Tuberculosis affects millions of people worldwide every year. The current treatment for TB is divided into a regimen of both first- and second-line drugs, where first-line treatments are more tolerated and require shorter treatment lengths. With rising levels of resistance, alternative treatment regimes are urgently needed to fight this disease. Ethionamide, a second-line drug is administered as a prodrug which is activated in vivo by the enzyme EthA, which is in turn regulated by EthR. The disruption of the action of EthR could lead to novel therapeutics which could enhance the efficacy of ethionamide, and raise it to a first-line treatment. The work reported in this thesis examines the elaboration of three chemical scaffolds using fragment-based approaches to develop novel inhibitors capable of disrupting the EthR-DNA interaction. The first scaffold, 5-(furan-2-yl)isoxazole was investigated by fragment-merging approaches and produced compounds with the best of these having a KD of 7.4 uM. The second scaffold, an aryl sulfone was elaborated using fragment-merging strategies. This led to several modifications of the fragment, leading to several variants with KDs around 20 uM. With both of these series the affinity could not be improved below 10 uM and due to the synthetic complexity a further scaffold was prioritised. The third scaffold was explored was a 4-(4-(trifluoromethyl)phenyl)piperazine using fragmentgrowing from the NH of the piperazine to probe deeper into the EthR binding pocket. In addition to this, SAR around the 4-(trifluoromethyl)phenyl group was assessed to explore the interactions with EthR. These modifications led to compounds with nanomolar IC50s. A range of compounds were then screened by REMAssay to determine the boosting effect on ethionamide, and this identified compounds with up to 30 times boosting in the ethionamide MIC. The final chapter examines a concept where compounds were designed to exploit the dimeric nature of EthR by linking two chemical warheads with a flexible linker. These compounds are examined using mass spectrometry to investigate the stoichiometry of the interaction to provide insight into the binding of these extended compounds and exploring an alternative strategy to inhibit EthR. The work in this thesis demonstrated the successful use of fragment-based approaches for development of novel EthR inhibitors which showed significant ethionamide boosting effects.

Biopolymer surfactant systems have been studied by using different physico chemical methods. As the biopolymer, it was chosen high (1400–1600 kDa), medium (250–450 kDa) and low (8–15 kDa) molecular weight sodium hyaluronate. Two cationic surfactants – cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and carbethopendecinium bromide (Septonex) were selected to provide polyelectrolyte complexes with oppositely charged hyaluronan. The critical aggregation concentration of the surfactant in the system was monitored by dynamic light scattering (Zetasizer Nano ZS). SEC-MALS method was used for the description of the conformation of sodium hyaluronate of different molecular weights and polyelectrolytes complexes hyaluronan surfactant after reaching the aggregation point. Isothermal titration calorimetry (ITC) was used to determine the critical aggregation concentration of the surfactant by monitoring the thermal changes accompanying the aggregation of the system. It was found out that the increasing molecular weight of hyaluronan in these systems decreases the critical aggregation concentrations and conversely.

