role of the fdhD gene absolutely required for formate dehydrogenase activities in Escherichia coli and more precisely on one of them, FdhF, an iron-molybdenum-selenium metalloprotein. FdhD interacts with its target, FdhF and with IscS, a major cysteine desulfurase involved for instance in Fe-S cluster biogenesis. Sequence analysis of FdhD reveals the existence of a conserved C121GXC124 motif. Substitution of any of the two cysteine residues abolished FdhD function. Through IscS interaction, FdhD stimulates cysteine desulfurase activity and binds the sulfide generated by IscS in the forms of persulfides. Substitution of any of the conserved cysteine residues of FdhD reduces the sulfur transfer efficiency from IscS. Loss of FdhF activity in absence of fdhD is not due to intrinsic instability of loss of metal centers but rather due to lack of enzyme sulfuration. Based on my results, we postulate that FdhD functions as a sulfur transferase between IscS and FdhF, an essential step for enzyme activity. Our model is in complete agreement with crystallographic data showing the presence of a sulfur atom at the coordination sphere of the Mo atom at the active site of formate dehydrogenases and furthermore allows reconciling the presence of sulfur at the active site with enzymatic activity and identifying the players in this process.

Les thiorédoxines (TRX) sont des protéines ubiquistes à activité d'oxydoréductase de ponts disulfure de protéines dites " cibles ". Le génome d'Arabidopsis thaliana code une vingtaine de TRX canoniques dont 10 (divisées en 5 types : f, m, x, y et z) sont localisées dans les plastes. Les TRX f sont connues depuis plus de trente ans pour être des régulateurs centraux du métabolisme photosynthétique, mais les approches expérimentales récentes (protéomique, génétique inverse.) indiquent que ces protéines interviennent dans des métabolismes non photosynthétiques variés, notamment le cycle oxydatif des pentoses phosphate (COPP). Ce travail a consisté à analyser in vitro la capacité des TRX plastidiales à réguler les déshydrogénases du COPP qui assurent la majorité de la production de pouvoir réducteur (sous forme de NADPH) dans des conditions non-photosynthétiques. Les résultats obtenus ont été validés dans un système ferrédoxine/TRX reconstitué et ont permis de proposer un modèle de régulation stricte par certaines TRX de la glucose-6-phosphate déshydrogénase chloroplastique G6PDH1 où la TRX f assure la coordination des cycles réductif (cycle de Calvin) et oxydatif des pentoses phosphate. Des approches biochimiques et biophysiques ont permis de mettre en évidence plusieurs modifications de propriétés catalytiques et structurales faisant suite à la régulation redox de G6PDH1 et d'aborder les déterminants des spécificités de régulations. Ce travail in vitro a été complété par une caractérisation in vivo (basée sur l'utilisation de mutants perte de fonction) de l'importance des TRX y dans le contrôle de l'activité G6PDH racinaire, et les processus de germination. Les résultats obtenus suggèrent que, dans les graines, ce type de TRX interviendrait dans les processus de levée de dormance et de vieillissement via son interconnexion avec les mécanismes de détoxication des formes actives de l'oxygène.

