Dans la cellule, les protéines évoluent dans un environnement très dense et interagissent ainsi avec un grand nombre de partenaires spécifiques et non-spécifiques qui entrent en compétition. L’objectif de ma thèse est de caractériser les propriétés physiques et évolutives des surfaces protéiques pour comprendre comment la pression de sélection s’exerce sur les protéines, façonnant leurs interactions et régulant ainsi cette sévère compétition.Pour cela, j’ai développé une méthodologie permettant de caractériser la propension des protéines à interagir avec les protéines de leur environnement, par des approches de docking. La cartographie moléculaire permettant la visualisation et la comparaison des propriétés de la surface des protéines, j’ai donc mis en place un nouveau cadre théorique basé sur une représentation des paysages énergétiques d'interaction par des cartes d'énergies. Ces cartes (en deux dimensions) reflètent de manière synthétique la propension des surfaces protéiques à engager des interactions avec d’autres protéines. Elles sont donc d’un grand intérêt pratique pour déterminer les régions des surfaces protéiques les plus enclines à engager des interactions avec d’autres molécules.Ce nouveau cadre théorique a permis de montrer que les surfaces des protéines comprennent des régions de différents niveaux d'énergies de liaison (régions chaudes, intermédiaires et froides pour les régions d'interaction favorables, intermédiaires et défavorables respectivement).Une partie importante de la thèse a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et évolutives de ces différentes régions. L'autre partie a consisté à appliquer cette méthode sur plusieurs systèmes : complexes homomériques, protéines du cytosol de S. cerevisiae, familles d'interologues. Ce travail ouvre la voie à un grand nombre d'applications en bioinformatique structurale, telles que la prédiction de sites de liaison, l’annotation fonctionnelle ou encore le design de nouvelles interactions.En conclusion, la stratégie mise en place lors de ma thèse permet d’explorer la propension d’une protéine à interagir avec des centaines de partenaires d'intérêts, et donc d'investiguer le comportement d’une protéine dans un environnement cellulaire spécifique. Cela va donc au-delà de l'utilisation classique du docking "binaire" puisque notre stratégie fournit une vision systémique des interactions protéiques à l’échelle des "résidus". / In the crowded cell, proteins interact with their functional partners, but also with a large number of non-functional partners that compete with the functional ones. The goal of this thesis is to characterize the physical properties and the evolution of protein surfaces in order to understand how selection pressure exerts on proteins, shaping their interactions and regulating this severe competition.To do this I developed a framework based on docking calculations to characterize the propensity of protein surfaces to interact with other proteins. Molecular cartography enables the visualization and the comparison of surface properties of proteins. I implemented a new theoretical framework based on the representation of interaction energy landscapes by 2-D energy maps. These maps reflect in a synthetic manner the propensity of the surface of proteins to interact with other proteins. These maps are useful from a practical point view for determining the regions of protein’s surface that are more prone to interact with other proteins. Our new theoretical framework enabled to show that the surface of proteins harbor regions with different levels of propensity to interact with other proteins (hot regions, intermediate and cold regions to favorable, intermediate and unfavorable regions respectively).A large part of this thesis work consisted in characterizing the physico-chemical properties and the evolution of these regions. The other part of this thesis work consisted in applying this methodology on several study systems: homomeric complexes, cytosolic proteins from S. cerevisiae, families of interologs. This work opens the way to numerous practical applications in structural bioinformatics, such as binding site prediction, functional annotation and the design of new interactions.To conclude, the strategy implemented in this work enable the exploration of the propensity of a protein to interact with hundred of protein partners. It thus enables the investigation of the behavior of a protein in a crowded environment. This application goes beyond the classical use of protein docking as a, because our strategy provides a systemic point of view of protein interactions at an atomic resolution.