La génération des cellules hématopoïétiques, aussi connue sous le nom d'hématopoïèse, est contrôlée par l’activité conjuguée de facteurs de transcription lignée-spécifiques permettant l’expression, en temps et lieu, de gènes spécifiques nécessaires pour le développement cellulaire. Dans le cadre de notre étude, nous avons étudié les facteurs de transcription KLF2 et KLF4 qui jouent des rôles cruciaux dans la formation des lymphocytes B et T. KLF2 et KLF4 activent la transcription de gènes spécifiques via leur interaction avec le co-activateur (CBP). Leurs interactions avec CBP requièrent le domaine de transactivation (TAD) qui est localisé dans la région N-terminal des facteurs KLF2 et KLF4. Des études préalables ont montré que des domaines TAD sont aussi présents chez la protéine suppresseur de tumeur p53 et que ces domaines sont requis pour les interactions entre la protéine p53 et le co-activateur CBP. Récemment, plusieurs structures des TADs de p53 en complexe avec les domaines TAZ2 et KIX de CBP ont permis de démontrer que ces TADs sont de nature acide et contiennent un motif ΦΧΧΦΦ crucial pour la formation des interactions. De plus, il s’avère que ces TADs sont similaires aux TADs de KLF2 et KLF4. L’étude présentée dans ce mémoire relate la caractérisation structurelle et fonctionnelle des interactions formées par les facteurs de transcription KLF2 et KLF4 avec leur partenaire d'interaction, CBP, pour activer la transcription de gènes spécifiques. Nos analyses ont été faites en utilisant différentes techniques telles que le titrage calorimétrique isotherme (ITC), la résonance magnétique nucléaire (RMN) ainsi que des expériences de transactivation chez la levure. Notre étude permet une meilleure compréhension des rôles opposés mais complémentaires qu'ont les protéines KLF2 et KLF4 au cours du développement et de la différentiation des lymphocytes B et T en plus de fournir les détails mécanistiques à la base de leurs interactions. Ces informations seront potentiellement utiles pour le développement d'outils à des fins thérapeutiques dans le cadre des leucémies, notamment. / Hematopoietic development is regulated through a combinatorial interplay between lineage-specific activators and the general transcription factors that enables cell-specific patterns of gene expression. In this study, the transcription factors KLF2 and KLF4 play crucial roles in lymphocytes B and T development by activating transcription of specific genes through interactions with the co-activator (CBP). These interactions involve the transactivation domains (TAD) localized in the N-terminal region of KLF2 and KLF4 factors. Previous studies have shown that TADs are also found in the tumor suppressor protein p53 and these TADs are responsible for the interactions between the p53 protein and the coactivator CBP. Recently, several structures of p53TADs in complex with the TAZ2 and KIX domains of CBP have shown that these TADs are acidic and possess a ΦΧΧΦΦ motif crucial for the formation of the interaction. Interestingly, these TADs are similar to the ones found on KLF2 and KLF4. This thesis provides a structural and functional characterization of the interactions formed by the transcription factors KLF2 and KLF4, which have opposing roles, and competes for the same interacting partner CBP to activate transcription. The analysis is done using isothermal titration calorimetry (ITC), nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and a yeast activation assay. This study brings a greater understanding on the opposing roles yet complementary of KLF2 and KLF4 proteins involved in B and T lymphocytes specific lineages selection and also provides information for potential therapeutic research regarding disease such as leukemia.

Le facteur de transcription IIH (TFIIH) joue un rôle crucial dans la transcription et dans la réparation de l’ADN. La sous-unité Tfb1/p62 (levure et humain) de TFIIH interagit avec de nombreux facteurs de transcription (p53, NFκB, TFIIEα) et de réparation (Rad2/XPG and Rad4/XPC) (1). La majorité des interactions avec Tfb1/p62 requiert le domaine d’homologie à la Pleckstrin (PH) localisé dans la région N-terminal de la protéine (2, 3). Ce domaine PH forme des complexes avec des domaines de transactivation acide provenant de protéines cibles impliquées dans la transcription et la réparation de l’ADN. De récentes études ont montré que Tfb1/p62 est une cible pour les protéines virales telles que la protéine VP16 du virus de l’herpès simplex (HSV) de type 1, la protéine E1 du virus du papillome humain (VPH) et la protéine EBNA-2 du virus Epstein-Barr (EBV) (4, 5). Ces