Quelques enzymes sont connus pour déglyquer les kétoamines résultants de la réaction de Maillard entre des sucres et des amines primaires. Il a été démontré qu’Escherichia coli possède un opéron afin de métaboliser la fructoselysine. La fructoselysine 6-kinase, de la famille des PfkB, initie le processus de déglycation permettant l’utilisation ultérieure du glucose-6-P par la bactérie. La résolution de la structure de la FL6K par cristallographie et diffraction des rayons X a permis d’identifier son site actif en présence d’ATP, d’ADP et d’AMP-PNP. La modélisation de la fructoselysine au site actif de la kinase a permis d’identifier des résidus pouvant être importants pour sa liaison et son mécanisme enzymatique. De plus, les résultats de cinétique suggèrent que le mécanisme utilisé par la FL6K semble passer par un état ternaire de type SN2. Des modifications structurales à la FL6K pourraient permettre d’augmenter la taille des substrats afin de permettre ultimement la déglycation de protéines. / Some enzymes have been found to deglycate the products of the Maillard reaction between sugars and primary amines: ketoamines. An operon is found in Escherichia coli that allows the growth on fructoselysine media. The deglycation process is done by a kinase and a “deglycase”. The fructoselysine 6-kinase, a member of the PfkB family, phosphorylates its substrate on the sixth carbon to initiate the metabolism of fructoselysine. Here are presented x-ray crystallography structures obtained for the fructoselysine 6-kinase in its native form and bound with ATP, ADP and AMP-PNP. The active site of the kinase has been determined, and modelisation of fructoselysine allowed identification of some residues that might be important for the specific binding of the substrate and the enzymatic mechanism. Kinetic results tend to suggest a SN2 mechanism for the phosphorylation catalyzed by the enzyme. Structural modifications of the FL6K could help to increase the size of the substrates recognized by the enzyme until it binds glycated proteins.

Quelques enzymes sont connus pour déglyquer les kétoamines résultants de la réaction de Maillard entre des sucres et des amines primaires. Il a été démontré qu’Escherichia coli possède un opéron afin de métaboliser la fructoselysine. La fructoselysine 6-kinase, de la famille des PfkB, initie le processus de déglycation permettant l’utilisation ultérieure du glucose-6-P par la bactérie. La résolution de la structure de la FL6K par cristallographie et diffraction des rayons X a permis d’identifier son site actif en présence d’ATP, d’ADP et d’AMP-PNP. La modélisation de la fructoselysine au site actif de la kinase a permis d’identifier des résidus pouvant être importants pour sa liaison et son mécanisme enzymatique. De plus, les résultats de cinétique suggèrent que le mécanisme utilisé par la FL6K semble passer par un état ternaire de type SN2. Des modifications structurales à la FL6K pourraient permettre d’augmenter la taille des substrats afin de permettre ultimement la déglycation de protéines. / Some enzymes have been found to deglycate the products of the Maillard reaction between sugars and primary amines: ketoamines. An operon is found in Escherichia coli that allows the growth on fructoselysine media. The deglycation process is done by a kinase and a “deglycase”. The fructoselysine 6-kinase, a member of the PfkB family, phosphorylates its substrate on the sixth carbon to initiate the metabolism of fructoselysine. Here are presented x-ray crystallography structures obtained for the fructoselysine 6-kinase in its native form and bound with ATP, ADP and AMP-PNP. The active site of the kinase has been determined, and modelisation of fructoselysine allowed identification of some residues that might be important for the specific binding of the substrate and the enzymatic mechanism. Kinetic results tend to suggest a SN2 mechanism for the phosphorylation catalyzed by the enzyme. Structural modifications of the FL6K could help to increase the size of the substrates recognized by the enzyme until it binds glycated proteins.

