Les RCPG sont exprimés dans tous types de tissus et sont impliqués dans la régulation de nombreux processus biologiques et ont pour rôle de capter un vaste panel de stimuli extracellulaires qu’ils transmettent à l’intérieur de la cellule. Récemment, le laboratoire a identifié une nouvelle famille de dix protéines, les GASP, qui interagissent avec les RCPG et moduleraient leur trafic intracellulaire. Alors que GASP-1 est le membre de cette famille le mieux caractérisé et que son interaction avec de nombreux RCPG soit documentée, peu d’informations sont disponibles sur les modalités d’interaction de cette protéineavec les RCPG au niveau moléculaire. La première partie de ce projet de thèse a consisté à étudier les modalités d’interaction entre les GASPs et les RCPG au niveau moléculaire. Nous avons ainsi pu montrer à l’aide de techniques biochimiques et biophysiques, l’importance d’un motif répété et conservé de 15 acides aminés pour l’interaction de GASP-1 avec divers RCPG. Par la suite, les résultats obtenus ont été exploités pour mettre en place un essai de criblage qui nous a permis d’identifier des petites molécules capables de perturber l’interaction entre GASP-1 et le récepteur beta-2 adrénergique. Enfin, l’absence de données structurales sur les protéines de la famille GASP nous a ensuite poussé à la réalisation d’études structurales de ces protéines à la fois par cristallographie et par RMN. Bien que les résultats obtenus ne nous aient pas encore permis d’obtenir la structure de ces protéines, des expériences préliminaires de RMN ont permis deconfirmer l’implication des acides aminés tryptophanes présents au sein des motifs GASP dans l’interaction avec les RCPG. / GPCRs represent one of the most diversified protein families in humans. They translate extracellular stimuli into intracellular signals to modulate a large panel of physiological processes making them unrivalled targets for development of new therapeutic agents. Recently, we identified the GASP family of proteins that interact with GPCRs and modulate the postendocyticfate of agonist activated receptors. GASP-1 is the well-characterized protein of this family and has been shown to be involved in the sorting of receptors that are quickly degraded following agonistpromoted internalization. Although GASP-1 was found to interact with numerous GPCR both in vitro and in vivo and that helix 8 of GPCRs is critically involved in this interaction, little is known about which region within GASP-1 is required for its interaction with GPCRs. In this work, we first present a detailed analysis of the molecular interaction between GASPs and GPCRs. By using biochemical and biophysical experiments we shown that the central domain of GASP-1 is critical for the interaction with GPCRs and that a conserved and repeated sequence of 15 amino acids plays a critical role in this interaction. In a second step, we developed an HTC assay allowing us to identify small molecules able to disrupt the interaction between GASP-1 and the beta-2 adrenergic receptor. Finally, preliminary NMR experiments have confirmed the importance of amino acid tryptophan for the interaction with GPCRs and a first crystallization trials were performed with a fragment of GASP -1.