protéines virales interagissent avec la sous-unité Tfb1/p62 par un domaine de transactivation acide suggérant une interaction similaire à ce qui est observé chez les facteurs de transcription humains comme p53. Ce mémoire présente une caractérisation structurelle et fonctionnelle du complexe formé par la protéine virale EBNA2 et la protéine humaine Tfb1/p62. L’analyse est faite en utilisant le titrage calorimétrique isotherme (ITC), la résonance magnétique nucléaire (RMN) et une expérience de transactivation chez la levure. Cette étude amène une plus grande compréhension des protéines impliquées dans les maladies comme le lymphome de Burkitt et le lymphome de Hodgkin qui sont souvent associées à l’infection à l’EBV (revue dans (6)) et caractérise une cible potentielle pour un antiviral. / The general transcription factor IIH (TFIIH) plays crucial roles in both transcription and DNA repair. Tfb1/p62 (yeast and human), one of the ten/eleven subunits of TFIIH, has been shown to interact with several important transcription (p53, NFκB, TFIIEα) and repair factors (Rad2/XPG and Rad4/XPC) (1). Most of the interactions with Tfb1/p62 require the Pleckstrin homology (PH) domain located at the amino-terminal end of the protein (2, 3). This PH domain in particular forms complexes with highly acidic domains from target proteins involved in both transcriptional activation and DNA repair. Recent studies has shown that the Tfb1/p62 subunit of TFIIH is also targeted by a number of viral proteins including the Herpes Simplex virus (HSV) protein VP16, the Human papillomavirus (HPV) protein HPV E1 and the Epstein-Barr virus (EBV) protein EBNA-2 (4, 5). These viral proteins interact with the Tfb1/p62 subunit via acidic domain which suggests that they are forming similar interactions as the one observed with human transcription and repair factors. This thesis provides a structural and functional characterization of the complex formed by the viral proteins EBNA2 and the human protein Tfb1/p62 subunit of TFIIH. The analysis is done using isothermal titration calorimetry (ITC), nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and a yeast activation assay. This study brings a greater understanding of proteins implicated in diseases such as the Burkitt’s lymphoma directly linked to an EBV infection (review in (6)) and shows a viable target for antiviral drug.

Les interactions ARN/ARN de type kissing-loop sont des éléments de structure tertiaire qui jouent souvent des rôles clés chez les ARN, tant au niveau fonctionnel que structural. En effet, ce type d’interaction est crucial pour plusieurs processus dépendant des ARN, notamment pour l’initiation de la traduction, la reconnaissance des ARN antisens et la dimérisation de génome rétroviral. Les interactions kissing-loop sont également importantes pour le repliement des ARN, puisqu’elles permettent d’établir des contacts à longue distance entre différents ARN ou encore entre les domaines éloignés d’un même ARN. Ce type d’interaction stabilise aussi les structures complexes des ARN fonctionnels tels que les ARNt, les riborégulateurs et les ribozymes. Comme d’autres ARN fonctionnels, le ribozyme VS de Neurospora contient une interaction kissing-loop importante. Celle-ci est impliquée dans la reconnaissance du substrat et se forme entre la tige-boucle I (stem-loop I, SLI) du substrat et la tige-boucle V (stem-loop V, SLV) du domaine catalytique. Des études biochimiques ont démontré que l’interaction kissing-loop I/V, dépendante du magnésium, implique trois paires de bases Watson-Crick (W-C). De plus, cette interaction est associée à un réarrangement de la structure du substrat, le faisant passer d’une conformation inactive dite unshifted à une conformation active dite shifted. Les travaux présentés dans cette thèse consistent en une caractérisation structurale et thermodynamique de l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme VS, laquelle est formée de fragments d’ARN représentant les tige-boucles I et V dérivées du ribozyme VS (SLI et SLV). Cette caractérisation a été réalisée principalement par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et par titrage calorimétrique isotherme (isothermal titration calorimetry, ITC) en utilisant différents complexes SLI/SLV dans lesquels l’ARN SLV est commun à tous les complexes, alors que différentes variations de l’ARN SLI ont été utilisées, soit en conformation shiftable ou preshifted. Les données d’ITC ont permis de démontrer qu’en présence d’une concentration saturante de magnésium, l’affinité d’un substrat SLI preshifted pour SLV est extrêmement élevée, rendant cette interaction plus