Les grandes propriétés interactives des HS dépendent de leur profil de sulfatation, finement régulé au cours de la biosynthèse du polysaccharide ainsi qu'à la surface cellulaire par l'action d'endosulfatases nommées Sulfs. Ces enzymes ôtent spécifiquement les groupements 6-O-sulfates d'un certain nombre de disaccharides trisulfatés, éléments clés de nombreuses interactions protéines/HS. Ainsi, ces enzymes sont impliquées dans de nombreux processus, autant physiologiques que pathologiques. En utilisant différentes approches (biochimique et biophysique), nous avons révélé récemment que les isoformes humain HSulf-1 et -2 agissent de façon processif et orientées pour désulfater les chaines d’HS ce qui régule différemment les facteurs de croissances FGF-1 et -2 (Seffouh et al., FASEB J. 2013). Nous avons également identifié deux motifs impliqués dans l’interaction HSulf-2/HS et qui se sont avérés importants pour l’activité 6-O-endosulfatase [Manuscrit en préparation]. Par ailleurs, HSulf-2, et contrairement à HSulf-1, s’est révélé porteuse d’une O-glycosylation capable de moduler considérablement son activité à la surface cellulaire [Manuscrit en préparation]. Enfin, et en collaboration avec l’'institut Karolinska (Stockholm, Sweden), une éventuelle implication de Sulf-1 dans le mésothéliome malin a été suggéré (Heidari-Hamedani et al., Cellular Signalling J. 2015). / Heparan sulfate (HS) is a polysaccharide able to bind and modulate a wide variety of proteins. HS large interactive properties are essentially governed by precise sulfation patterns of the polysaccharide. Sulf-1 and Sulf-2 are two endosulfatases able to cleave specific 6-O sulfate groups within HS chains. Their action can modulate critical intracellular signaling processes, many of which with key relevance for cancer development. However, little is known on their structure, substrate specificities, and on the way their catalytic activity directs the subtle modifications of HS 6-O-sulfation profile.In this work, we have identified an original enzymatic mechanism by which Sulfs catalyze the processive and orientated desulfation of HS and finely regulate the polysaccharide biological properties. We also identified two basic motifs within the N-terminal domain of HSulf-2. Recombinant enzymes mutated for these sites were then produced and characterized. We found that these epitopes are necessary for its endosulfatase activity. Altogether, these results provide further insights into the enzyme/substrate recognition process and contribute to the understanding of the fundamental role played by these enzymes in the regulation of HS activity. The biochemical study of the purified HSulf-2 allowed to highlight a O-glycosylation able to significantly modulate its activity at the cell surface. Otherwise, and in collaboration with the Karolinska Institute (Stockholm, Sweden), the study of malignant mesothelioma (MM) provided new evidence that enhanced Syndecan-1 expression also finely modulates HS structure by interfering with HS-modifying enzymes HSulf-1. These results suggest important roles for Syndecan-1 and HSulf-1 in MM.

VKORC1 est une enzyme membranaire du réticulum endoplasmique, responsable de la réduction de la vitamine K époxyde en vitamine K quinone, activant la synthèse des facteurs de coagulation. VKORC1 constitue ainsi une cible thérapeutique privilégiée des anticoagulants de type anti-vitamine K (AVKs). Cependant, certaines mutations de VKORC1 induisent une dérégulation physiologique et/ou une résistance aux AVKs. En l’absence de données structurales, plusieurs modèles topologiques de VKORC1 ont été proposés à partir des données biochimiques et biophysiques, fréquemment contradictoires. La topologie de VKORC1 ainsi que l'implication des résidus de cystéine (strictement conservés chez toutes les VKORs) dans le mécanisme enzymatique de la protéine restent incertaines. Nous avons construit, par des méthodes in silico, un modèle 3D de la VKORC1 humaine sauvage (hVKORC1WT) à l'échelle atomique. Des simulations de dynamique moléculaire de la protéine, en considérant tous les résidus de cystéine sous leur forme oxydée (SH), nous ont permis d'identifier les résidus de cystéine les plus susceptibles de former des ponts disulfures. Nous avons par conséquent décrit les conformations métastables de hVKORC1WT mimant les états fonctionnels de la protéine. L’étude de la reconnaissance des formes époxyde et réduites de la vitamine K par les conformations prédites de hVKORC1WT a mis en évidence leur sélectivité réciproque. Les conformations de hVKORC1WT ciblées par chaque forme de la vitamine K et leur rôle dans le mécanisme de réduction de la molécule ont ainsi été caractérisés. Nous avons postulé à partir de ces résultats le mécanisme enzymatique détaillé de hVKORC1WT et proposé la structure-cible des AVKs. Les interactions entre la cible prédite - hVKORC1WT à l'état actif - et trois AVKs différents ont été décrites en termes d’énergie libre de liaison. Ces résultats ont été corrélés avec les constantes d'inhibition mesurées in