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

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Arf1 est une petite protéine G (pG), essentiellement impliquée dans le trafic vésiculaire. Arf1 oscille entre deux conformations, l'une active liée au GTP et l'autre inactive associée au GDP. Arno est un des facteurs d'échange (GEF) capable d'activer Arf1 en stimulant l'échange GDP/GTP. Suractivée dans les cellules invasives du cancer du sein, Arf1 joue un rôle important dans la migration et la prolifération des cellules cancéreuses.Le but de ma thèse s'inscrit dans l'étude et la modulation de l'interaction pG-GEF, et plus spécifiquement, le couple Arf1-Arno. Mon travail a été planifié autour de deux axes: (1) L'étude fine de l'interaction entre Arf1 et Arno, et sa modulation avec un inhibiteur connu la Bréféldine A (BFA). (2) La mise en place d'une stratégie de conception d'inhibiteurs de l'interaction protéine-protéine du couple Arf1-Arno.Dans un premier temps, nous avons mis en place une méthode basée sur la résonance plasmonique de surface (SPR) permettant la détermination des paramètres cinétiques de l'interaction entre Arf1 et Arno. Nous avons précisé aussi les conséquences des partenaires allostériques (GDP, GTP, et Mg2+) et de la BFA sur les paramètres cinétiques de l'interaction. Ceci a permis une analyse fine de la régulation allostérique et du mode d'action de la BFA. Appliquée à d'autres inhibiteurs, cette méthode permettra d'examiner leur mécanisme d'inhibition.Dans la deuxième partie j'expose, la stratégie que nous avons utilisé pour la conception rationnelle d'inhibiteur de l'interaction entre Arf1 et Arno. Elle est basée sur le criblage virtuel de fragments au niveau des résidus clé « hotspots » de l'interaction, la validation des molécules-touches par des techniques biophysiques, et l'élimination de molécules artefacts. Les structures des complexes fragments-Arno ont été résolues, ce qui confirme la validité de cette stratégie ouvrant la voie vers l'optimisation moléculaire pour obtenir des inhibiteurs plus efficaces. / Arf1 is a small GTPases, essentially involved in the vesicular traffic. Arf1 switch between two conformations, an active form bound to GTP and an inactive form bound to GDP. Arno is one of the exchange factors (GEF) that can activate Arf1, through its catalytic Sec7 domain, promoting the exchange of GDP by GTP. Activated in breast cancer cells, Arf1 plays an important role in the migration and proliferation of cancer cells.The aim of my thesis was the study and the modulation of the interaction between small G proteins and their GEFs, more precisely the Arf1-Arno interaction. My work has been planned around two axes: (1) the study of the interaction between Arf1 and Arno, and its modulation with a known inhibitor Brefeldin A (BFA). (2) The development of a rational strategy for designing inhibitors of protein-protein interaction for the Arf1-Arno complex.In the first part of my PhD work, we set up a Surface Plasmon Resonance (SPR) method allowing to determine the kinetic parameters of the interaction between Arf1 and Arno. We also studied the effects of allosteric partners such as GDP, GTP and Mg2+ as well as the known uncompetitive inhibitor (Brefeldin A). This SPR approach allowed a very informative analysis at qualitative and quantitative levels of the various complexes taking place during the exchange reaction that should help to solve the inhibitory mechanism for the known inhibitors reported in the literature. In the second part of my thesis, we propose a strategy for targeting the interaction between Arf1and Arno. This approach is based on virtual screening of fragments at hotspot regions. Using biophysical techniques such fluorescence techniques, SPR, NMR and X-Ray crystallography, we identified and validated Hits, showing by crystallographic structural data their modes of interaction with the target protein Arno. A fluorescence polarization test was also developed to identify false positive fragments to eliminate promiscuous aggregators. Taken together, our work proposes a method based on SPR allowing the study of known inhibitors of GEFs, understanding at molecular level their mode of action. We also propose a general strategy for finding Hit fragments that designing competitive inhibitor of the interaction small G protein with its GEFs, that can be the scaffold for designing more powerful inhibitors.