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / La question des bases structurales du phénotype et de sa variation est une des questions les plus anciennes de la biologie. Le paradigme actuel stipule que le phénotype est exprimé à partir du génotype au travers de réseaux moléculaires dont l’architecture structure l’information génétique. Cette description mécanistique de la carte génotype-phénotype implique que c’est par la perturbation de l’architecture de ces réseaux que des variations génotypiques mènent à des modifications du phénotype. Les protéines constituant le principal vecteur de l’information génétique, comprendre la carte génotype-phénotype requiert de comprendre comment les variations génotypiques perturbent l’architecture du réseau d’interactions protéines-protéines. Au cours de cette thèse, nous avons développé une méthode permettant d’étudier chez la levure Saccharomyces cerevisiae l’impact de la délétion des gènes sur les interactions entre protéines. Nous avons appliqué cette méthode à l’étude des mécanismes moléculaires de la robustesse par lesquels le réseau d’interactions protéines-protéines filtre les variations génotypiques pour préserver le phénotype. Nous avons mis au jour un mécanisme de compensation fonctionnelle entre gènes paralogues basé sur la compensation des interactions protéines-protéines et expliquant un lien entre génotype et phénotype qui était mal compris jusqu’alors. En outre, en appliquant notre méthode à l’identification des régulateurs de la Protéine Kinase A, nous avons approfondi les connaissances sur la façon dont les maîtres régulateurs coordonnent les processus cellulaires et maintiennent l’homéostasie, une propriété distribuée de la robustesse. Ces résultats, et ceux qui seront produits à l’avenir par l’application de cette méthode, promettent une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires par lesquels l’information génétique est transmise du génotype au phénotype, condition essentielle à la compréhension du vivant et de son évolution. / The question of the structural bases of the phenotype and of its evolution is one of the oldest questions in biology. The present paradigm states that the phenotype is expressed from the genotype through molecular networks, the architecture from which structures genetic information. This mechanistic description of the genotype-phenotype map implies that it is through by perturbing of the architecture of these networks that genotypic variations lead to phenotypic modifications. Since proteins are the main vector of genetic information, understanding the genotype-phenotype map requires the understanding of how genotypic variations perturb the architecture of the protein interaction network. In the course of this thesis, we developped a methodology that allows to study the impact of gene deletions on the interactions between proteins in the yeast Saccharomyces cerevisiae. We applied this method to the study of the molecular mechanisms of robustness by which the protein interaction network filters genotypic variations to preserve the phenotype. We uncovered un mechanism of functional compensation between paralogous genes that is based on protein-protein interaction compensation and that explains the poorly understood link between genotype and phenotype. Moreover, we applied our method to the identification of regulators of Protein Kinase A and deepened our knowledge of how master regulators coordinate cellular processes and maintain homeostasis, a distributed property of robustness. These results, and the ones that will be produced in the future by applying this method, promise a better understanding of the molecular mechanisms through which genetic information is transmitted from the genotype to the phenotype, an essential condition for the understanding of life and its evolution.

L’évolution par la duplication de gènes est maintenant reconnue comme un des mécanismes les plus importants dans l’évolution et plusieurs évidences ont été retrouvées dans le génome des organismes. Ce qui est moins connu, et plus débattu, est l’implication respective de la divergence de la régulation transcriptionnelle et de la divergence de la séquence codante dans l’évolution phénotypique. Nous avons établi une méthode nous permettant d’évaluer le rôle de la régulation transcriptionnelle dans la divergence des interactions protéine-protéine sur les gènes dupliqués chez l’organisme Saccharomyces cerevisiae. Nos résultats démontrent que cette méthode peut être utilisée pour vérifier si la différence d’interactions protéine-protéine peut être expliquée par la divergence de la régulation transcriptionnelle ou par la divergence de séquence codante. Nous avons identifié des cas où la divergence de régulation transcriptionnelle joue un rôle important, un rôle mineur ou aucun rôle dans la divergence des interactions protéine-protéine. La méthode développée peut être transposée à grande échelle, ce qui pourrait faire de la lumière sur l’importance de la régulation transcriptionnelle durant l’évolution. / Evolution by gene duplication is considered one of the most important mechanisms of evolutionary innovation. What is less known and highly debated is the relative role of the divergence of transcriptional regulation and the divergence of protein coding sequence in the evolution of molecular networks. We developed a method aimed at evaluating the role of transcriptional regulation in the divergence of protein-protein interactions among duplicated genes in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. Our results demonstrate that our approach can be used effectively to test if divergence of protein-protein interaction profiles can be explained by the divergence of transcriptional regulation or the divergence of coding sequences. We found evidence supporting different scenarios, whereby expression regulation has a large effect, no effect or little effect on protein-protein interaction profiles of paralogous proteins. Our method can be brought to large scale and help elucidate the importance of gene transcriptional regulation in evolution of complex cellular networks.