vivo, validant nos prédictions théoriques. Notre protocole, développé pour hVKORC1WT, est applicable aux formes mutées de l’enzyme. Il permettra la description des mécanismes modifiant l'activité réductase de hVKORC1 et/ou provoquant une résistance aux AVKs. Cette description ouvre la voie à la conception d'une nouvelle génération d'inhibiteurs surmontant les résistances aux AVKs. Notre concept et le protocole établi pour l’étude de hVKORC1 peuvent être étendus à l'analyse des VKORs mammaliennes et aux autres enzymes de la famille des oxydoréductases. / VKORC1 is an endoplasmic reticulum membrane-resident enzyme, responsible for vitamin K epoxide reduction to vitamin K quinone that activates coagulation factors synthesis. VKORC1 is thus a prominent target of vitamin K agonists (VKAs) in anticoagulant therapies. However, some VKORC1 mutations lead to physiological dysregulation and/or VKAs resistance. No VKORC1 structural data is available, and postulated topological models are based on biochemical and biophysical experimental observations frequently contradicting. Topology of VKORC1 and involvement of cysteines residues (highly conserved in VKORs) in the protein enzymatic mechanism remain unclear. We built an in silico 3D model of the wild-type human VKORC1 (hVKORC1WT) at the atomistic scale. Molecular dynamics simulations of the protein model, carrying all the cysteines residues in their oxidized form (SH), were used for identification of cysteines residues which may plausibly form disulfide bridges. We thus described hVKORC1WT metastable conformations depicting the functionally relevant states of protein. Study of the vitamin K (in epoxide and in reduced forms) recognition by the predicted conformations of hVKORC1WT revealed their reciprocal selectivity. The hVKORC1WT conformations targeted by each vitamin K form were established and their role in the reduction mechanism of this molecule was explained. Using our results, we postulated the comprehensive enzymatic mechanism of hVKORC1WT and we proposed the 3D structure as the VKAs target. Interactions between the predicted target - hVKORC1WT active state - and three different VKAs were characterized. The obtained affinities (free binding energy) were in good correlation with in vivo measured inhibition constants (Ki), thus validating our theoretical predictions. Our protocol developed for hVKORC1WT is suitable for a study of its mutants. Description of the enzymatic mechanisms of mutated hVKORC1 will lead to understanding of the modified reductase activity or/and to explaining of its resistance to VKAs. Such data are crucial for the development of novel strategies in the design of a new generation of inhibitors overcoming VKAs resistance. Our concept and the established in silico protocol can be extended to analysis of mammalian VKORs and other oxidoreductases family proteins.

Élargir le répertoire de composés accessibles dans le domaine des Glycosciences est d’un intérêt majeur pour la communauté des biologistes du fait que ces composés, oligosaccharides et glyco-conjugués, sont impliqués dans diverses fonctions biologiques, aussi bien au niveau structurel, qu’énergétique voire même signalétique jouant un rôle primordial dans les interactions inter- ou intracellulaires. L’assemblage, la modification ou la déconstruction de ces glyco-structures complexes est possible grâce à l’action d’enzymes, parmi lesquelles l’on retrouve les CAZymes (Carbohydrate Active enZymes). Ces enzymes font partie du répertoire de la base de données CAZy, incluant les Glycoside Hydrolases (GHs) qui représentent le groupe le plus important et ayant pour fonction biologique principale l’hydrolyse des liens glycosidiques. Cependant, un certain nombre de GHs possède aussi la capacité de catalyser des réactions de synthèse (transglycosylation) en tant qu’activité secondaire mineure, voire en tant qu’activité principale pour un nombre restreint d’entre elles, qui sont alors appelées transglycosylases. Sachant que ces deux types de comportements peuvent se retrouver au sein d’une même famille de GH (donc étroitement liés sur le plan évolutif), la découverte et la compréhension des déterminants moléculaires qui ont été développés par les GHs au cours de leur évolution pour permettre cette partition d’activité, entre hydrolyse et transglycosylation, est d’une importance capitale pour le domaine de la synthèse chimio-enzymatique et des Glycosciences de manière plus générale.Ce travail de thèse décrit une proposition de synthèse pour apporter une réponse à cette question fondamentale via une revue critique de la littérature sur le sujet. Sur le plan expérimental, a été réalisée l’évolution moléculaire d’une enzyme spécifique des pentoses, l’α-L-arabinofuranosidase de Thermobacillus xylanilyticus (TxAbf) de la famille GH51, vers les premières transarabinofuranosylases de type ‘non-Leloir’. Cette évolution itérative a été développée en utilisant un panel d’outils d’ingénierie enzymatique combinant des approches aléatoire, semi-rationnelle, de prédiction in silico suivie