Le virus respiratoire syncytial (VRS) est le principal agent responsable desbronchopneumonies du jeune veau et des bronchiolites du nourrisson. Il n’existe pas devaccin ni d’antiviraux spécifiques pour l’homme. La réplication du génome et la transcriptiondes gènes viraux sont assurées par un ensemble de protéines virales constituant le complexeARN polymérase ARN-dépendant : la nucléoprotéine N, la phosphoprotéine P, le facteur detranscription M2-1 et la grosse sous-unité L. L’objectif principal de ma thèse était d’obtenirde nouvelles données structurales et fonctionnelles sur le complexe ARN-polymérase ARNdépendante(RdRp) du VRS, en particulier sur le couple P-L. Pour ceci j’ai tout d’aborddéveloppé un protocole de production et purification de la protéine L sous formerecombinante en cellules d’insecte. Ceci m’a permis ensuite de cartographier le sited’interaction de P avec L. J’ai ainsi mis en évidence que la protéine L interagit avec la partieC-terminale de la protéine P, au-niveau des résidus 216 à 239. Les données obtenuessuggèrent que ce domaine peut former un nouvel élément de reconnaissance moléculaire(« MoRE ») se structurant en hélice alpha lors de l’interaction avec la protéine L. De plus, lacartographie de ce domaine d’interaction m’a permis d’identifier entre les résidus 164 et 205de P une nouvelle région impliquée dans le recrutement de la protéine L aux corpsd’inclusions viraux. Ces nouvelles données ouvrent la voie à de nouvelles études structuralesde l’ARN-polymérase du VRS et nous permettent d’envisager de nouvelles stratégiesantivirales ciblant ce complexe. / Respiratory syncytial virus (RSV) is the leading cause of calves bronchopneumonia andinfants bronchiolitis. Neither vaccine nor antiviral treatments are currently available for use inhumans. Viral genome is replicated and transcribed by a set of viral proteins constituting theviral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) complex: the nucleoprotein (N), thephosphoprotein (P), the transcription factor (M2-1) and the large subunit (L). This workaimed to unveil new structural and functional data regarding the viral RdRp, especially the PLcouple. With this aim in view, I have first conceived a protocol to produce and purifyrecombinant L and P proteins expressed in insect cells. This tool enabled the fine mappingand characterization of the L binding domain of the RSV phosphoprotein. This highlightedthe interaction between the L protein and the C-terminal region of the P protein, especiallyresidues 216 to 239. Further data suggests that this area constitutes an alpha helix formingmolecular recognition element (« MoRE ») during P-L interaction. Furthermore, this studyunveiled a new region of the P protein encompassing residues 164 to 205, involved in therecruitment of L protein to viral inclusion bodies. These new results open the way toupcoming structural studies of RSV RdRp and allow us to define a new target for thedevelopment of antiviral drugs against RSV.

