flhE belongs to the flhBAE flagellar operon in Enterobacteria, whose first two members function in Type III secretion (T3S). In Salmonella enterica, absence of FlhE affects swarming but not swimming motility. Based on a chance observation of a ‘green’ colony phenotype of flhE mutants on pH indicator plates containing glucose, I have established that this phenotype is associated with lysis of flagellated cells in an acidic environment created by glucose metabolism. The flhE mutant phenotype of Escherichia coli is similar overall to that of S. enterica, but is seen in the absence of glucose and unlike in S. enterica, causes a substantial growth defect. flhE mutants have a lowered cytoplasmic pH in both bacteria, indicative of a proton leak. GFP reporter assays indicate that the leak is dependent on the flagellar system, is present before the T3S system switches to secretion of late substrates, but gets worse after the switch and upon filament assembly, leading to cell lysis. I show that FlhE is a periplasmic protein, which co-purifies with flagellar basal bodies. Also, co-localization of fluorescent fusion proteins suggests a plausible interaction between FlhE and FlhA, implicated in channeling protons for PMF-driven secretion. These results imply that FlhE may act as a plug or a chaperone to regulate proton flow through the flagellar T3S system. I have obtained crystals of the FlhE protein. X-ray data show that the FlhE crystal belongs to space group P212121 and is diffracted to 2.02 Å. Completion of this study will contribute to a better understanding of the proposed role of FlhE. / text

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Im Laufe der Evolution haben Bakterienarten äußerst vielfältige und ausgeklügelte extrazelluläre Strukturen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, Substrate in ihre Umgebung abzugeben oder Wirtszellen während einer Invasion anzugreifen. Diese Sekretionssysteme sind an vielen bakteriellen Mechanismen wie Biofilmbildung, Zellmotilität, Virulenz oder Gentransfer und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beteiligt. Das Verständnis des Aufbaus und der Regulierung dieser Strukturen ist angesichts der zunehmenden Entwicklung multiresistenter Bakterien von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus geht der Aufbau solcher Strukturen unweigerlich auf Kosten wertvoller zellulärer Energieressourcen, was einen spannenden Parameter darstellt, um zu untersuchen, wie Bakterien den optimalen Mechanismus zum Ausgleich zwischen zellulären Mechanismen und Energieverbrauch wählen. Diese Arbeit konzentriert sich auf den Aufbau und die Regulierung bakterieller extrazellulärer Filamente, insbesondere des flagellaren Typ-III-Sekretionssystems (T3SS). Im ersten Kapitel werden Defekte in der Zellmorphologie aufgezeigt, die durch die Deletion des FlhE-Proteins während des Zusammenbaus der Flagellen verursacht werden, was die Bedeutung der Regulierung des Membranpotentials verdeutlicht. Das zweite Kapitel zeigt, dass der Assemblierungsmechanismus der Flagellen-Filamente, welcher dem Injektions-Diffusions-Modell entspricht, im Vergleich zu anderen Sekretionssystemen schneller ist und für die Energieerhaltung optimiert ist. Das dritte Kapitel untersucht die Rolle des Pilus beim Plasmid-Transfer, der mit einem Typ-IV-Sekretionssystem (T4SS) assoziiert ist, und liefert zusätzliche Hinweise darauf, dass der Pilus als Kanal für den Plasmid-DNA-Transfer dienen kann. Im letzten Kapitel wird ein neuer Biosensor zur Messung des Gehalts an bis-(3'-5')-zyklischem Diguanosinmonophosphat (c-di-GMP) entwickelt, einem entscheidenden Molekül in bakteriellen Mechanismen, die Zellmotilität und Biofilmbildung miteinander verbinden. Insgesamt bietet diese Arbeit Einblicke in die Regulation des flagellaren T3SS und des T4SS-Pilus, ein neues Werkzeug zur Untersuchung von c-di-GMP und Einblicke, wie Bakterien entscheidende Überlebensparameter und die Optimierung eines energiesparenden Aufbaus abwägen. / Through evolution, bacterial species have developed highly diverse and sophisticated extracellular structures enabling them to secrete substrates in their environment or to target host cells during invasion. Those secretion systems are involved in many bacterial mechanisms such as biofilm formation, cell motility, virulence or gene transfer and antibiotic resistance dissemination. Understanding