Les hormones stéroïdiennes sont synthétisées à partir du cholestérol par l'action successive de plusieurs enzymes, dont les hydroxystéroïdes déshydrogénases de la superfamille des aldo-ceto réductases (AKRs). Le message véhiculé par les hormones peut ensuite être interprété par les cellules qui expriment les récepteurs capables de les reconnaître et les lier spécifiquement. Une nouvelle AKR, la 17a-HSD de souris (ml7oc- HSD), a récemment été caractérisée et est actuellement l'unique enzyme connue capable de réduire stéréospécifiquement l'androstenedione (A4) en épi-testostérone, le 17oc-épimère de la testostérone. Les autres AKRs humaines dont l'activité permet de réduire la fonction cétone en position 17 du A4, notamment les h20a-HSD, h3oc-HSD3 et hl7p-HSD5, forment de la testostérone, le 17P-épimère. La comparaison structurale de ces enzymes très homologues a permis d'identifier les déterminants moléculaires responsables de leur 17a/17P-stéréospécificité, dont le résidu alanine en position 24, chez la ml7a-HSD. Nous avons également montré que ce résidu était aussi impliqué dans le maintien du NADPH par l'enzyme. Nous avions aussi de l'intérêt pour une autre enzyme de la superfamille des AKRs, la 5P-réductase humaine, qui est la seule connue à ce jour pouvant réduire la double liaison des A4-3-céto-stéroïdes afin de les transformer en leur composé 5P-réduit correspondant. Bien que les stéroïdes 5P~réduits jouent un rôle très important dans plusieurs processus physiologiques, aucune étude n'avait encore permis la caractérisation cinétique et structurale de cette enzyme. La structure cristallographique de la h5préductase a précisé le rôle des résidus formant son site actif ainsi que son mécanisme catalytique. Un site alternatif de liaison du stéroïde responsable du phénomène d'inhibition par le substrat observé pour cette enzyme a aussi été caractérisé. Enfin, cette thèse décrit la structure cristallographique du récepteur humain des androgènes (hAR) en complexe avec le EM5744, une molécule synthétique spécifiquement dessinée pour bloquer le fonctionnement normal de ce récepteur. Nos travaux ont montré pourquoi la longue chaîne du EM5744, malgré l'encombrement structural qu'elle génère au coeur même du récepteur, ne suffit pas à altérer les fonctions du hAR. En s'appuyant sur nos résultats, la structure de cette molécule pourra être modifiée jusqu'à ce qu'elle possède les propriétés désirées.

Les 17β-hydroxystéroïdes déshydrogénases (17β-HSD) sont un groupe de 15 enzymes connues avant tout pour leur rôle dans le métabolisme des hormones sexuelles. La 17β-HSD1 est responsable de la toute dernière étape dans la fabrication des estrogènes actifs. Cela en fait une cible intéressante pour traiter l’endométriose et le cancer du sein qui sont stimulées par ces hormones. Le dérivé stéroïdien PBRM, conçu dans notre laboratoire, est l’une des rares molécules ayant démontré une inhibition forte et spécifique de la 17β-HSD1. Lors des présents travaux, l’effet de l’inhibiteur s’est avéré irréversible, sélectif et durable tout en présentant un profil intéressant chez la souris. Durant ce processus, plusieurs composés n’ayant pas les qualités requises ont été mis de côté. Parmi eux, l’un s’est avéré être un activateur de la 17β-HSD12, une enzyme essentielle dans l’élongation des acides gras. Il s’agit là du premier activateur rapporté pour la famille des 17β-HSD. / 17β-Hydroxysteroid dehydrogenases (17β-HSD) are a group of 15 enzymes known firstly for their involvement in sexual hornomes metabolism. 17β-HSD1 is responsible of the last step in the biosynthesis of potent estrogens. It is thus an interesting target to treat diseases stimulated by those hormones such as endometriosis and breast cancer. PBRM, a steroidal inhibitor developed in our laboratory, is one of the few molecules that shown a strong and specific inhibition of 17β-HSD1. The present works showed that the inhibitory effect is irreversible, selective and long-lasting while showing an interesting profil in mice. During that process, many other compounds were tested but didn’t have the required qualities. Among them, one seemed to stimulate the activity of 17β-HSD12, an essential enzyme for fatty acids elongation also involved in estrogen metabolism. It is the first reported activator for a member of 17β-HSD family.