Ma thèse comporte deux volets: d’une part, le développement de ligands ciblant les protéines antiapoptotiques et d’autre part, l’étude par RMN des protéines CGC impliquées dans la biosynthèse de la congocidine, métabolite secondaire chez Streptomyces.La famille de protéines Bcl-2 est impliquée dans un des processus clé de la mort cellulaire programmée, appelée l’apoptose mitochondriale. Elle se divise en membres anti-apoptotiques (Bcl-2, Bcl-xL, Mcl-1) et pro-apoptotiques (Bak, Bax et les «BH3»).Ces molécules vont réguler l’apoptose en maintenant ou non l’intégrité de la membrane mitochondriale. En réponse à un signal de stress, les «BH3» neutralisent les antiapoptotiques et activent les pro-morts, leur permettant de former des pores sur la membrane mitochondriale. Ce phénomène aboutit au relargage du cytochrome c dans le cytosol et à l’activation de la cascade des caspases dont la finalité est la destruction de la celluleLa pertinence de l’étude des Bcl-2 s’observe de manière croissante depuis les années 1990. En effet, une surexpression des membres pro-survie de cette famille (Bcl-2, Bcl-xL, Mcl-1, BFL1 etc...) a été observée dans de nombreux cancers. Suite à ce constat, cibler ces molécules est devenue une piste prometteuse en cancérologie par le développement d’inhibiteurs des protéines pro-survie, l’objectif étant de restaurer l’apoptose dans les cellules tumorales.Dans cette perspective, différentes stratégies thérapeutiques ont été imaginées:(i) la thérapie génique avec l’Oblimersen, un ADN antisens développé par Genta, qui inhibe l’expression de la Bcl-2. Néanmoins, les résultats précliniques sont décevants.(ii) l’utilisation de peptides (ou peptidomimétiques) imitant les sentinelles «BH3» comme antagonistes de l’interaction Bcl-xL/Bak. Il faut souligner le concept des «stappled peptides», permettant la stabilisation des hélices par cyclisation des chaînes latérales. Si certaines de ces molécules synthétisées semblent très actives, aucune n’est encore en étude clinique.(iii) le développement de petites molécules non peptidiques, issues d’un criblage systématique in vitro ou in silico et se caractérisant par une grande variété structurale. Parmi ces molécules, certaines sont synthétiques comme l’ABT-737 et l’ABT-263 élaborés par les laboratoires Abbott, grâce à la méthode d’assemblage des fragments (fragment-based drug design) aidée par des études SAR by NMR (structure activity relationship). D’autres sont issues de produits naturels comme le (R)-Gossypol, le TW-37, la sanguinarine ou l’Obatoclax. En 2008, 11 composés étaient en phase préclinique ou clinique et les résultats pour certains d’entres eux semblaient plus prometteurs que pour l’Oblimersen.Ces stratégies ont permis de mettre au point un certain nombre de composés ciblant les protéines anti-apoptototiques. Si certains de ces composés sont actuellement en phase de tests cliniques, les plus prometteurs (ABT) ont démontré une efficacité uniquement vers certains des protéines anti-apoptotiques laissant place à un phénomène d’échappement des cellules cancéreuses.Un criblage réalisé à l’ICSN par l’équipe de F. Guéritte (Pôle Substances Naturelles Plantes) a permis d’identifier une nouvelle classe de molécules ayant une affinité de l’ordre du μM pour Bcl-xL. Parmi ces composés, deux présentent une attractivité d’un point de vue structural qui rend faisable leur synthèse chimique:(i) la meiogynine A, un sesquiterpène dimère de structure originale isolé des écorces de Meiogyne cylindrocarpa, une plante de Malaisie.(ii) le drimane, un sesquiterpène isolé en grandes quantités du genre zygogynum, une espècede Nouvelle-Calédonie.Ainsi, des collaborations ont été établies au sein de l’ICSN, réunissant diverses expertises (chimie, biologie, physicochimie et modélisation) afin de dégager les synergies souhaitables.Dans la perspective de la conception rationnelle d’analogues aux propriétés améliorées ciblant l’ensemble des membres anti-apoptotiques de la famille Bcl-2, ma contribution est de choisir les cibles biologiques (Bcl-xL et Mcl-1), de les obtenir pures et marquées en isotopes stables afin de réaliser par RMN et modélisation moléculaire une étude structurale des complexes protéines/ligands et de définir un modèle d’interaction.Le deuxième volet de ma thèse, à dominante fondamentale, a pour objectif de caractériser par RMN les médiateurs enzymatiques d’une voie de biosynthèse d’un métabolite secondaire, la congocidine issue des bactéries Streptomyces Ambofaciens.La congocidine présente des propriétés antivirales et anticancéreuses de par sa capacité à se fixer à l’ADN. Cependant, du fait de sa forte toxicité, cette molécule ne peut pas être utilisée directement à des fins thérapeutiques.L’analyse des groupes de gènes impliqués dans la biosynthèse de la congocidine a mis en évidence 24 gènes. Seuls certains intermédiaires réactionnels ont été identifiés. Cependant, le rôle précis des produits de ces gènes n’est pas encore bien défini.Ainsi, en collaboration avec l’équipe