La plupart des processus cellulaires et biologiques reposent, à un certain niveau, sur des interactions protéine-protéine (IPP). Leur manipulation avec des composés chimiques démontre un grand potentiel pour la découverte de nouveaux médicaments. Malgré la demande toujours croissante en molécules capables d'interrompre sélectivement des IPP, le développement d'inhibiteurs d’IPP est fortement limité par la grande taille de la surface d'interaction. En considérant la nature de cette surface, la capacité à mimer des structures secondaires de protéines est très importante pour lier une protéine et inhiber une IPP. Avec leurs grandes capacités peptidomimétiques et leurs propriétés pharmacologiques intéressan-tes, les peptides cycliques sont des prototypes moléculaires de choix pour découvrir des ligands de protéines et développer de nouveaux inhibiteurs d’IPP. Afin d’exploiter pleinement la grande diversité accessible avec les peptides cycliques, l’approche combinatoire «one-bead-one-compound» (OBOC) est l’approche la plus accessible et puissante. Cependant, l'utilisation des peptides cycliques dans les chimiothèques OBOC est limitée par les difficultés à séquencer les composés actifs après le criblage. Sans amine libre en N-terminal, la dégradation d'Edman et la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) ne peuvent pas être utilisées. À cet égard, nous avons développé de nouvelles approches par ouverture de cycle pour préparer et décoder des chimiothèques OBOC de peptides cycliques. Notre stratégie était d'introduire un résidu sensible dans le macrocycle et comme ancrage pour permettre la linéarisation des peptides et leur largage des billes pour le séquençage par MS/MS. Tout d'abord, des résidus sensibles aux nucléophiles, aux ultraviolets ou au bromure de cyanogène ont été introduits dans un peptide cyclique et leurs rendements de clivage évalués. Ensuite, les résidus les plus prometteurs ont été utilisés dans la conception et le développement d’approches en tandem ouverture de cycle / clivage pour le décodage de chimiothèques OBOC de peptides cycliques. Dans la première approche, une méthionine a été introduite dans le macrocycle comme ancrage pour simultanément permettre l’ouverture du cycle et le clivage des billes par traitement au bromure de cyanogène. Dans la seconde approche, un résidu photosensible a été utilisé dans le macrocycle comme ancrage pour permettre l’ouverture du cycle et le clivage suite à une irradiation aux ultraviolets. Le peptide linéaire généré par ces approches peut alors être efficacement séquencé par MS/MS. Enfin, une chimiothèque OBOC a été préparée et criblée la protéine HIV-1 Nef pour identifier des ligands sélectifs. Le développement de ces méthodologies permttra l'utilisation de composés macrocycliques dans les chimiothèques OBOC et constitue une contribution importante en chimie médicinale pour la découverte de ligands de protéines et le développement d'inhibiteurs d’IPP. / A great number of cellular and biological processes depend, at some level, on protein-protein interactions (PPI). Their manipulation with chemical compounds has provided a great potential for the discovery of new drugs. Despite the increasing demand for molecules able to interrupt specific PPI, the development of small PPI inhibitors is beset by a number of challenges such as the large size of the interaction interface. Based on the interface’s nature, the ability to mimic protein secondary structures is very important to bind a protein and inhibit PPI. With their interesting peptidomimetic abilities and pharmacological properties, cyclic peptides are very promising templates to discover protein ligands and development new PPI inhibitors. To fully exploit the great diversity accessible with cyclic peptides, the one-bead-one-compound (OBOC) combinatorial method is certainly the most accessible and powerful approach. Unfortunately, the use of cyclic peptides in OBOC libraries is limited by difficulties in sequencing hit compounds after the screening. Lacking a free N-terminal amine, Edman degradation cannot be used on cyclic peptides and complicated fragmentation patterns are obtained by tandem mass spectrometry (MS/MS). In this regard we have designed and developed new convenient ring-opening approaches to prepare and decode OBOC cyclic peptide libraries. Our strategy was to introduce a cleavable residue in the macrocycle and as a linker to allow linearization of peptides and their release from the beads for sequencing by MS/MS. First, amino acid residues sensible to nucleophiles, ultraviolet irradiation or cyanogens bromide were introduced in a model cyclic peptide. Afterward, the most promising residues were used to design and develop tandem ring-opening/cleavage approaches to decode OBOC cyclic peptide libraries. In the first approach a methionine residue was introduced in the macrocycle and as a linker to allow a simultaneous ring-opening and cleavage from the beads upon treatment with cyanogens bromide. In the second approach, a photosensitive residue was used in the macrocycle and as a linker for a dual ring-opening/cleavage upon UV irradiation. The linear peptide generated by these approaches can be efficiently sequenced by tandem mass spectrometry. Finally, an OBOC library has been prepared and screened against the HIV-1 Nef protein to identify selective ligands. The development of these methodologies will prompt the use of macrocyclic compounds in OBOC libraries and be an important contribution in medicinal chemistry for the discovery of protein ligands and the development of PPI inhibitors.