de recombinaison dans un processus d’évolution dirigée global. Une analyse fine des mutants générés sur le plan mécanistique en lien avec la partition hydrolyse/transglycosylation mène à des conclusions en accord avec la proposition de synthèse issue de la revue de la littérature sur le sujet. Sur un plan plus appliqué, ces nouveaux biocatalyseurs ont ensuite été mis en oeuvre dans des voies de synthèse chimio-enzymatiques pour la préparation de composés furanosylés de structure contrôlée. Le transfert d’L-arabinofuranosyles permet la génération d’arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS) ainsi que la conception d’oligosaccharides non naturels, tel que des galactofuranoxylo-oligosaccharides ou des arabinofuranogluco-oligosaccharides. Dans son ensemble, ce travail de recherche constitue les premières étapes clés du développement de méthodes de synthèse chimio-enzymatique plus élaborées pour la conception d’arabinoxylanes artificiels. Dans le contexte actuel de transition vers une bio-économie, reposant sur des concepts tels que ceux de la bioraffinerie ou de la chimie verte, nous espérons que les outils de glycosynthèse développés au cours de ces travaux trouveront leur application dans la valorisation des pentoses issus de la biomasse. La synthèse à-façon d’arabinoxylooligo- et polysaccharides présente nombre de valorisations possibles allant de la préparation de prébiotiques à la conception de matériaux bio-inspirés en passant par la synthèse de modèles de parois végétales. / Widening the spectrum of available compounds in the field of Glycosciences is of utmost importance for the entire biology community, because carbohydrates are determinants of a myriad of life-sustaining or threatening processes. The assembly, modification or deconstruction of complex carbohydrate-based structures mainly involves the action of enzymes, among which one can identify Carbohydrate Active enZymes (CAZymes). These enzymes form part of the CAZy database repertoire and include Glycoside Hydrolases (GHs), which are the biggest group of CAZymes, whose main role is to hydrolyze glycosidic linkages. However, some GHs also display the ability to perform synthesis (transglycosylation), an activity that mostly manifests itself as a minor one alongside hydrolysis, but which is the only activity displayed by a rather select group of GHs that are often called transglycosylases. Understanding how transglycosylases have resulted from the process of evolution is both intringuing and crucial, because it holds the key to the creation of tailored glycosynthetic enzymes that will revolutionize the field of glycosciences.In this thesis, an extensive review of relevant scientific literature that treats the different aspects of GH-catalyzed transglycosylation and glycosynthesis is presented, along with experimental results of work that has been performed on a family GH-51 α-L-arabinofuranosidase, a pentose-acting enzyme from Thermobacillus xylanilyticus (TxAbf). The conclusions of the literature are presented in the form of a hypothesis, which describes the molecular basis of the hydrolysis/transglycosylation partition and thus provides a proposal on how to engineer dominant transglycosylation activity in a GH. Afterwards, using a directed evolution approach, including random mutagenesis, semi-rational approaches, in silico predictions and recombination it has been experimentally possible to create the very first ‘non-Leloir’ transarabinofuranosylases. The mechanistic analysis of the resultant TxAbf mutants notably focusing on the hydrolysis/transglycosylation partition reveals that the results obtained are consistent with the initial hypothesis that was formulated on the basis of the literature review.To demonstrate the applicative value of the experimental work performed in this study, the TxAbf mutants were used to develop a chemo-enzymatic methodology that has procured a panel of well-defined furanosylated compounds. Enzyme-catalyzed transfer of arabinofuranosyl moities can be used to generate arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS), but the design of non-natural oligosaccharides, such as galactofuranoxylo-oligosaccharides or arabinofuranogluco-oligosaccharides is also possible. Overall, the work presented constitutes the first steps towards the development of more sophiscated methodologies that will procure the means to synthesize artificial arabinoxylans, with a first proof of concept being presented at the very end of this manuscript.In the present context of the bioeconomy transition, which relies on technologies such as biorefining and green chemistry, it is expected that the glycosynthetic tools that have been developed in this work will be useful for the conversion of pentose sugars obtained from biomass. The synthesis of tailor-made arabinoxylo-oligo- and polysaccharides may lead to a variety of potential applications including the production of prebiotics, surfactants or bio-inspired materials and, more fundamentally, the synthesis of artificial models of plant cell wall.