the assembly and regulation of these structures is crucial due to the increasing development of multi-drug resistant bacteria. Moreover, the assembly of such structures inevitably comes at the cost of valuable cellular energy resources, representing an exciting parameter to study how bacteria selected the optimal mechanism to balance cellular mechanisms and energy consumption. This thesis focuses on the assembly and regulation of bacterial extracellular filaments, notably the flagellar type III secretion system (T3SS) flagellum . The first chapter reveals cell morphology defects caused by the deletion of the FlhE protein during flagellum assembly, highlighting the importance of membrane potential regulation . Chapter two illustrates that the flagellar filament assembly mechanism, following the injection-diffusion model, is faster compared to other secretion systems and optimized for energy conservation. The third chapter investigates the role of the pilus in plasmid transfer, associated with a type IV secretion system (T4SS), and gives additional evidence that the pilus may also act as a channel for plasmid DNA transfer. The final chapter develops a new biosensor for measuring bis-(3’-5’)-cyclic diguanosine monophosphate (c-di-GMP) levels, a crucial molecule in bacterial mechanisms linking cell motility and biofilm formation. Overall, this thesis provides insights into the regulation of the flagellar T3SS and the T4SS pilus, a new tool to study c-di-GMP, and how bacteria balance crucial survival parameters and energy-conserving assembly optimization .

Trypanosoma brucei est un parasite africain unicellulaire, responsable chez l’homme de la maladie du sommeil et chez les bovins de la Nagana. Il passe par différents stades lors de son cycle de vie, les deux principaux étant la forme sanguicole qui prolifère dans le sang des mammifères infectés, et la forme procyclique qui colonise le tube digestif du vecteur, la mouche glossine. Les trypanosomes sont extracellulaires, ils possèdent un flagelle qui leur permet de se mouvoir dans les différents milieux qu’ils infestent. La structure de celui-ci contient des éléments conservés au cours de l’évolution. Il constitue donc un excellent modèle de base pour en étudier l’architecture. D’autre part, le flagelle du parasite contient des structures propres à certains kinétoplastides, offrant ainsi une cible thérapeutique aux traitements anti-trypanosomiaux. Le flagelle est véritablement un organite plurifonctionnel nécessaire à la survie du parasite au sein des divers environnements qu’il rencontre lors de son cycle de développement. Outre son rôle moteur, il permet à la cellule d’échapper au système immunitaire de son hôte mammifère et de s’attacher à l’épithélium des glandes salivaires de l’insecte. Il est également requis pour le bon positionnement des organites, la morphogenèse et la division cellulaire. Enfin, il serait impliqué dans l’activité sensorielle du trypanosome. A ce jour, on ne connait quasiment rien des potentielles voies de « sensing ». Elles doivent pourtant exister, permettant l’appréhension de l’environnement, l’interaction avec les hôtes et la réception de signaux induisant la différenciation. Cet intérêt pour les voies de signalisation du parasite a abouti à l’étude des composantes de la voie TOR. TOR-Target of Rapamycin est un contrôleur central de la croissance cellulaire qu’il régule en fonction de différents stimuli externes. Il a été démontré depuis que chez T.brucei aussi, TOR régulerait la croissance temporelle et spatiale de la cellule. La kinase TOR est inhibée par sa liaison avec le complexe rapamycine-FKBP12. Nous avons identifié cette peptidyl-prolyl cis-trans isomérase chez le parasite : TbFKBP12. Elle y serait localisée au niveau du cytosquelette/flagelle. Contrairement à ce qui est observé chez la levure S.cerevisiae, l’isomérase est essentielle chez le trypanosome. Son invalidation par RNAi bloque la cytocinèse des parasites sanguicoles et provoque l’apparition d’axes de clivage internes à la cellule. Chez les formes procycliques par contre, la disparition de la protéine entraîne un défaut sévère de motilité du flagelle qui se traduit par une immobilisation partielle du parasite. TbFKBP12 est donc impliquée dans l’homéostasie du flagelle chez le trypanosome africain, organite nécessaire à la motilité et à la division cellulaire.