de JL Pernodet à l’Université d’Orsay, nous nous sommes intéressés à deux enzymes en particulier intervenant dans la synthèse de la congocidine, les protéines CGC-10 et CGC-19.L’objectif de cette collaboration est d’utiliser la spectroscopie RMN couplée à la modélisation moléculaire sous contraintes expérimentales afin de déterminer la structure de ces deux protéines. Nous souhaitons apporter des informations sur l’éventuelle présence de motifs structuraux au sein de ces protéines afin de mieux comprendre leur fonction et de définir à quel moment de la voie de biosynthèse elles interviennent.Concernant la protéine CGC-10, nous avons conçu un plasmide optimisé que nous avons fait synthétiser. Le gène obtenu a été cloné dans un vecteur d’expression choisi par nos collaborateurs (pQE30).Concernant la protéine CGC-19, nous allons en décrire les étapes d’expression et de purification qui nous ont permis d’enregistrer l’ensemble des expériences 3D-triple résonnance nécessaires à la détermination de la structure de la protéine. De plus, il a été mis en évidence la présence d’une modification post-traductionnelle de type phosphopanthéténylation au sein de cette protéine. Nous avons produit l’enzyme responsable de cette modification, la sfp, afin de pouvoir effectuer la réaction et suivre l’effet de la modification sur les spectres RMN de la protéine et donc sur la structure.Ce projet, qui s’inscrit dans une perspective de recherche à plus long terme, a pour objectif de caractériser précisément le mécanisme de production de la congocidine. A travers cette démarche, il s’agit de combiner la biologie moléculaire (modification en amont les gènes) à la chimie afin d’obtenir des molécules différentes aux propriétés améliorées et non toxiques. / My PhD thesis contains two parts: development of ligands against anti-apoptotic proteins and structural study of CGC proteins involved in the biosynthesis of congocidine, a Streptomyces Ambofaciens secondary metabolite.The first project concerns the NMR study of the interactions between the anti-apoptotic proteins and two potential ligand candidates, the Meiogynine and the Drimane. These two terpenoïds, identified from ICSN’s chemical library screening against the Bcl-xL protein, have shown a significant inhibiting activity, thus opening promising perspectives for the treatment of cancer cells overexpressing anti-apoptotic proteins. In fact, as these compounds are considerably smaller than the binding site, our objective is to introduce modifications (such as elongation of their structure, functionalization with hydrophilic groups etc.) that may improve their binding properties as well as their delivery and bioavailability.Following to the successful recombinant expression and purification, necessary to obtain labelled targets (15N/13C), our preliminary NMR studies suggested a rather universal action of our candidates, capable to bind not only to Bcl-xL but also to the other major anti-apoptotic protein, Mcl-1. Titration experiments revealed significant perturbations of the HSQC protein NMR spectra with the progressive disappearance of several protein HN and ligand signals, confirming dissociation constants at the µM region for both targets. However, the intermediate chemical exchange NMR regime observed, associated with the weak ligand solubility, poses severe difficulties for the structural elucidation of the complexes by classical NMR methods.In this work alternative approaches for the localisation of the ligands in the hydrophobic cleft of both target proteins will be presented.Oligopyrroles are secondary metabolites synthesized by Streptomyces bacteria. This family of natural products, composed by one or more pyrrole-2-carboxamide groups is characterized by a variety of biological activities such as antiviral, antitumor and antibiotic functions.One of the best-known metabolites is the congocidine, extensively studied due to its capacity to bind into the minor groove of the DNA double helix, with strong sequence specificity. However, because of its strong toxicity, this molecule cannot be directly used for therapeutic purposes.The analysis of the groups of genes involved in congocidine biosynthesis brought to light 24 genes, but their precise role is not yet well defined. We were particularly interested in two enzymes: the proteins called CGC-10 and CGC-19. For the recombinant expression of the first one, we designed an optimized insert which was cloned in an expression vector pQE30.Concerning CGC-19, the stages of expression and purification, which allowed us to obtain doubly-labeled protein, as well as the 3D NMR experiments for spectral assignment and structure elucidation, will be discussed.Furthermore, we were interested in the holo- state of this protein obtained through a post-traductional modification (phosphopanthéténylation). To this, we produced the enzyme responsible for this modification, Sfp, carry out the reaction in vitro and follow the effect of the modification at the NMR spectra.