La valorisation du lactosérum par le fractionnement de molécules à hautes valeurs ajoutées est d’autant plus d’actualité au Québec, que ce sous-produit est encore considéré comme une matière résiduelle fertilisante. Bien que les concentrés de protéines sériques possèdent des propriétés nutritionnelles et fonctionnelles intéressantes, la production de protéines sous forme purifiée est davantage désirée pour leur utilisation dans des produits de qualité et très recherchés notamment dans les formulations infantiles. De manière générale, la séparation des protéines est réalisée à l’aide de technologies présentant un impact environnemental et économique non négligeable ainsi qu’une efficacité non optimale voire limitée. Dans le cas des protéines sériques majeures (alpha-lactalbumine – α-la et bêta-lactoglobuline – β-lg), la principale problématique reliée à leur récupération sélective concerne leur poids moléculaire similaire. L’utilisation de technologies émergentes et écoresponsables devient donc un incontournable, de manière à améliorer les procédés déjà existants. Cette thèse avait donc pour but de montrer que la modulation des interactions protéiques par l’utilisation des hautes pressions hydrostatiques (HPH), une technologie considérée comme éco-efficiente et émergente, et l’utilisation d’un ligand, les caséines (CN), permettrait de fractionner ces deux protéines majeures pour la génération de fractions purifiées à des rendements maximaux. Une première étude a permis de déterminer les paramètres optimaux de pressurisation (temps et niveau de pression) ainsi que le type de ligand utilisé (CN isoélectriques – CI ou micellaires – CM). De manière générale, les HPH ont permis de spécifiquement agréger la β-lg et les CN, tout en maintenant l’α-la sous sa forme monomérique. L’acidification subséquente à pH 4,6 a généré une précipitation de ces agrégats de β-lg/CN. L’augmentation du niveau de pression et de temps a permis d’augmenter l’agrégation entre la β-lg et les CN sans impacter significativement l’agrégation de l’α-la. De plus, l’utilisation de CI en comparaison aux CM n’a pas permis d’améliorer le taux de purification de l’α-la alors que le rendement de cette dernière a diminué. Une deuxième étude a porté sur l’évaluation du potentiel concentration-dépendant des CN à agir comme un ligand pour le fractionnement de l’α-la et la β-lg. De manière générale, l’augmentation de la concentration en CN n’a pas permis d’améliorer les taux de purification et les rendements en α-la. Au contraire, pour des concentrations élevées en CN, le taux d’agrégation de la β-lg diminuait, suggérant un effet chaperon des CN sur l’agrégation par les HPH de la β-lg. En outre, la pressurisation des protéines sériques sans CN a permis d’obtenir les meilleurs paramètres de purification en α-la ainsi qu’en β-lg. Finalement, une troisième étude a permis de mettre en avant l’effet chaperon de la β-CN sur l’agrégation de la β-lg en présence d’α-la. Alors que la pressurisation des protéines sériques seules ou combinées entraînait la formation d’agrégats globulaires de faibles poids moléculaires et générait des solutions turbides, l’ajout de β-CN a permis de réduire la turbidité des solutions, et ce, proportionnellement à sa concentration. En parallèle, cette limpidité corrélait avec la présence d’agrégats de types amorphes et de hauts poids moléculaires. Finalement, comme requis pour une protéine chaperonne, il a été démontré que la β-CN n’était pas impliquée dans ces agrégats. Les travaux de cette thèse ont rencontré l’ensemble des objectifs définis et contribuent significativement à l’avancement des connaissances concernant l’extension de l’application des HPH pour le fractionnement de l’α-la et la β-lg présentant ainsi des taux de purification et des rendements d’intérêt majeur pour l’industrie de transformation des produits laitiers. / Whey valorization through the better fractionation of highly valuable molecules is more than ever relevant in Quebec, as it is still used as a fertilizing residual material. Although whey protein concentrates have multiple nutritional and functional properties, the production of highly pure single proteins is more desired for their use in high quality product and in particular for infant formula. Usually, proteins separation is done using technologies with significant environmental and economic impacts as well as non-optimized effectiveness. For the major whey proteins such as alpha-lactalbumin (α-la) and beta-lactoglobulin (β-lg), the main problematic is their similar molecular weight. Consequently, the use of emerging and green technologies is crucial to improve the efficiency and productivity of existing processes. This thesis aims to demonstrate the potential of using a green and emerging technology known as high hydrostatic pressure (HHP) coupled with a ligand, caseins (CN) for the modulation of proteinprotein interactions to improve the fractionation of the two major whey proteins: α-la and β-lg with higher purity. In the first study, optimal pressurization parameters (duration and level of pressure) as well as ligand type (isoelectric CN – IC or micellar – MC) were determined. Broadly, HHP treatment induced specific aggregation of β-lg and CN, while maintaining α-la in its monomeric form. Subsequent acidification to pH 4.6 caused the precipitation of the β-lg/CN aggregates. Increase of pressure and process duration increased the β-lg/CN aggregation without significantly impacting α-la aggregation. Furthermore, the use of IC in comparison with MC improved the purification rate of α-la while decreasing its recovery rate. As part of a second study, the evaluation of concentration of CN as a ligand for the fractionation of α-la and β-lg was studied. The increase in CN concentration did not improve both the purification and recovery rates of α-la. Rather, at higher CN concentration, β-lg aggregation rate decreased, suggesting a chaperone-like effect of CN on the β-lg pressure-induced aggregation. In addition, pressurization of whey proteins in the absence of CN, resulted in a higher purification rate and recovery degree for both α-la and β-lg in soluble and insoluble fractions, respectively. Lastly, in the third study, the chaperone-like effect of β-CN on the pressure-induced aggregation of β-lg and α-la was investigated. Pressurization of single or combined whey proteins generated small globular aggregates with turbid solutions, whereas, the addition of β-CN decreased the turbidity in a concentration dependent manner. In parallel, limpidity was correlated with the presence of larger but amorphous aggregates with higher molecular weight. Furthermore, it was demonstrated that β-CN was not part of the aggregates formed, which is an important criterion of a chaperone-like protein. The present work has met all the objectives set in this thesis and contributed significantly to the advancement of knowledge concerning the application of HHP for the fractionation of α-la and β-lg with high purification and recovery rates, which is of great interest for the dairy processing industry.