Chez les procaryotes, les protéines sont synthétisées dans le cytoplasme avant d'être transportés vers différentes destinations, intra- ou extra-cellulaires. Les bactéries Gram-négatives ont mis au point une grande collection de mécanismes et systèmes, appelés systèmes de sécrétion bactérienne, pour sécréter des protéines à travers leur paroi cellulaire vers l'extérieur. Le système de sécrétion de type VI, identifié dans les années 2006-2008, est une nano-machine polyvalente répandue chez les bactéries pathogènes. Il y a de nombreuses preuves que T6SS injecte des protéines toxiques (effecteurs) directement dans les cellules eucaryotes et procaryotes pour les tuer. Pour empêcher la destruction cellules provenant de la même espèce, les bactéries possédant un T6SS produisent également des protéines d'immunité qui neutralisent les effets toxiques des effecteurs de leurs congénères. Le T6SS est formé de 13 composants de coeur (nommés TssA-M) en une structure souvent comparée à un "bactériophage inversé". La queue, semblable à celle de phages, a une forme tubulaire (la gaine et le tube interne) et polymérise à partir d'une plaque basale ancrée sur un complexe membranaire trans-périplasmique. La contraction de la gaine fournit l'énergie nécessaire pour propulser le tube intérieur à travers la paroi vers les cellules proies. Dans le cadre de ma thèse, je me suis impliqué dans la détermination de la structure et la dynamique de certains composants du T6SS de la d’Escerichia coli enteroaggrégatif (EAEC). Plusieurs structures ont été déterminées et analysées. Quatre articles ont été publiés et deux autres sont en préparation. / In prokaryotes, proteins are synthesized in the cytoplasm before being transported to various destinations, intra- or extra-cellular. Gram-negative bacteria have developed a large collection of mechanisms and systems, termed bacterial secretion systems, to secrete proteins through their cell wall to the exterior. The type VI secretion system, identified in years 2006-2008, is a versatile nano-machine prevalent in pathogenic bacteria. There have been many evidences that T6SS delivers toxic proteins directly into both eukaryotic and prokaryotic cells to kill them. To prevent killing of sibling cells (cells from the same species), T6SS+ cells produce also immunity proteins that neutralize the toxic effects of their cognate effectors. T6SS contains 13 core-components (TssA-M), assembling a structure often quoted as an “inverted bacteriophage”. A phage-like tubular tail (the sheath and the internal tube) polymerizes from a baseplate-like complex, anchored to the cell internal and outer membranes via a membrane anchored complex spanning the periplasm. Contraction of the sheath provides the necessary energy to propel the internal tube through the wall towards the prey cells. In the framework of my PhD, I became involved in determining the structure and dynamics of some components of the EAEC sci1 T6SS, mostly on the membrane and baseplate subcomplexes. Several structures have been determined and analysed. Four articles have been published and two other are in preparation.

GPCRs form the largest family of membrane proteins in human genome and mediate signal transmission in a wide panel of essential physiological processes, and they are thus a major source of pharmaceutical targets. Investigating GPCR interactions with their cognate ligands and their membrane environment is crucial to understand their function at a molecular level. While major breakthroughs in the determination of high resolution structures of GPCRs in inactive and active states have shed a new light on the structural basis of GPCR activation process, complementary approaches are needed to investigate its dynamic aspects in the context of a native lipid environment. Our research work falls within this scope and hinges on two main issues: on the one hand, understand which structural features of the agonist underlie the activation of S1P receptors; on the other hand determine if membrane lipids modulate the structure and the function of the vasopressin V2 receptor (V2R). First, we investigated the functional response of S1P1, S1P2, S1P4 and S1P5 receptors expressed in mammalian cells to a series of synthetic derivatives of the native ligand sphingosine-1-phosphate, of variable alkyl chain length. Our data demonstrated that the hydrophobic tail of the ligand is crucial to induce activation in S1P receptors family, and revealed subtype-specificities regarding the influence of the alkyl chain length. Our experimental results combined with molecular dynamics simulation lead us to propose an activation mechanism for S1P receptors family. In the second part of our work, we reconstituted purified V2R into systems of controlled lipid composition, mimicking the membrane bilayer. Structural and