stable que ce qui est prédit pour un duplexe d’ARN équivalent. De plus, l’étude effectuée par ITC montre que des ARN SLI preshifted présentent une meilleure affinité pour SLV que des ARN SLI shiftable, ce qui a permis de calculer le coût énergétique associé au réarrangement de structure du substrat. En plus de confirmer la formation des trois paires de bases W-C prédites à la jonction I/V, les études de RMN ont permis d’obtenir une preuve structurale directe du réarrangement structural des substrats SLI shiftable en présence de magnésium et de l’ARN SLV. La structure RMN d’un complexe SLI/SLV de grande affinité démontre que les boucles terminales de SLI et SLV forment chacune un motif U-turn, ce qui facilite l’appariement W-C intermoléculaire. Plusieurs autres interactions ont été définies à l’interface I/V, notamment des triplets de bases, ainsi que des empilements de bases. Ces interactions contribuent d’ailleurs à la création d’une structure présentant un empilement continu, c’est-à-dire qui se propage du centre de l’interaction jusqu’aux bouts des tiges de SLI et SLV. Ces études de RMN permettent donc de mieux comprendre la stabilité exceptionnelle de l’interaction kissing-loop I/V au niveau structural et mènent à l’élaboration d’un modèle cinétique de l’activation du substrat par le ribozyme VS. En considérant l’ensemble des données d’ITC et de RMN, l’étonnante stabilité de l’interaction I/V s’explique probablement par une combinaison de facteurs, dont les motifs U-turn, la présence d’un nucléotide exclu de la boucle de SLV (U700), la liaison de cations magnésium et l’empilement de bases continu à la jonction I/V. / Kissing loops are tertiary structure elements that often play key roles in functional RNAs. Their formation is central to many RNA-mediated processes, such as translation initiation, antisense recognition and retroviral dimerization. Kissing loops are also involved in RNA folding as they form long-range interactions between different RNAs or remote domains within the same RNA and stabilize the complex architecture of functional RNA, such as tRNA, riboswitch aptamers and ribozymes. Like several other functional RNAs, the Neurospora VS ribozyme contains an important kissing-loop interaction. The substrate recognition by the VS ribozyme depends largely on the formation of a magnesium-dependent kissing-loop interaction between stem-loop V (SLV) of the catalytic domain and stem-loop I (SLI) that defines the substrate domain. It has been shown from biochemical studies that the I/V kissing-loop interaction involves three Watson-Crick base pairs and is associated with a structural rearrangement of the SLI substrate from an unshifted and inactive to a shifted and active conformation. Here, we present a thermodynamic and structural characterization of the VS ribozyme I/V kissing-loop interaction using isolated stem-loop fragments (SLI and SLV). Both isothermal titration calorimetry (ITC) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy studies were conducted with several SLI/SLV complexes using a common SLV, but either shiftable or preshifted SLI variants. From the ITC studies, we show that, under saturating amount of magnesium ions, the affinity of the preshifted SLI variants for SLV is remarkably high, the interaction being more stable than predicted for a comparable duplex. In addition, these ITC studies demonstrate that preshifted SLI variants have higher affinity for SLV than shiftable SLI variants, and these results allow us to evaluate the energetic cost of the conformational shift in SLI. From the NMR studies, we confirm formation of three Watson-Crick base pairs at the kissing-loop junction and provide direct evidence on the structural rearrangement of shiftable SLI variants in the presence of magnesium and SLV. The NMR structure of a high-affinity SLI/SLV complex demonstrates that both the SLI and SLV loops adopt U-turn structures, which facilitate intermolecular Watson-Crick base pairing. Several other interactions at the I/V interface, including base triples and base stacking help create a continuously stacked structure. These NMR studies provide a structural basis for the high stability of the kissing-loop interaction and lead us to propose a kinetic model for substrate activation by the VS ribozyme. Taken together, our ITC and NMR data suggest that the remarkable stability of the I/V interaction is likely provided by a combination of several elements, especially the presence of the U-turn motif, the presence of an extruded nucleotide in SLV (U700), the binding of magnesium ions and the extensive base stacking interactions at the junction.