À cause de leur implication dans la biosynthèse des estrogènes et des androgènes, les enzymes de la famille des 17β-hydroxystéroïdes déshydrogénases (17β-HSDs) types 1, 3 et 5 sont des cibles thérapeutiques intéressantes pour le traitement des cancers estrogéno-dépendants et androgéno-dépendants. Malgré l’existence d’inhibiteurs de la 17β-HSD1, il n’y a pas encore de traitement du cancer du sein basé sur leur utilisation. Le CC-156 est un inhibiteur connu de la 17β-HSD1; cependant, à cause de son noyau stéroïdien, ce composé de type estrane stimule la prolifération des cellules cancéreuses sensibles aux estrogènes, limitant ainsi son utilisation thérapeutique. Afin de développer des inhibiteurs non estrogéniques de la 17β-HSD1, nous avons synthétisé trois mimiques non stéroïdiennes du CC-156 à partir du bromhydrate du tétrahydro-isoquinolinol. Bien que ces composés inhibent peu la 17β-HSD1, ils sont non estrogéniques. Nous avons aussi développé une voie de synthèse pour préparer deux chimiothèques possédant chacune 75 mimiques de l’estradiol. Ces derniers, plus flexibles que les dérivés précédents, ont été conçus et synthétisés comme potentiels inhibiteurs de la stéroïde sulfatase ou pour agir comme modulateurs sélectifs du récepteur des estrogènes. L’inhibition de la 17β-HSD3 ou de la 17β-HSD5 permettrait de diminuer le taux des androgènes circulants et tumorals. En partant de l’androstérone (ADT), nous avons préparé une nouvelle famille d’inhibiteurs de la 17β-HSD3: des 3-spiromorpholinone-ADT et des 3-spirocarbamate-ADT ayant divers groupements hydrophobes sur leur cycle E supplémentaire. Afin de poser un premier jalon pour la synthèse d’inhibiteurs hybrides des 17β-HSD3 et 17β-HSD5, une spiromorpholinone ou un spirocarbamate a été ajouté en position C-3 d’une 17-spiro-δ-lactone. Brièvement, trente-deux 3-spiromorpholinone-ADT, cinq 3-spirocarbamate-ADT, trois 17-monospiro-δ-lactone-ADT et deux 3,17-dispiroandrostane-ADT ont été synthétisés. Quatre spiromorpholinones non stéroïdiennes ont aussi été synthétisées afin d’étudier le rôle du noyau androstane sur l’efficacité des inhibiteurs de la 17β-HSD3. Tous les produits finaux et les intermédiaires ont été caractérisés par spectrométries de RMN 1H, RMN 13C, IR et SM. Le potentiel inhibiteur de tous ces composés sur la 17β-HSD3 et leur androgénicité ont été mesurés. L’analyse des relations structure-activité a permis d’obtenir deux inhibiteurs efficaces et non androgéniques de la 17β-HSD3.

Les 17p-hydroxystéroïdes déshydrogénases (17p-HSDs) sont responsables de la formation des estrogènes et des androgènes. Plus précisément, les isoformes 1, 7 et 12 catalysent la réduction de l'estrone (E|) en estradiol (E2) soit l'estrogène le plus puissant, tandis que l'isoforme 3 permet la formation de la testostérone (T) à partir de l'androstène-3,17-dione (A4-dione). Ces hormones stéroïdiennes sont impliquées dans le développement de maladies sensibles aux estrogènes et aux androgènes comme les cancers du sein et de la prostate respectivement. L'inhibition de ces enzymes permettrait de réduire le niveau d'hormones actives dans la circulation et par conséquent, de diminuer le développement de tumeurs. L'étude de divers modèles de lignées de cancer du sein a permis d'identifier la lignée T-47D comme la plus intéressante pour faire l'évaluation de l'activité inhibitrice et estrogénique des inhibiteurs de la 17P-HSD type 1. Nous avons pu identifier plusieurs molécules efficaces pour bloquer la transformation de Ei en E2 ainsi que pour diminuer la prolifération cellulaire des lignées de cancer du sein. Une étude de criblage d'inhibiteurs de la 17(3-HSD type 12 a également permis d'identifier un composé inhibant efficacement l'activité de cette enzyme. Dans le cas de la formation des androgènes, nous avons d'abord déterminé que le A4-dione, le précurseur de T, n'était pas androgénique par lui-même, supportant l'hypothèse que l'utilisation d'inhibiteurs de la 17P-HSD type 3 permettra de réduire efficacement les niveaux de T dans la circulation. L'évaluation de plusieurs inhibiteurs de la 17P-HSD type 3 a permis d'identifier certains composés qui sont efficaces pour inhiber la transformation de A4-dione en T dans des cellules intactes HEK-293 avec des valeurs de IC50 en dessous du micromolaire. Les cellules intactes HEK-293 transfectées s'avèrent le meilleur modèle pour évaluer la transformation de A4-dione en T par la 17P-HSD type 3.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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