Les processus d’oxydo-réduction impliquant des molécules organiques se retrouvent très fréquemment dans les protéines. Ces réactions comprennent généralement des transferts d’électrons et de protons qui se traduisent dans le bilan réactionnel par des transferts couplés proton-électron, des transferts simples d’hydrogène, d’hydrure... Une des principales méthodes pour élucider ces mécanismes est fournie par l'évaluation de grandeurs thermodynamiques et cinétiques. Expérimentalement, ces informations sont cependant obtenues avec une résolution temporelle souvent limitée à la milli/microseconde. Les simulations numériques présentées ici complètent, à des échelles de temps plus courtes (femto, pico, nanosecondes), ces données expérimentales. Il existe de nombreuses méthodes de simulations dédiées à l’étude de mécanismes redox dans les protéines combinant la description quantique des réactifs (QM) nécessaire à l’étude des changements d’états électroniques et la description classique de l’environnement (MM), l'échantillonnage de conformations se faisant grâce à des simulations de dynamique moléculaire (MD). Ces méthodes diffèrent par la qualité de la description du mécanisme réactionnel et le coût en temps de calcul. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de différents processus impliquant des transferts de protons et d’électrons en recherchant à chaque fois les outils adaptés. Elle comporte trois parties : i) l’évaluation de potentiels redox de cofacteurs quinones ; ii) la description du mécanisme d’oxydation du L-lactate dans l’enzyme flavocytochrome b2 ; iii) la décomposition d’un transfert formel d’hydrure entre deux flavines au sein de la protéine EmoB. Dans le cas du calcul des potentiels redox, nous utilisons une méthode notée QM+MM où la description électronique se fait en phase gaz au niveau DFT tandis que les simulations de MD s’effectuent classiquement. Nous appliquons l’approximation de réponse linéaire (ARL) pour décrire la réponse du système aux étapes de changement d’état de protonation ou d’oxydation de la fonction quinone ce qui aboutit au calcul du potentiel redox théorique. Nous avons ainsi pu établir une courbe de calibration des résultats théoriques en fonction des données expérimentales, confirmant la validité de l'ARL pour les cofacteurs quinones dans l’eau. La méthode a été étendue à la protéine MADH mais les limites de l’ARL ont été atteintes du fait des fluctuations importantes de l’environnement. L’étude de l’oxydation du L-lactate en pyruvate repose sur le calcul de surfaces d'énergie libre au niveau AM1/MM. Ces surfaces sont obtenues à l’aide de simulations de MD biaisées puis corrigées à l’aide de calculs d’énergies DFT. Différents chemins de réactions impliquant les transferts d’un proton et d’un hydrure du substrat vers une histidine et une flavine respectivement ont pu être identifiés. Ces transferts peuvent être séquentiels ou concertés suivant la conformation du site actif ou les mutations effectuées. Les surfaces concordent avec les effets observés expérimentalement. Les barrières obtenues restent cependant supérieures à celles attendues ouvrant la voie à d’autres simulations. La décomposition du mécanisme de transfert d’hydrure en transfert d’électron et d’atome d’hydrogène s’appuie sur de longues simulations classiques et des calculs d’énergies au niveau DFT contrainte (cDFT)/MM. La DFT contrainte permet de décrire les états diabatiques associés au transfert d’électron à différents stades du transfert d’hydrogène. En appliquant l’ARL, nous pouvons construire des paraboles correspondant aux états diabatiques et déterminer la séquence des évènements de transfert d'électron et d’hydrogène. La comparaison entre milieux protéique et aqueux nous a permis d’établir que le rôle de la protéine dans le transfert d'hydrure global est de bloquer le transfert d’électron en l’absence du transfert d’hydrogène empêchant ainsi la formation de flavines semi-réduites. / Redox processes involving organic molecules are ubiquitous in proteins. They generally imply global reactions such as Proton Coupled Electron Transfers, hydrogen atom or hydride transfers which can be decomposed into both electrons and proton transfers. Kinetic and thermodynamic information leads to a better understanding of these mechanisms. However, experiments are often limited to a milli- or microsecond timescales. We present here numerical simulations allowing modeling at shorter timescales (femto, pico or nanosecond) to complete experimental data. Many numerical methods combine quantum description (QM) of the active center and classical description (MM) of the environment to describe redox transformations into biological