Les cellules s'acclimatent à leur environnement en décodant les signaux extracellulaires et en formant des complexes protéiques spécifiques afin d'entamer une réponse biologique adéquate. Par exemple, la liaison des récepteurs tyrosines kinases (RTK) à leurs ligands extracellulaires active de nombreuses voies de signalisation en créant des sites phosphotyrosines (pTyr) pouvant servir de points d'ancrage pour des protéines cytoplasmiques. Le recrutement de protéines adaptatrices, qui sont constituées uniquement de domaines modulaires médiant des interactions protéiques et qui ne contiennent aucune activité catalytique, au niveau de RTK activés favorise l'assemblage de complexes protéiques spécifiques. La formation de ces complexes permet le réarrangement des réseaux d'interactions protéine-protéine (IPP), ce qui est un processus essentiel pour l'homéostasie cellulaire. Néanmoins, les mécanismes moléculaires permettant la régulation des fonctions des protéines adaptatrices restent peu caractérisés à ce jour. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous avons identifié une nouvelle boucle d'autorégulation négative existante entre des RTK et des protéines adaptatrices constituées de domaines d'homologie à SRC 3 (SH3). Cette famille de domaines cible des peptides riches en proline et est fréquemment retrouvée dans les protéines impliquées dans la transduction de signaux. Nous avons déterminé que le RTK EPHA4 phosphoryle directement une tyrosine située dans les poches de liaisons des trois domaines SH3 des protéines adaptatrices NCK1 et NCK2, ce qui inhibe leur capacité à interagir avec leurs partenaires protéiques. De plus, nous avons observé que ce résidu tyrosine est conservé à cette position dans plus de la moitié des 300 SH3 humains. Nos résultats suggèrent que plusieurs RTK pourraient phosphoryler des domaines SH3, et donc inhiber la transduction de signaux directement au niveau du récepteur activé à la membrane plasmique. Les modules SH3 représentent une des familles de domaines les plus répandus et médient une proportion importante des IPP des cellules eucaryotes. Les domaines modulaires ciblant des motifs peptidiques précis tels les SH3 possèdent leur propre structure tridimensionnelle qui est supposée être indépendante de leur protéine hôte. Ils sont donc généralement considérés comme étant des modules d'IPP autonome médiant des interactions via leur spécificité intrinsèque. C'est pourquoi de nombreux SH3 ont été étudiés in vitro, isolés de leur protéine hôte, au cours des deux dernières décennies. Cependant, nous ne savons pas si ces domaines sont nécessaires et suffisants pour dicter des IPP dans leur contexte protéique naturel in vivo. Pour répondre à cette question, nous avons délété systématiquement les domaines SH3 de la levure Saccharomyces cerevisiae dans le but d'identifier les interactions SH3-dépendantes in vivo. Afin de déterminer si les SH3 sont suffisants pour médier des IPP dans des cellules vivantes, nous avons échangé le domaine SH3 de la protéine liant l'actine Abp1 par tous les autres SH3 de la levure ainsi que par ceux de ses orthologues humains. Ces expériences ont mis en évidence que les domaines SH3 dictent rarement des interactions indépendamment de leur protéine hôte. De plus, nous avons observé que les modules SH3 peuvent affecter les IPP de leur protéine hôte, possiblement via des interactions allostériques. Finalement, nous avons déterminé que même le positionnement de ces domaines est critique pour les IPP et les fonctions de leur protéine hôte, par exemple l'endocytose et la séparation de phases, chez la levure et l'humain. Nos travaux démontrent clairement l'importance du contexte protéique des domaines SH3 et que les fonctions de ceux-ci dépendent de leur protéine hôte. Ces résultats améliorent considérablement notre compréhension du fonctionnement des domaines SH3 dans des cellules saines et lors de pathologies. / Cells adapt to their environment by decoding extracellular signals and forming specific protein complexes to initiate the correct biological response. For example, the activation of receptor tyrosine kinases (RTKs) following binding to their extracellular ligands regulates numerous signaling pathways by creating phosphotyrosine (pTyr) sites that can serve as binding motifs for cytoplasmic proteins. The recruitment of adaptor proteins, consisting only of modular protein interaction domains and containing no catalytic activity, at activated RTKs promotes the assembly of specific protein complexes. The formation of these complexes allows the rearrangement of protein-protein interaction (PPI) networks, which is an essential process for homeostasis. However, the molecular mechanisms regulating the functions of adaptor proteins remain poorly characterized. We identified a