La fécondation est la rencontre de deux gamètes. Bien que centrale chez les espèces sexuées, les mécanismes membranaires et moléculaires ne sont pas encore établis. La communauté scientifique bute toujours sur la question centrale : Comment le spermatozoïde fusionne-t-il avec l’ovule ? Si des études ont identifié trois protéines essentielles : Izumo1, Juno et CD9, elles montrent aussi que ces acteurs ne sont pas suffisants. Notre étude a eu pour but d’identifier d’autres paramètres potentiels impliqués dans cette machinerie de fusion. Nous nous sommes donc focalisés sur la contribution des lipides spermatiques et sur celle du battement du flagelle. Nous avons développé deux méthodes expérimentales originales. Avec la première, qualifiée de « Bottom-up », nous avons tenté de déterminer la machinerie spermatique minimale pour induire la fusion avec l’ovocyte. L’idée a été de reconstituer pas à pas la membrane de la tête du spermatozoïde, d’abord avec les lipides identifiés lors d’analyses, puis en y incorporant Izumo1. Pour la seconde approche, appelée « Top-down », nous avons développé un outil microfluidique pour guider le spermatozoïde jusqu’à l’ovocyte afin de suivre la rencontre avec le « meilleur » point de vue, dans des conditions in-vitro aussi physiologiques que possible. Nous avons découvert que contrairement à ce que nous pensions, le battement du flagelle ne sert pas uniquement à atteindre l'ovocyte, mais aussi à déclencher la fécondation. En effet, les contraintes mécaniques induisent une réorganisation de la membrane ovocytaire incluant la protéine CD9. Ainsi, la chronologie des événements a pu être obtenue avec une résolution temporelle inégalée. / Fertilization is the encounter of two gametes. Although this process is crucial for sexual organisms, the timeline of the molecular events is not yet established. The researchers cannot explain: how the spermatozoon fuses with the oocyte? One of the reasons is the lack of experimental methods available. Indeed, the gametes need a specific environment to fertilize. Nevertheless, the scientific community identified three essential proteins: Izumo1 on the spermatozoon, Juno (its receptor) and CD9 on the oocyte membrane. For our part, we tried to determine if the none-proteins environment of Izumo1 and CD9 could influence the gametic interaction. To do so, we were focused on the role of the lipids composition of the sperm membranes and on the influence of the forces developed by the flagellum beating on the oocyte. We designed two original experimental methods to offer a better understanding of the mechanisms inside the gamete contact area. With the first one, we tried to identify the minimal machinery to induce fusion. We started to reconstitute step by step the membrane of the spermatozoon head. We tested first the identified lipids alone, and then we coupled these molecules with Izumo1. With the second one, we developed a microfluidic tool to observe the gametic encounter with the “best” viewpoint in the most physiological in-vitro conditions. We observed that the flagellum beating is not only involved in the crossing of the female genital tract but also in the initiation of the fusion step. Indeed, the mechanical constraints induce membrane reorganization with CD9 recruitment. So we succeed to establish the kinetic of the events with an unequaled resolution.