media. Molecular dynamics (MD) simulations allowed a conformational sampling of the global system. Nevertheless, depending on their level of description of the QM part, the methods can cost more or less CPU time to get a good conformational sampling. In this thesis, we have studied different redox mechanisms involving both proton and electron transfers with a particular care paid to the balance between quality of the electronic description and of conformational sampling. For each mechanism, the coupled proton and electron transfers are investigated differently. This manuscript thus falls into three parts: i) the evaluation of the redox potentials quinone derivatives ; ii) the mechanistic description of the L-lactate oxidation into pyruvate in the flavocytochrome b2 enzyme; iii) decomposition of the formal hydride transfer occurring between two flavins in EmoB protein. A QM+MM scheme is chosen to evaluate redox potential of quinone cofactors: the electronic behavior is described at DFT level in gas phase while classical MDs provide a large conformational sampling of the molecule and its environment. Deprotonation and oxidation free energies are estimated by applying the linear response approximation (LRA). We finally get a theoretical value of the redox potential for different quinocofactors in water and a calibration curve of these theoretical results in function of experimental data. This curve allowed predictions of quinone redox potentials in water with a good accuracy (less than 0.1 eV). We also try our method on the MADH protein containing a Tryptophan Tryptophilquinone cofactor. However, because of great fluctuations of the environment, the LRA is not suitable for this system. This underlines the limits of our methodology. The oxidation of L-lactate to pyruvate is described by free energy surfaces obtained at AM1/MM level. Biased MDs provide the AM1/MM profile which is then corrected at DFT level. Several reactions pathways have been noticed. They consist in sequential or concerted transfers of a proton from L-lactate to a histidine and a hydride from L-lactate to a flavin cofactor. The coupling between the two transfers depends on the conformation of the active site or on the mutations. The obtained surfaces fit qualitatively the experimental data but the theoretical activation barriers are too high. Other simulations must be explored: different methods, other mechanism... Finally, a combination of long classical MDs and constrained DFT (cDFT)/MM are employed to decompose a hydride transfer between two flavins into one hydrogen atom and one electron transfer. cDFT methodology allow us to describe diabatic states associated to the electron transfer during the hydrogen atom transfer. Applying the LRA, we can build parabola of the diabatic and determine the sequence of the two transfers. The comparison of our results in the EmoB protein or in aqueous medium shows that the protein allows the electron transfer only if the hydrogen atom transfer is happening. By this way, no semi-reduced flavin is created.

La puissance de la biopile enzymatique à glucose/oxygène est limitée par sa partiecathodique. Afin de contourner cette limitation, nous avons étudié les enzymescathodiques : les Bilirubine oxydases (BODs). Dans le but de mieux appréhender ces BODs, lemécanisme réactionnel, la nature de l’étape limitante et l’effet des sels ont alors été étudiés.Deux mécanismes différents sont retrouvés en fonction du mode de transfert des protons etdes électrons (4 fois 1H+/1e- ou 2 fois 2H+/2e-). De plus, nous avons démontré que l’étapelimitante est l’oxydation du substrat pour les trois substrats testés et que les sels agissent auniveau du cuivre T1. Les principales limitations des BODs sont leur stabilité à 37 °C ainsi queleur inhibition par le NaCl. Deux techniques ont alors été utilisées pour identifier des BODsplus résistantes. La première méthode est l’extraction de nouvelles enzymes à partird’organismes extremophiles. Elle a permis d’isoler la BOD d’Anaerophaga thermohalophilaqui possède une bonne résistance au NaCl mais une densité de courant faible. Dans unsecond temps, afin de reconstruire des séquences ancestrales, la phylogénie de la familledes Bacillus Bacterium a été effectuée. Cette technique a permis l’identification de troisBODs possédant des caractéristiques très intéressantes : la BOD de Bacillus nakamurai etdeux BODs ancestrales (Noeud 10 et Noeud 13). Par exemple, après une heure à 37°C et 140mM de NaCl, le Noeud 10 possède une meilleure densité de courant que la BOD de Bacilluspumilus, qui est l’enzyme utilisée comme base de la phylogénie. La seconde technique estdonc une méthode de choix permettant la