Les nucléolipides sont des molécules amphiphiles dont la structure bio-inspirée dérive de celle des acides nucléiques. Leur auto-assemblage en milieu aqueux aboutit à la formation d’objets supramoléculaires de morphologies et structures très diverses. La morphologie a été caractérisée par des techniques complémentaires de microscopie optique et de diffusion de la lumière, tandis que leur structure a été déterminée par la diffusion des rayons X. Il a ainsi été mis en évidence l’existence et le rôle fondamental des interactions faibles entre têtes polaires, au sein des auto-assemblages. La nature de ces interactions faibles a été déterminée par des techniques de spectroscopies IR et UV. Un premier objectif a été de mettre en évidence l’importance de ces interactions, ainsi que leur corrélation avec d’autres facteurs qui régissent le mécanisme d’auto-assemblage, tels que la nature chimique des amphiphiles, ou la morphologie et la structure des objets supramoléculaires en présence.Par ailleurs, la tête polaire nucléotide permet également d’imaginer la formation d’interactions faibles entre les auto-assemblages et un monobrin d’acide nucléique, à l’image des interactions spécifiques entre bases azotées présentes dans l’ADN. Lors de ce travail, nous nous sommes intéressés à une méthode de vectorisation d’acides nucléiques par des objets eux aussi chargés négativement. Contrairement aux approches classiques, l’interaction électrostatique est ici défavorable et l’association repose alors uniquement sur des interactions faibles spécifiques, estimées en spectroscopie. De façon surprenante, la formation des complexes a pu être mise en évidence par des expériences de diffraction des rayons X et un modèle approprié a permis de proposer des mécanismes de formation des complexes. Les propriétés thermodynamiques des différents complexes formés ont été évaluées par la technique de Calorimétrie à Titration Isotherme (ITC). Un point remarquable a été la mise en évidence systématique de trois types de comportements sur l’ensemble des complexes étudiés en fonction de la nature et de la spécificité des interactions mises en jeu. Ceci nous a ainsi permis de proposer différents mécanismes de formation pour chaque type de complexe observé. / Nucleolipids are amphiphilic molecules which bio-inspired structure derives from nucleic acid structure. Their self-assembling behaviour in aqueous medium leads to the formation of supramolecular objects of very different morphologies and structures. The morphology has been characterized with optical microscopy and light scattering complementary techniques, whereas their structure has been determined with X-ray scattering. Thus the existence and the fondamental role of weak interactions between polar heads inside the self-assemblies have been highlighted. The nature of these weak interactions has been determined with IR and UV spectroscopies techniques. A first objectif has been to highlight the importance of these interactions, as well as the their correlation with other factors which drive the mechanism of self-assembly, such as the chemical nature of amphiphiles or the morphology and structure of the supramolecular objects.Moreover the nucleotide polar hear also allows to imagine the formation of weak interactions between the self-assemblies and a single-stranded nucleic acid, such as those highlighted in DNA. In this work, we found interest in a nucleic acid vectorisation method with negatively charged objects as well. On the contrary of classic approaches, electrostatic interaction was here defavorable and assembling relies only on specific weak interactions, estimated with spectroscopy methods. Surprisingly, complexes formation could be highlighted with X-ray scattering experiments, and an appropriate model has allowed the proposal of mechanisms for the formation of complexes. Thermodynamic properties of the different complexes formed have been evaluated with Isothermal Titration Calorimetry (ITC) technique. A remarkable point was the systematic highlighting of three types of behaviour on the whole set of complexes studied, depending of the nature and the specificity of the weak interactions implied. This led us to different proposals for the mechanism of formation of each type of complex studied.