functional characterization of the receptor in different lipid environments, using infrared and fluorescence spectroscopy approaches, revealed that the lipid composition affects V2R conformation and its interaction with a specific ligand. Taken together, our research work contributes to a better understanding of GPCRs activation mechanism and its regulation by lipid environment. / Les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) forment la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain et contribuent à une kyrielle de processus physiologiques essentiels, qui leur confèrent un intérêt pharmacologique majeur. Étudier l'interaction de ces protéines avec leurs ligands et leur environnement membranaire est primordial pour appréhender leur fonctionnement à l’échelle moléculaire. Bien que de remarquables avancées dans la détermination de structures à haute résolution de GPCRs à l'état inactif et actif aient permis de comprendre certaines bases structurales du fonctionnement des récepteurs, des approches complémentaires donnant un aperçu des aspects dynamiques et dans un environnement natif sont nécessaires pour cerner pleinement leur mécanisme d'activation. Notre travail de thèse s'inscrit dans cette problématique et s'articule autour de deux sujets: d'une part, comprendre quelles caractéristiques structurales du ligand sous-tendent l'activation de la famille des récepteurs au sphingosine-1-phosphate (S1P); d'autre part, déterminer si les lipides de la membrane plasmique modulent la structure et la fonction du récepteur à la vasopressine V2. Pour répondre à notre première question, nous avons étudié la réponse fonctionnelle en système cellulaire des récepteurs S1P1, S1P2, S1P4 et S1P5 à des composés synthétiques dérivés du S1P, portant des chaînes alkyles de longueur variable. Nos données mettent en évidence que la longueur de la chaîne hydrocarbonée du ligand est un paramètre crucial dans sa capacité d'induire l'activation du récepteur et ce pour l'ensemble des sous-types étudiés. De plus, nos résultats suggèrent que le comportement vis-à-vis de la longueur de chaîne dépend du sous-type de récepteur considéré. Nos résultats expérimentaux, combinés à une approche de modélisation dynamique, ont abouti à proposer un mécanisme d'activation pour la famille des récepteurs au S1P. Dans le second volet de notre travail, nous avons reconstitué le récepteur V2 purifié dans des systèmes de composition lipidique contrôlée, mimant la bicouche membranaire. Nous avons procédé à la caractérisation structurale et fonctionnelle du récepteur inséré dans différentes types de lipides, par des méthodes spectroscopiques infrarouge et de fluorescence. Les données obtenues suggèrent que la composition lipidique affecte la conformation et la fonction du récepteur. L'ensemble de nos travaux contribue ainsi à une meilleure compréhension du mécanisme d'activation des GPCRs et de leur régulation par l'environnement lipidique. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les membranes cellulaires sont des systèmes complexes composés de lipides variés qui interagissent avec les protéines pour accomplir une fonction. Leur adressage spécifique dans la cellule est crucial pour le fonctionnement cellulaire. Les vésicules COP (coat protein) sont impliquées dans leur transport dans les premières étapes de la voie de sécrétion. Récemment, une interaction très spécifique a été identifiée entre le domaine transmembranaire de la protéine p24 (p24TMD) abondante dans la membrane des vésicules COP et la sphingomyéline C18:0. Cette spécificité a été identifiée dans le cas d’interaction protéine-protéine et protéine-acide nucléique comme impliquée dans la régulation de fonctions cellulaires, C’est pourquoi nous avons décidé d'étudier sur cette interaction. A cet effet, le p24TMD a été obtenu par synthèse chimique et sa structure étudiée par RMN du solide en présence de la sphingomyèline avec pour but ultime de comprendre la fonction. / Cell membranes are complex systems composed of variety of lipids that interacts with proteins to trigger cellular function. The delivery of these lipids to the right compartment is crucial for cells to work efficiently. The coat protein (COP) complex vesicles are involved in lipids traffic in the early stages of the secretory pathway. Recently, a highly specific interaction has been found between the transmembrane domain of p24 protein (p24TMD) abundant in COPI membrane and sphingomyelin C18:0. As such highly specific interaction have been reported for protein-protein and protein-nucleic acid interactions to be involved in regulation of cell functions, we decide to investigate this specific interaction. The p24TMD was obtained chemically and investigated by solid state NMR in presence of sphingomyelin with the ultimately goal to understand the function behind.