découverte de nouvelles enzymes à la fois plusstables et plus résistantes que les enzymes actuelles. Elle ouvre de grandes perspectivespour l’utilisation des BODs comme enzymes cathodiques ou pour d’autres applicationsbiotechnologiques. Enfin, nous avons montré que l’immobilisation de la BOD de B. pumilusdans le matériau Si-(HIPE) permet la décoloration cyclique de colorants chimiques surplusieurs mois. / Power of glucose/oxygen enzymatic biofuel cell is limited by the cathodic part. In order to prevent this limitation, we studied cathodic enzymes: Bilirubin oxidases (BODs). For this purpose, the kinetic mechanism, rate-limiting step and salts effect were determined. Two different mechanisms are observed depending on the electron/proton transfer (4 times1H+/1e- or 2 times 2H+/2e-). We also demonstrated that the rate-limiting step is the substrate oxidation for the three substrates tested and salts act around the T1 copper. Main BODs limitations are their stability at 37°C and their inhibition by NaCl. Two methods were used toidentify the most resistant BODs. The first one was the identification of new enzymes from extremophile organisms. It allows to isolate BOD from Anaerophaga thermohalophila whichhas good NaCl resistance but low current density. In addition, in order to reconstructancestral sequences, phylogeny of Bacillus Bacterium family was performed. This methodidentified three BODs with interesting features: BOD from Bacillus nakamurai and twoancestral BODs (Noeud 10 and Noeud 13). For example, after one hour at 37°C and 140 mMNaCl, Noeud 10 has a better current density than the BOD from Bacillus pumilus, which is theenzyme used as basis for the phylogeny. This second method allowed the discovery of newenzymes that were both more stable and more resistant than actual enzymes. Thistechnique opens up valuable prospects for the use of BODs as cathodic enzymes or for otherbiotechnological applications. In the end, we demonstrated that BOD from B. pumilusimmobilization in Si-(HIPE) materials allows cyclic discoloration of chemical dyes duringseveral months.

Les glicosidases que hidrolitzen els substrats amb retenció de configuració segueixen un mecanisme general en què després d'una primera etapa d'associació enzim-lligand s'encadenen dues etapes catalítiques que porten a la hidròlisi del substrat conservant la configuració del carboni anomèric en el nou extrem generat. En el present treball es comprova a través d'estudis mecanístics, principalment estudis en estat preestacionari i anàlisis de Hammett, que amb aquest mecanisme tan senzill no es pot descriure correctament l'activitat catalítica de la 1,3-1,4-β-glucanasa de Bacillus licheniformis, i es proposa el mecanisme que es mostra a continuació: on els complexos enzim-substrat adopten dues conformacions productives (SES* i SES**) i on el balanç entre aquestes dues conformacions en funció del substrat explica els diferents comportaments cinètics en estat estacionari i preestacionari.Un estudi en profunditat sobre la importància que exerceix la interacció entre l'enzim i l'hidroxil a C2 de la unitat de glucopiranosa que ocupa el subseti -1 demostra que en el cas de la 1,3-1,4-β-glucanasa de Bacillus licheniformis aquesta interacció no juga el paper rellevant que s'ha observat en altres β-glicosidases que actuen amb retenció de configuració.L'estudi de la reacció d'hidratació del glical G4G3G' catalitzada per la 1,3-1,4-β-glucanasa de Bacillus licheniformis permet proposar que hi ha un canvi en el residu que fa el paper d'àcid general. De manera que es proposa que l'Asp136 que en la reacció d'hidròlisi de substrats ajuda al posicionament dels residus catalítics i juga un paper en la regulació dels seus pKa, és el residu que fa d'àcid general en la reacció d'hidratació de glicals. / Las glicosidasas que hidrolizan substratos con retención de configuración siguen un mecanismo general en que después de una primera etapa de asociación enzima-ligando se encadenan dos etapas catalíticas que llevan a la hidrólisis del substrato conservando la configuración del carbono anomérico en el nuevo extremo generado. En el presente trabajo se comprueba a través de estudios mecanísticos, principalmente estudios en estado pre-estacionario y análisis de Hammett, que con este mecanismo tan sencillo no se puede describir correctamente la actividad catalítica de la 1,3-1,4-β-glucanasa de Bacillus licheniformis, y se propone el mecanismo que se muestra a continuación: donde los complejos enzima-substrato adoptan dos conformaciones productivas (SES* y SES**) y donde el balance entre estas dos conformaciones en función del substrato explica los diferentes comportamientos cinéticos en estado