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La protéine NS5A est essentielle pour la réplication et l'assemblage du virus de l'hépatite C (VHC), et elle constitue une cible thérapeutique prometteuse pour le développement d'antiviraux. Cependant, aucune fonction claire n'a encore été décrite pour NS5A, et les connaissances structurales restent limitées. Ainsi, nous avons caractérisé l'état intrinsèquement désordonné des domaines D2 et D3 de NS5A en décrivant leurs espaces conformationnels et leurs potentialités de repliement en combinant différentes méthodes biophysiques. Nous avons aussi mis en évidence la variabilité structurale du domaine D2 au sein des génotypes du VHC, ce qui pourrait être en rapport avec les différences de pathogénie et d'efficacité des thérapies observées selon les génotypes. L'interaction de D2 et D3 avec la cyclophiline humaine A (CypA) a été étudiée par résonance plasmonique de surface (SPR). Bien que des mutations au sein du domaine D2 rendent la réplication du VHC moins dépendante de la présence de CypA, ces mutations n'empêchent pas la liaison entre D2 et CypA. En revanche, elles induisent des perturbations structurales qui pourraient affecter la cinétique d'interconversion des conformères de D2. Nous avons montré par SPR que D2 et D3 interagissent avec le domaine de fixation à l'ADN du récepteur nucléaire FXR. Cette interaction pourrait inhiber la fixation de FXR sur sa cible ADN, suggérant une implication de NS5A dans la modulation de l'activité transcriptionnelle de ce récepteur nucléaire. L'ensemble de ces informations, nous a permis de proposer un modèle de la structure globale de NS5A permettant une meilleure compréhension des propriétés structurales et fonctionnelles de cette protéine énigmatique / NS5A is essential for HCV replication and particle assembly, and constitutes a very promising drug target. However, no clear function has yet been described for NS5A, and structural knowledge remains limited. We characterized the intrinsically disordered nature of NS5A domains D2 and D3, and describe their folding propensity and their overall conformational behaviour by combining different biophysical methods. We also highlighted the structural variability of D2 domain in HCV genotypes, which might be correlated with the disparities observed between genotypes in terms of pathogenesis and efficiency of therapies. The interactions between D2 and D3 with human cyclophilin A (CypA) was analysed by surface plasmon resonance (SPR). We showed that mutations in the D2 domain conferring resistance of HCV replication to CypA inhibitors did not prevent the interaction between D2 and CypA. However, they induce structural perturbations that may affect the kinetics of conformers interconversion of D2. We also showed by SPR that D2 and D3 interact with the of DNA-binding domain of the nuclear receptor FXR (farnesoid X receptor alpha). This interaction reduce the binding of FXR to its DNA target, suggesting an involvement of NS5A in the modulation of the transcriptional activity of FXR. All this data led us to propose a model of the overall structure of NS5A, which provides a useful template for a better understanding of structural and functional properties of this enigmatic protein

Thiopurine S-methyltransferase (TPMT) belongs to the Class I S-adenosylmethionine-dependent methyltransferase (SAM-MT) super family of structurally related proteins. Common to the members of this large protein family is the catalysis of methylation reactions using S-adenosylmethionine (SAM) as a methyl group donor, although SAM-MTs act on a wide range of different substrates and carry out numerous biologically important functions. While the natural function of TPMT is unknown, this enzyme is involved in the metabolism of thiopurines, a class of pharmaceutical substances administered in treatment of immune-related disorders. Specifically, methylation by TPMT inactivates thiopurines and their metabolic intermediates, which reduces the efficacy of clinical treatment and increases the risk of adverse side effects. To further complicate matters, TPMT is a polymorphic enzyme with over 40 naturally occurring variants known to date, most of which exhibit lowered methylation activity towards thiopurines. Consequently, there are individual variations in TPMTmediated thiopurine inactivation, and the administered dose has to be adjusted prior to clinical treatment to avoid harmful side effects. Although the clinical relevance of TPMT is well established, few studies have investigated the molecular causes of the reduced methylation activity of variant proteins. In this thesis, the results of biophysical characterization of two variant proteins, TPMT*6 (Y180F) and TPMT*8 (R215H), are presented. While the properties of TPMT*8 were indistinguishable from those of the wild-type protein, TPMT*6 was found to be somewhat destabilized. Interestingly, the TPMT*6 amino acid substitution did not affect the functionality or folding pattern of the variant protein. Therefore, the decreased in vivo functionality reported for TPMT*6 is probably caused by increased proteolytic degradation in response to the reduced stability of this protein variant, rather than loss of function. Also presented herein are novel methodological approaches for studies of TPMT and its variants. Firstly, the advantages of using 8-anilinonaphthalene-1-sulfonic acid (ANS) to probe TPMT tertiary structure and active site integrity are presented. ANS binds exclusively to the native state of TPMT with high affinity (KD ~ 0.2 μm) and a 1:1 ratio. The stability of TPMT was dramatically increased by binding of ANS, which was shown to co-localize with the structurally similar adenine moiety of the cofactor SAM. Secondly, an enzyme activity assay based on isothermal titration calorimetry (ITC) is presented. Using this approach, the kinetics of 6-MP and 6-TG methylation by TPMT has been characterized.