Les gouttelettes lipidiques (GL) sont des organites intracellulaire qui jouent un rôle central dans le métabolisme des lipides. Elles sont également impliquées dans des maladies telles que l'obésité ou le diabète. Les GL ont une structure unique : une monocouche de phospholipides (PL) qui entoure un cœur de lipide neutre composé de triglycérides (TAG) et d'esters de cholestérol (CE). Certaines protéines sont recrutées sur les GL mais également à la surface d'autres organites, alors que d'autres protéines ciblent spécifiquement la surface des GL. Il a été montré que quelques une de ces protéines seraient sensibles à une haute tension de surface, soit une augmentation de l'aire par lipide, dans des GL reconstituées. Comment les propriétés de surface d'une GL diffèrent d'une membrane ? Comment la surface d'une GL répond à l'augmentation de la tension de surface ?Comment les protéines interagissent avec la surface des GL ? Nous avons réalisé des simulations de dynamique moléculaire atome-unifié de système tricouche qui mime la surface d'une GL afin de caractériser les propriétés de surface de cet organite. Plusieurs simulations ont été effectuées à différentes tension de surface en augmentant l'aire par lipide. Les propriétés de surface ont été caractérisées en terme de défauts de \textit{packing} (i.e. vides interfaciaux à l'interface membrane/eau). Aucune différence n'a été observé avec une bicouche à l'équilibre. Cependant, la tension de surface promeut l'insertion de lipides neutres dans la monocouche et augmente significativement les défauts de \textit{packing}. Des simulations préliminaires sur l'interaction d'une protéine modèle, la périlipine 4, qui se lie aux GLs \textit{in vivo} via une longue hélice amphipathique 11/3 ont été faites. Les premiers résultats montrent que la protéine adopte une structure plus flexible dans une interface huile/eau que dans une interface membrane/eau. Des essais de dimérisation montrent que la répartition des résidus chargés serait importante pour le processus d'oligomérisation. Pris globalement, ces résultats apportent une compréhension moléculaire quantitative sur l'effet de la tension de surface sur la monocouche de GL et des résultats préliminaires sur l'interaction protéine/GL. Notre travail constitue une première étape vers la description du comportement et de la structure des propriétés de surface des GL et peut être utile à la compréhension du ciblage protéique vers la surface de GL. / Lipid droplets (LD) are intracellular organelles that have a central role in lipid metabolism andimplication in diseases such as obesity and diabetes. LDs have a unique architecture: aphospholipid (PL) monolayer that surrounds a neutral lipid core composed of triacylglycerols (TAG)and cholesteryl esters (CE). Some proteins are recruited both to LDs and to other cellularorganelles, whereas others are targeted specifically to the surface of LDs. It has been shown thatsome of these proteins could be sensitive to a high surface tension (ST), increase in the area perlipid, in reconstituted LD. How do surface properties differ between a membrane and an LD? Howdoes the LD surface respond to an increase in ST? How do proteins interact with LDs? Weperformed united-atom molecular dynamics simulations on trilayer systems that mimic the LDsurface to investigate the surface properties of this organelle. Several simulations were performedat different ST by increasing the area per lipid. Surface properties were characterized in terms ofpacking defects (i.e interfacial voids at the membrane-water interface). No difference was observedwith a bilayer at equilibrium. However, high ST promoted the insertion of neutral lipids into themonolayer and a significant increase of packing defects. Preliminary simulations has been done oninteraction of a model protein called perilipin 4, which binds to LDs \textit{in vivo} using a long 11/3amphipathic helix. The first results show that the protein adopts a more flexible conformation on oilwaterinterface than in bilayer-water interface. Attempts of dimerisation show that the localization ofthe charged residues may be involved in the oligomerisation process. Taken together, our resultsprovide a quantitative molecular understanding of how ST affects the LD surface and preliminaryresults on protein-LD interaction. Our work constitutes a first step towards characterizing thebehavior and structure of LD surface properties and will be useful for a better understanding onhow some specific proteins are targeted to LD.