negative autoregulatory loop existing between RTKs and adaptor proteins containing SRC homology 3 (SH3) domains. This family of modules targets proline-rich peptides and is enriched in proteins involved in signal transduction. We have determined that the RTK EPHA4 directly phosphorylates a tyrosine located in the binding pocket of the three SH3 domains of the adaptor proteins NCK1 and NCK2, and that this inhibits their ability to interact with their protein partners via SH3-dependent associations. In addition, we observed that this tyrosine residue is conserved at this position in more than half of the 300 human SH3s. Our results suggest that several RTKs may phosphorylate SH3 domains, and therefore inhibit signal transduction directly at the sites of activated receptors at the plasma membrane. SH3s modules represent one of the most widespread families of domains and mediate a significant proportion of all PPIs in eukaryotic cells. Modular domains targeting precise peptide motifs such as SH3s have their own three-dimensional structure, which is independent of their host protein. They are therefore generally considered to be autonomous PPI modules mediating interactions via a domain-intrinsic specificity. Based on this, many SH3s have been studied in vitro isolated from their host protein, over the past two decades. However, we still do not know whether these domains are necessary and sufficient to dictate PPIs in their natural protein context in vivo. To answer this question, we systematically deleted SH3 domains of the yeast Saccharomyces cerevisiae to identify SH3-dependent interactions in vivo. In order to determine whether SH3 domains are sufficient to mediate PPIs in living cells, we exchanged the SH3 domain of the actin-binding protein Abp1 with all the other yeast SH3s as well as those of its human orthologs. These experiments demonstrated that SH3 domains rarely dictate interactions independently of their host protein. In addition, we observed that SH3s can affect their host's PPIs according to the domain sequence, possibly via allosteric interactions. Ultimately, we determined that even the positioning of these domains is critical for the PPIs and the functions, for example endocytosis and phase separation, of their host protein in yeast and humans. Our work clearly demonstrates the importance of the protein context of SH3 domains and that their functions depend on their host protein. These results considerably improve our understanding of the functions of SH3 domains in normal cells and in the context of pathologies.

Les biomolécules exercent leurs fonctions en interagissant avec d'autres molécules. Le recensement de l'ensemble des biomolécules et leurs interactions permet de construire leurs réseaux d'interactions et de les analyser sur le plan structural et fonctionnel par des outils bioinformatiques (BiNGO, DAVID). Cela permet d'identifier les biomolécules clés, de prédire de nouvelles fonctions des protéines et de comprendre et modéliser les mécanismes moléculaires d'un processus biologique ou pathologique donné. Les protéines ou régions intrinsèquement désordonnées, qui possèdent une grande plasticité structurale, sont susceptibles d'interagir avec de nombreux partenaires et d'être importantes dans les réseaux d'interactions. A l'aide du prédicteur IUPred, nous avons dans un premier temps cartographié le désordre intrinsèque des protéines dans le réseau d'interactions de la matrice extracellulaire et dans le réseau extracellulaire des protéoglycanes construits à partir de la base de données MatrixDB développée dans l'équipe. Nous avons montré que les protéines très connectées de ces deux réseaux ne sont pas enrichies en désordre. Les fonctions moléculaires surreprésentées dans le jeu de protéines extracellulaires contenant au moins 50% de désordre intrinsèque sont les interactions avec les facteurs de croissance ou les glycosaminoglycanes. Nous avons étudié un jeu de données d'interactions protéine-héparine comportant 118 valeurs de cinétique et nous avons montré une relation positive entre la vitesse d'association des protéines à l'héparine et le pourcentage de désordre de leurs sites de fixation à l'héparine. Nous avons également étudié les interactions de la matrice extracellulaire avec un pathogène, le parasite Leishmania. Nous avons montré que les protéines sécrétées par les Leishmania ne sont pas enrichies en désordre par rapport au protéome. Nous avons établi une liste de onze protéines parasitaires sécrétées possédant au moins trois motifs d'interaction et susceptibles d'interagir avec l'hôte / Biomolecules perform their functions by interacting with other molecules. The identification of all biomolecules and their interactions is required to build their interaction networks. Their structural and