L’efflux actif, qui permet aux bactéries d’exporter les antibiotiques vers le milieu extérieur est l’un des mécanismes majeurs de résistance aux antibiotiques. L’une des pompes d’efflux de Pseudomonas aeruginosa, MexA-MexB-OprM, est constituée de trois protéines : i) MexA, une protéine membranaire de fusion qui se trouve dans le périplasme ; ii) MexB qui se trouve dans la membrane interne et qui reconnaît l’antibiotique et initie son transport grâce à la force protomotrice et iii) OprM un canal qui se trouve dans la membrane externe. Durant ma thèse, j’ai mis au point un test fonctionnel pour MexA et MexB. Ce test est basé sur la coreconstitution de ces protéines avec la bactériorhodopsine, une protéine membranaire qui génère un gradient de proton après activation par la lumière. L’activité de MexB est suivie de manière indirecte via la mesure du pH. En mesurant le pH à l’intérieur des liposomes, on peut connaître l’activité de MexB puisque ce dernier utilise la force protomotrice pour transporter ses substrats. Une mesure fiable du pH peut être obtenue grâce à la pyranine dont la fluorescence varie avec le pH. Grâce à ce test, j’ai prouvé que MexB possède une activité basale qui ne dépend pas de la présence de substrat et que l’activité de MexB devient optimale quand cette dernière est reconstituée en présence de MexA. Dans un deuxième temps, j’ai mis au point un test fonctionnel pour la pompe d’efflux entière. Pour cela, je prépare deux types distincts de protéoliposomes. Dans le premier type de liposome, j’encapsule de la pyranine, (pour suivre l’activité de MexB) et un substrat de MexB qui est un agent intercalant de l’ARN. Ce substrat est faiblement fluorescent dans un environnement aqueux et fortement fluorescent lorsqu’il est intercalé dans l'ARN. MexB et MexA sont reconstitués dans ces liposomes. Dans le deuxième type de liposomes, je reconstitue OprM et j’encapsule de l’ARN. Ces deux types de liposomes sont alors mélangés. Lorsque la pompe s’assemble et qu’il y a un transport actif à travers cette dernière, deux phénomènes sont observés: la diminution de la fluorescence de la pyranine (car MexB fait entrer des protons dans le premier type de liposome pour transporter le substrat) et l’augmentation de la fluorescence du substrat car ce dernier s’intercale dans l’ARN se trouvant dans le deuxième type de liposome. En mélangeant les deux types de liposomes, j’obtiens une preuve de la reconstitution in vitro de la pompe entière et j’ai mis en évidence qu’OprM s’ouvre en présence de MexA et MexB et que sa présence augmente l’activité de MexB. / Among the various mechanisms developed by the bacteria to counter to the effect of antibiotics, active efflux is on the front line. In Pseudomonas aeruginosa, a Gram negative bacteria, efflux transporters are organized as multicomponent systems where MexB, the pump located in the inner membrane, works in conjunction with MexA, a periplasmic protein, and OprM, an outer membrane protein. MexB is a proton motive force-dependent pump with broad substrate specificity. During my PhD, I have designed an original activity assay for MexB and MexA. The pump is coreconstituted into proteoliposomes together with bacteriorhodopsin (BR), a light-activated proton pump. In this system, upon illumination with visible light, the photo-induced proton gradient created by the BR is shown to be coupled to the active transport of substrates through the pump. The activity of MexB is monitored indirectly. Since MexB uses the protomotive force to transport antibiotics, one can determine substrate transport though MexB by monitoring the pH inside the liposomes. For that purpose, pyranine, a fluorescent probe whose fluorescence yield increases with increasing pH, is encapsulated inside the liposomes. This test makes the investigation of the pump possible. In the absence of MexA, MexB has a basal activity which is not substrate-dependent. Once MexB is reconstituted together with MexA, its activity is specific and substrate-dependent. Then I worked on the reconstitution of the whole efflux pump. For this, I prepare two different kinds of liposomes: i) Liposomes with reconstituted MexA and MexB in which pyranine and a nucleic acid intercalating agent are encapsulated, ii) Liposomes with reconstituted OprM and encapsulated RNA. The activity of MexB is monitored thanks to the addition of EthB, a substrate of MexB, that is poorly fluorescent in aqueous medium and highly fluorescent when intercalated into RNA. Upon generation of a pH gradient, I observe two concomitant phenomena: the decrease of pyranine fluorescence, as MexB is using protons to transport the substrate, and the increase of the fluorescence of the RNA intercalating agent as a result of its interaction with RNA. I have successfully assembled the efflux pump and monitored transport through it from one liposome to the other. I have demonstrated that OprM needs to interact with MexA and MexB in order to open and that MexB activity is accelerated when the pump is assembled.