Les interactions protéine–protéine jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement cellulaire et sont impliquées dans diverses pathologies. L'étude de ces interactions est donc primordiale. Nous avons entrepris de développer une méthode de « footprinting » basée sur la différence d'accessibilité à l'eau des acides aminés d'une protéine selon qu'elle est seule ou en interaction. Le principe de cette méthode de caractérisation des zones d'interactions protéine–ligand, est basé sur une étape de génération de radicaux carbo-centrés sur les chaînes latérales des acides aminés de la protéine, et sur une étape de réparation de ces radicaux par un atome de tritium.<br /> <br />La première étape a été de déterminer la réactivité des 20 acides aminés communs vis-à-vis de notre méthode : <br />Lys>Leu>Arg>Ile>Trp>Phe>Val>Cys>Met>His>Tyr>Glu>Thr>Asp><br />Gln>Pro>Ala>Asn> Ser>Gly. Notre méthode ensuite appliquée à l'étude du complexe entre la protéine hAsf11-156 et un fragment de l'histone H3 a permis de caractériser sans ambiguïté les trois résidus principaux de H3 (L126, R129 et I130) impliqués dans cette interaction. De plus, nous avons mis en évidence que notre méthode de caractérisation des interactions protéique est à la fois sensible aux phénomènes d'interaction et de repliement.

La protéine MC1 est une petite protéine structurale très abondante chez Methanosarcina thermophila (archaeabactérie). Nous avons utilisé la méthode SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) pour rechercher ses séquences préférentielles de fixation. Après 10 cycles de sélection, une séquence consensus avec une affinité 50 fois plus forte que celle pour une séquence aléatoire a été déterminée. Cette séquence a été étudiée par simulation de dynamique moléculaire. Le mode de fixation de MC1 sur l'ADN a ensuite été déterminé par des empreintes moléculaires (DMS, OH·). Les résultats montrent une fixation par une face et dans le petit sillon de l'ADN. Une reconnaissance par lecture indirecte des séquences est probable. L'oxydation de certains acides aminés (Trp, Met) par les rayons gamma entraîne une modification des propriétés de la protéine : perte de la reconnaissance de structures et séquences particulières et diminution de sa capacité à courber l'ADN.

L'accroissement des connaissances, structurales et fonctionnelles, des protéines nous donne désormais une vision plus précise des phénomènes d'interaction. L'utilisation de ces informations pour le développement de ligands permettrait d'obtenir de nouveaux composés, capables d'interagir avec diverses cibles d'intérêt, et d'améliorer notre compréhension de ces interactions. Ce travail présente le développement d'une nouvelle méthode de conception de ligands protéiques, laquelle repose sur le transfert d'un groupe de résidus, appartenant à un ligand connu et contribuant de façon importante à la liaison avec une cible d'intérêt, sur une protéine hôte, de moins de 100 résidus (mini-protéines). L'identification de protéines hôtes, aptes à reproduire l'interaction après transfert du motif, est réalisée de manière systématique à partir des structures présentes dans la PDB. L'approche a été appliquée pour le développement de ligands du canal Kv1.2, à partir de connaissances structurales et fonctionnelles de l'interaction de ce même canal avec la toxine BgK. Trois ligands, possédant des constantes d'inhibition micro molaires, ont été ainsi conçus. Ces résultats démontrent la possibilité de mettre en application une méthode de conception de ligands, basée sur le transfert de motifs de « hotspots », sur une plateforme structurale de nature protéique, dont les aspects stérique et électrostatique sont compatibles avec une interaction donnée.