functional analysis with bioinformatics tools (BiNGO, DAVID) allow us to identify the key biomolecules, to predict new protein functions and to understand and model the molecular mechanisms of biological or pathological process. Intrinsically disordered proteins or regions, which are characterized by structural plasticity, may interact with many partners and may play a role in the interaction networks. Using the predictor IUPred we mapped the intrinsic disorder in protein interaction networks of the extracellular matrix and of the proteoglycans constructed from the MatrixDB database developed in the laboratory. We have shown that the highest connected proteins of these two networks are not enriched in disorder. The molecular functions overrepresented in the set of extracellular proteins containing at least 50% of intrinsically disordered residues are interactions with growth factors or glycosaminoglycans. We studied a dataset of heparin-protein interactions including 118 kinetic values and we have shown that the association rate of proteins with heparin is related to the intrinsic disorder of heparin-binding sites. We also studied the interactions of the extracellular matrix with a pathogen, the parasite Leishmania. We have shown that proteins secreted by Leishmania are not enriched in disorder compared to their proteome. We have selected eleven parasite proteins containing at least three interaction motifs, which may interact with the host

Au fil du temps, la vie a évolué pour produire des organismes remarquablement complexes. Pour faire face à cette complexité, les organismes ont développé une pléthore de mécanismes régulateurs. Par exemple, les mammifères transcrivent des milliers d'ARN longs non codants (ARNlnc), accroissant ainsi la capacité régulatrice de leurs cellules. Un concept émergent est que les ARNlnc peuvent servir d'échafaudages aux complexes protéiques, mais la prévalence de ce mécanisme n'a pas encore été démontrée. De plus, pour chaque ARN messager, plusieurs régions 3’ non traduites (3’UTRs) sont souvent présentes. Ces 3’UTRs pourraient réguler la fonction de la protéine en cours de traduction, en participant à la formation des complexes protéiques dans lesquels elle est impliquée. Néanmoins, la fréquence et l’importance ce mécanisme reste à aborder.Cette thèse a pour objectif de découvrir et comprendre systématiquement ces deux mécanismes de régulation méconnus. Concrètement, l'assemblage de complexes protéiques promus par les ARNlnc et les 3'UTRs est étudié avec des données d’interactions protéines-protéines et protéines-ARN à grande échelle. Ceci a permis (i) de prédire le rôle de plusieurs centaines d'ARNlnc comme molécules d'échafaudage pour plus de la moitié des complexes protéiques connus, ainsi que (ii) d’inférer plus d’un millier de complexes 3'UTR-protéines, dont certains cas pourraient réguler post-traductionnellement des protéines moonlighting aux fonctions multiples et distinctes. Ces résultats indiquent qu'une proportion élevée d'ARNlnc et de 3'UTRs pourrait réguler la fonction des protéines en augmentant ainsi la complexité du vivant. / Over time, life has evolved to produce remarkably complex organisms. To cope with this complexity, organisms have evolved a plethora of regulatory mechanisms. For instance, thousands of long non-coding RNAs (lncRNAs) are transcribed by mammalian genomes, presumably expanding their regulatory capacity. An emerging concept is that lncRNAs can serve as protein scaffolds, bringing proteins in proximity, but the prevalence of this mechanism is yet to be demonstrated. In addition, for every messenger RNA encoding a protein, regulatory 3’ untranslated regions (3’UTRs) are also present. Recently, 3’UTRs were shown to form protein complexes during translation, affecting the function of the protein under synthesis. However, the extent and importance of these 3’UTR-protein complexes in cells remains to be assessed.This thesis aims to systematically discover and provide insights into two ill-known regulatory mechanisms involving the non-coding portion of the human transcriptome. Concretely, the assembly of protein complexes promoted by lncRNAs and 3’UTRs is investigated using large-scale datasets of protein-protein and protein-RNA interactions. This enabled to (i) predict hundreds of lncRNAs as possible scaffolding molecules for more than half of the known protein complexes, as well as (ii) infer more than a thousand distinct 3’UTR-protein complexes, including cases likely to post-translationally regulate moonlighting proteins, proteins that perform multiple unrelated functions. These results indicate that a high proportion of lncRNAs and 3’UTRs may be employed in regulating protein function, potentially playing a role both as regulators and as components of complexity.