estacionario y pre-estacionario.Un estudio en profundidad sobre la importancia que ejerce la interacción entre el enzima y el hidroxilo en C2 de la unidad de glucopiranosa que ocupa el subsitio -1 demuestra que en el caso de la 1,3-1,4-β-glucanasa de Bacillus licheniformis esta interacción no juega el papel relevante que se ha observado en otras β-glicosidasas que actuan con retención de configuración.El estudio de la reacción de hidratación del glical G4G3G' catalizada por la 1,3-1,4-β-glucanasa de Bacillus licheniformis permite proponer que hay un cambio en el residu que ejerce el papel de ácido general. De manera que se propone que el Asp136 que en la reacción de hidrólisis de substratos ayuda en el posicionamiento de los resíduos catalíticos y juega un papel en la regulación de sus pKa, es el resíduo que actúa de ácido general en la reacción de hidratación de glicales. / Retaining glycosidases follow a general mechanism in which the first enzime-ligand association is followed by two catalytic steps that render the product of hydrolysis with the same anomeric configuration as the starting material. In the present work we demonstrate using mechanistic studies, basically pre-steady state kinetics and Hammett analysis, that this mechanism is too simple to properly describe the catalytic activity of Bacillus licheniformis 1,3-1,4-β-glucanase, and the following mechanism is proposed: In this mechanism, the enzim-substrate complexes adopt two productive conformations (SES* and SES**) and the balance between these two conformations depending on the nature of the substrate explains the diferent behaviours observed in pre-steady and steady state kinetics.A deep study on the importance of the interaction between the enzyme and the hydroxyl group at C2 of the glucopyranose residue that occupies the -1 subsite demonstrates that in Bacillus licheniformis 1,3-1,4-β-glucanase this interaction is not the key interaction observed in other retaining β-glycosidases.The study of the G4G3G' glical hydration catalysed by the Bacillus licheniformis 1,3-1,4-β-glucanase let us propose that there is a change in the residue that acts as a general acid. We propose that Asp136, that plays a role positioning the catalytic residues and modulating their pKa in the hydrolysis reaction, acts as the general acid in the hydration of glycals.

<p>DNA methylation is an epigenetic modification that is nearly ubiquitous. Eukaryotic DNA methylation contributes to the regulation of gene expression and maintaining genome integrity. In mammals, DNA methylation occurs primarily on the C5 carbon of cytosine in a CpG dinucleotide context and is catalyzed by the DNA methyltransferases, DNMT1, DNMT3A and DNMT3B. While <i>dnmt3a</i> and <i>dnmt3b</i> genes are highly homologous, the enzymes have distinct functions. Some previous reports suggested differences in the enzymatic behavior of DNMT3A and 3B, which could affect their biological roles. The goal of my thesis work was to characterize kinetics mechanisms of DNMT3A and 3B, and to identify the similarities and differences in their catalytic properties that contribute to their distinct biological functions. Given the sequence similarity between the enzymes, we asked whether DNMT3B was kinetically similar to DNMT3A. In a series of experiments designed to distinguish between various kinetics mechanisms, we reported that unlike DNMT3A, DNMT3B methylated tandem CpG on DNA in a processive manner. We also reported that the disruption of the R-D interface, critical for the cooperativity of DNMT3A, had no effect on DNMT3B activity, supporting the non-cooperative mechanism of this enzyme. </p> <p>DNMT3A is frequently mutated in numerous cancers. Acute Myeloid Leukemia (AML) is a malignancy of hematopoietic stem cells in which numerous patients exhibit a high frequency of the heterozygous somatic mutation Arg882His in DNMT3A. Through thorough consensus motif building, we discovered a strong similarity in CpG flanking sequence preference between DNMT3A Arg882His variant and DNMT3B enzyme. Moreover, we found that the variant enzyme has the same kinetics mechanism as DNMT3B, indicating a gain-of-function effect caused by the mutation. This change is significant because the variant enzyme can aberrantly methylate DNMT3B targets in AML cells and effect global gene expression. In particular, given that DNMT3B has been shown to have oncogenic properties, this suggests that the Arg882His variant can acquire similar oncogenic properties and drive AML development.</p> <p>Taken together, my thesis work provides novel insights into the relationship between the biochemical properties and the biological functions of DNMT3A and 3B. </p>