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The control of the flagellar motor in Rhodobacter sphaeroides was investigated. Unlike most flagellar motors which are controlled by reversing the direction of rotation, the R. sphaeroides motor is controlled via a stop-start mechanism. Advanced optical microscopy was employed alongside genetic, biochemical, and behavioural techniques. High-resolution measurements of rotating beads on flagellar stubs revealed that the R. sphaeroides motor is similar to its E. coli counterpart, rotating counterclockwise at comparable torques/speeds (1,300 pNnm/rad at stall torque), and exhibiting transient step changes in speed. The mean stop duration, mean stop frequency (number of stops per s), and run bias (fraction of time spent rotating) of wild-type at steady-state were 0.66 ± 1.01 s, 0.31 ± 0.19 s-1, and 0.80 ± 0.20, respectively. Manipulating signal inputs to the motor genetically, or by exposing cells to chemotactic stimuli revealed that (i) without chemotactic stimulation the motor rotates continuously, (ii) phosphorylated CheYs are required to stop the motor, and (iii) the chemotaxis system cannot control the speed of rotation of the motor (termed chemokinesis) as previously reported. Complementation studies revealed that CheY3, CheY4, and CheY5 are functionally equivalent. The copy numbers per cell of important CheYs were found to vary greatly under the conditions tested (<1,000, ~3,000, ~60,000 for CheY3, CheY4, and CheY6 respectively). To determine how CheY-P binding causes the motor to stop, external force (viscous flow or optical tweezers) was applied to chemotactically stopped motors. CheY-P binding might either cause the torque-generating units to disengage from the rotor, analogous to a clutch, or trigger the rotor to jam, analogous to a brake. The rotor resisted re-orientation during a chemotactic stop implying that the motor was held in a locked state. The value of torque resisting forward motion (keeping it locked) was estimated to be 2-3 x stall torque (2,500-4,000 pNnm/rad). Furthermore beads attached to flagellar stubs stop at fixed angles for several seconds, showing no large-scale Brownian motion. Step analysis revealed that these stop events occur at 27-28 discrete angles around the motor, which most likely reflect the periodicity of the rotor (i.e. copies of FliG). This represents the first experimental resolution of steps in the rotation of a wild-type bacterial flagellar motor with a full complement of torque-generating units.

Trypanosomatid protozoan parasites are the causative agents of a number of diseases responsible for the death of thousands of people in developing countries. There is currently little hope for the development of vaccines and existing treatment regimens are associated with high toxicity. Trypanosoma brucei is the etiological agent of devastating parasitic disease in humans and livestock in sub-saharan Africa. The pathogenicity and growth of these parasites are intimately linked to their shape and form which are in turn derived from a highly ordered microtubule-based cytoskeleton. Here I have investigated some of the critical structures of the cytoskeleton in terms of their molecular composition with a view toward interrogating their functions. I have used a combined reverse genetics/comparative proteomics approach to identify over 20 novel components of the paraflagellar rod, an essential structure for the mammalian infective form of the parasite. I have iterated this approach to define interdependent sub-groups within the cohort which provide clues to the function of the paraflagellar rod. I next applied the same comparative proteomics techniques to investigate the differences between the protein composition of two life-cycle stages of the parasite. I have identified novel components of a unique mobile transmembrane junction called the flagella connector, and of the flagellum attachment zone, a structure that is essential for cell division. In addition I have defined a pair of paralogous cytoskeletal proteins that show life-cycle stage specificity. Finally, I have used electron tomography, reverse genetics and in situ protein tagging to define the morphology of the flagellar pocket collar, a critical structure required for parasite viability, and provide new insights into its molecular composition, function and biogenesis.

The Flagellum haereticorum fascinariorum (The Scourge of Heretical Bewitchers) was written by the Dominican inquisitor Nicolas Jacquier in 1458. Jacquier wrote the text to combat a sect of diabolical witches, the fascinarii, who worshipped demons at nocturnal “synagogues” and performed terrible crimes with demonic aid. The Flagellum was also aimed at those who did not believe in the physical reality of the sect or of interactions between humans and demons. This thesis, the first English-language work to examine the Flagellum in detail, traces Jacquier’s argument and endeavours to understand how his text was shaped within, and also helped shape, the cultural structures of late-medieval Burgundy. / Jacquier’s argument can be loosely divided into four parts. The first section defines the ways in which demons relate to humans, concluding that demons can act to delude humans both within the body, and through real, bodily interaction in the external world. The second section attacks the argument, based on the famous Canon Episcopi, that the fascinarii are simply deluded spiritually by the interior manipulation of demons. The reality of a demonworshiping sect raised questions about God’s omnipotence and benevolence. The Flagellum’s third part therefore elaborates a theology of divine permission based on the metaphor of the scourge to argue that God justly permits demonic action in the world. The final chapters of the tract turn to the legal dilemmas raised by the fascinarii. Jacquier argues that the fascinarii freely choose to sin and addresses difficulties associated with the possibility of demonic interference in witness statements. / Alongside my description of Jacquier’s argument, I have endeavoured to situate the Flagellum within the cultural structures of late-medieval Burgundy. I examine how the Flagellum can be read alongside a tale from the Cent Nouvelles Nouvelles to reveal tropes of demonic deception within fifteenth-century Burgundian courtly texts. I explore the possibilities of interpreting the Flagellum’s treatment of gender within the Dominican reform movement, with its focus on external and communal piety. I interpret the symbolic language of the scourge and trampling within Christian cultural structures of redemption through abasement. Setting the tract in dialogue with fifteenth century Burgundian art, I begin the task of understanding the ways in which time is organised within the Flagellum through an examination of scholastic epistemology. Finally, I situate arguments about the fascinarii and free will within debates over free will and determinism. The result of these discussions is an appreciation of the Flagellum’s immersion in interrelated cultural structures of bodily reality, sight, time and knowledge. / Through this analysis, I locate the study of witchcraft within a wider cultural history, uniting the interpretation of Burgundian art, literature and theology with an intensive study of the Flagellum.