Les neurotoxines botuliques (BoNTs), toxines les plus efficaces connues, sont responsables du botulisme. Elles inhibent la libération d'acétylcholine aux jonctions neuromusculaires causant des paralysies flasques. Lors de l'intoxication, la BoNT se lie à ses récepteurs à la surface des neurones, puis est internalisée par endocytose. L'interaction de son domaine de translocation avec la membrane à l'intérieur de compartiments cellulaires acides permet le passage du domaine catalytique dans le cytosol. Le domaine de translocation de BoNT/A (Tm) a été exprimé à partir d'un gène de synthèse. L'insertion de Tm dans la membrane et son activité sont dépendantes du pH et apparaissent dès pH 5,5. Aucun changement de structure n'est détecté par spectroscopie. Cependant, la formation d'une structure quaternaire n'est pas exclue. L'activité de Tm est aussi sensible à la courbure de la membrane, ce qui pourrait permettre une régulation supplémentaire de sa fonction.<br /><br />L'apomyoglobine appartient à la famille des protéines à repliement de type globine, comme certaines toxines bactériennes. Son interaction avec la membrane présente de fortes homologies avec celle du domaine de translocation de la toxine diphtérique. Ce processus à deux étapes (liaison puis insertion) est dépendant du pH et requiert le passage par un état partiellement replié. Pour chaque étape, les régions impliquées ont été localisées par des expériences d'échanges Hydrogène/Deuterium analysées par spectrométrie de masse. La liaison à la bicouche se fait par une hélice amphiphile, puis une hélice hydrophobe intervient pour l'insertion. Cette dernière n'est accessible qu'après formation de l'état partiellement replié.

La compréhension et la prédiction des relations structure-fonction de protéines par des approches in sillico représentent aujourd'hui un challenge. Malgré le développement récent de méthodes algorithmiques pour l'étude du mouvement et des interactions moléculaires, la flexibilité de macromolécules reste largement hors de portée des outils actuels de modélisation moléculaire. L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle approche basée sur des algorithmes de planification de mouvement issus de la robotique pour mieux traiter la flexibilité moléculaire dans l'étude des interactions protéiques. Nous avons étendu un algorithme récent d'exploration par échantillonnage aléatoire, ML-RRT pour le désassemblage d'objets articulés complexes. Cet algorithme repose sur la décomposition des paramètres de configuration en deux sous-ensembles actifs et passifs, qui sont traités de manière découplée. Les extensions proposées permettent de considérer plusieurs degrés de mobilité pour la partie passive, qui peut être poussée ou attirée par la partie active. Cet outil algorithmique a été appliqué avec succès pour l'étude des changements conformationnels de protéines induits lors de la diffusion d'un ligand. A partir de cette extension, nous avons développé une nouvelle méthode pour la résolution simultanée du séquençage et des mouvements de désassemblage entre plusieurs objets. La méthode, nommée Iterative-ML-RRT, calcule non seulement les trajectoires permettant d'extraire toutes les pièces d'un objet complexe assemblé, mais également l'ordre permettant le désassemblage. L'approche est générale et a été appliquée pour l'étude du processus de dissociation de complexes macromoléculaires en introduisant une fonction d'évaluation basée sur l'énergie d'interaction. Les résultats présentés dans cette thèse montrent non seulement l'efficacité mais aussi la généralité des algorithmes proposés. / Understanding and predicting structure-function relationships in proteins with fully in silico approaches remain today a great challenge. Despite recent developments of computational methods for studying molecular motions and interactions, dealing with macromolecular flexibility largely remains out of reach of the existing molecular modeling tools. The aim of this thesis is to develop a novel approach based on motion planning algorithms originating from robotics to better deal with macromolecular flexibility in protein interaction studies. We have extended a recent sampling-based algorithm, ML-RRT, for (dis)-assembly path planning of complex articulated objects. This algorithm is based on a partition of the configuration parameters into active and passive subsets, which are then treated in a decoupled manner. The presented extensions permit to consider different levels of mobility for the passive parts that can be pushed or pulled by the motion of active parts. This algorithmic tool is successfully applied to study protein conformational changes induced by the diffusion of a ligand inside it. Building on the extension of ML-RRT, we have developed a novel method for simultaneously (dis)assembly sequencing and path planning. The new method, called Iterative-ML-RRT, computes not only the paths for extracting all the parts from a complex assembled object, but also the preferred order that the disassembly process has to follow. We have applied this general approach for studying disassembly pathways of macromolecular complexes considering a scoring function based on the interaction energy. The results described in this thesis prove not only the efficacy but also the generality of the proposed algorithms