L'infertilité masculine concerne plus de 20 millions d'homme à travers le monde et représente un véritable enjeu de santé public. Bien que multifactorielle, l'infertilité masculine a une composante génétique importante qui jusqu'à présent n'a été que peu étudiée. L'objectif de mon travail a été d'initier et de poursuivre les investigations génétiques sur trois phénotypes de tératozoospermie: les spermatozoïdes macrocéphales, la globozoospermie et les anomalies morphologiques multiples des flagelles (AMMF).Pour le premier phénotype, nous avons étudié 87 patients, dont 83 cas-index, présentant un phénotype de macrozoospermie. Nous avons trouvé la mutation c.144delC dans le gène AURKC chez 82% des patients (68/83) confirmant qu'il s'agit de l'évènement génétique prépondérant pour ce phénotype. Une nouvelle mutation récurrente, p.Y248*, entrainant la dégradation totale du transcrit anormal par nonsense-mediated mRNA decay, a été retrouvée chez 10 patients non‐apparentés. L'identification de deux mutations ancestrales dans AURKC maintenues au cours de l'évolution malgré leur effet délétère sur la reproduction chez l'homme homozygote, ouvre la question d'un potentiel avantage sélectif procuré par l'haplo-insuffisance d'AURKC.Pour le second phénotype, nous avons analysé une cohorte de 34 patients globozoospermiques par séquençage et MLPA (multiplex ligation-dependent probe amplification). Au total, la délétion homozygote de DPY19L2 a été retrouvée chez 22 patients sur 30 cas non apparentés (73.3%) et 3 nouvelles mutations ponctuelles ont été identifiées. Ces résultats indiquent que l'analyse moléculaire de DPY19L2 des patients globozoospermiques ne devrait pas être limitée à la recherche de la délétion homozygote de DPY19L2. Dans un second temps, nous avons démontré que la délétion récurrente de DPY19L2 était médiée par le mécanisme de recombinaison homologue non allélique (NAHR) entre deux séquences répétées homologues (LCR) de 28kb situées de chaque côté du gène. La très grande majorité des points de cassure surviennent dans une région de 1,2 kb située dans la partie centrale des LCRs. Cette région minimale de recombinaison est elle‐même centrée sur une séquence consensus de 13 nucléotides reconnue par PRDM9, une protéine à doigts de zinc qui favorise la survenue des cassures doubles brins initiant les processus de recombinaisons. Les modèles théoriques prédisent que, lors de la méiose, le mécanisme NAHR génère de novo plus d'allèles recombinés délétés que dupliqués. Étonnamment, dans la population générale les allèles DPY19L2 dupliqués sont trois fois plus fréquents que les allèles délétés. Nous avons développé une PCR digitale sur le sperme afin de mesurer le taux de délétions et de duplications de novo à ce locus chez des témoins. Tel qu'il était prédit par le modèle de NAHR, nous avons identifié un taux de délétions supérieur à celui des duplications. Ce paradoxe peut s'expliquer par la sélection qui s'opère à l'encontre des hommes infertiles porteurs de la délétion homozygote et potentiellement des hommes porteurs d'une délétion hétérozygote.Enfin pour le troisième phénotype, nous avons réalisé l'analyse par cartographie par homozygotie de 20 patients infertiles, dont 18 cas-index, présentant des anomalies morphologiques du flagelle. Cinq mutations homozygotes ont été identifiées dans le gène DNAH1 parmi les 18 patients non-apparentés (28%). Ce gène code pour une chaine lourde des bras internes de dynéine exprimée dans le testicule. Des analyses d'immunofluorescence et de RT-PCR ont confirmé le caractère pathogène d'une de ces mutations situées sur un site donneur d'épissage. Les analyses par microscopie électronique ont révélé une désorganisation générale de l'axonème incluant une disparition des doublets centraux et des bras internes de dynéine suggérant que DNAH1 est une protéine clé dans la biogenèse du flagelle du spermatozoïde. / Male infertility affects more than 20 million men worldwide and represents a major health concern. Although multifactorial, male infertility has a strong genetic basis which has so far not been extensively studied. The objectives of my thesis were to initiate and conduct some genetic investigations on three specific phenotypes of teratozoospermia: macrozoospermia, globozoospermia and multiple morphological abnormalities of the flagella (MMAF).For the first phenotype, we studied 87 patients with macrozoospermia, including 83 index cases, and identified c.144delC, a pathogenic mutation in the AURKC gene in 82% of patients (68/83) confirming that this variant is the main cause of macrozoospermia. A new recurrent mutation, p.Y248*, leading to degradation of the mutant transcripts by non-sense mediated mRNA decay was identified in 10 unrelated patients. Patients with no identified AURKC mutation have a decreased rate of spermatozoa with a large head and multiple flagella. Identification of two ancestral mutations in AURKC maintained during evolution despite their negative effect on reproduction in homozygous men, raises the question of a potential selective advantage provided by the AURKC haploinsufficiency.For the second phenotype, we first analyzed 34 patients presenting with globozoospermia using MLPA (multiplex ligation-dependent probe amplification) and Sanger sequencing. In total, 22 of the 30 unrelated patients where homozygous for the DPY19L2 deletion (73.3%) and 3 novel point mutations were identified. These results suggest that the molecular investigation of the DPY19L2 gene in globozoospermic patients should not be limited to the detection of the DPY19L2 genomic deletion and open interesting perspectives for the identification of DPY19L2 partners during acrosome biogenesis. Subsequently, we demonstrated that the genomic deletion was mediated by Non-Allelic Homologous Recombination (NAHR) between two homologous 28-Kb Low Copy Repeats (LCRs) located on each side of the gene. The vast majority of genomic breakpoints fell within a 1.2-Kb region central to the 28-Kb LCR. A 13-mer consensus sequence is located in the centre of that 1.2-Kb region recognized by PRDM9, a multi-unit zinc finger binding protein that promotes the formation of double-strand breaks (DSBs) initiating the homologous recombination process. The accepted theoretical NAHR model predicts that during meiosis, NAHR produces more deleted than duplicated alleles. Surprisingly, array-CGH data show that, in the general population, DPY19L2 duplicated alleles are approximately three times as frequent as deleted alleles. In order to shed light on this paradox, we developed a sperm-based digital PCR to measure the de novo rates of deletions and duplications at this locus. As predicted by the NAHR model, we identified an excess of de novo deletions over duplications. These discording results may be explained by the purifying selection against sterile, homozygous deleted men. Heterozygous deleted men might also suffer a small fitness penalty.Lastly, for the third phenotype, homozygosity mapping was carried out on a cohort of 20 North African individuals, presenting with primary infertility resulting from impaired sperm motility caused by a mosaic of multiple morphological abnormalities of the flagella (MMAF). Five unrelated subjects out of 18 (28%) carried a homozygous variant in DNAH1, which encodes an inner dynein heavy chain and is expressed in testis. RT-PCR and immunostaining studies confirmed the pathogenic effect of one of these mutations located on a donor splice site. Electronic microscopy revealed a general axonemal disorganization including mislocalization of the microtubule doublets and loss of the inner dynein arms suggesting that DNAH1 plays a critical role in sperm flagellum biogenesis and assembly.