Toxoplasma gondii est un protiste apicomplexe responsable de la toxoplasmose. Ce parasite intracellulaire obligatoire possède des organites sécrétoires apicaux dont les rhoptries qui contiennent des facteurs de virulence essentiels à l'invasion et à la modulation de la cellule hôte qu'il infecte. Au cours de la division cellulaire de T. gondii, les protéines de rhoptries sont synthétisées selon la même cinétique. Dans le but d'identifier de nouvelles protéines dont la fonction est potentiellement liée aux rhoptries, nous avons recherché à partir des bases de données du génome de T. gondii, les protéines présentant ce profil particulier d'expression. La localisation subcellulaire de 12 candidats a été réalisée puis une caractérisation phénotypique de quatre d'entre eux a été entreprise. Nous avons identifié une nouvelle protéase de rhoptries, DegP, essentielle à la virulence du parasite in vivo. Nous montrons que DegP contrôle la phase aigüe de l'infection en modulant la réponse immune de l'hôte contribuant ainsi à la dissémination du parasite in vivo. Nous identifions également deux protéines homologues, Claw1 et Claw2, présentant une localisation atypique à l'extrémité apicale du parasite. Notre incapacité à déléter ces gènes pourrait indiquer un rôle essentiel de ces protéines au niveau du complexe apical de T. gondii. Enfin, bien que n'étant pas reliée aux rhoptries, ce crible a permis d'identifier la première protéine associée aux jonctions des vésicules constituant le complexe membranaire interne de Toxoplasma. La délétion de cette protéine, SIP, affecte la forme du parasite, entrainant un défaut de motilité, d'invasion et de virulence in vivo. / Toxoplasma gondii is an apicomplexan protist and the causative agent of toxoplasmosis. This obligate intracellular parasite harbors apical secretory organelles such as rhoptries that contain essential virulence factors responsible of the invasion and the modulation of the infected host cell. Along the cell cycle of T. gondii, rhoptry proteins share the same timing of expression. In order to identify new proteins involve in rhoptry content, biogenesis or secretion, we screened the genome database of T. gondii to isolate proteins that present this particular profile. We obtained the subcellular localization of 12 candidates and we investigated the biological functions for 4 of them. We showed that DegP, a rhoptry protease is essential for the in vivo virulence of T. gondii. DegP controls the acute phase during infection and modulate the host immune response leading to better parasite dissemination in vivo. Also, we identified Claw1 and its paralog Claw2 that present an atypical localization at the apical end of the parasite. To date, we were unable to disrupt the genes encoding these proteins suggesting that they may have an essential function related to the apical complex in T. gondii. Finally, we also examined a ‘hit' of this screening that was not related to rhoptries and we identified SIP, the first protein associated with the transversal junctions of the inner membrane complex in T. gondii. The disruption of SIP affects the shape of the parasite leading to an aberrant motility, defect in invasion and impaired parasite virulence in mice.

La microfiltration est un procédé baro-membranaire largement utilisé pour stabiliser et clarifier les jus de fruits ou pour concentrer leur fraction pulpeuse. Toutefois le colmatage membranaire limite la productivité économique du procédé. Même si de nombreuses études ont été menées pour comprendre et limiter le colmatage, aucun véritable outil n'est aujourd'hui disponible pour prévoir la filtrabilité d'un jus de fruits. Le développement de ce type d'outils prévisionnels est pourtant essentiel pour faciliter l'optimisation des conditions de filtration et pour une meilleure maitrise du colmatage membranaire. Dans ce contexte, l'étude a été axée sur l'identification de nouveaux critères de filtrabilité des jus de fruits au travers de la compréhension et de la caractérisation des mécanismes de colmatage qui interviennent.En choisissant le jus d'orange comme modèle, une approche statistique a permis, dans un premier temps, une sélection rapide et pertinente des caractéristiques physico-chimiques des jus de fruits directement corrélées à leur filtrabilité, à savoir la matière sèche totale, l'extrait sec soluble, le pH, la conductivité et la granulométrie. Ensuite, des stratégies expérimentales complémentaires basées sur des filtrations à l'échelle du laboratoire ont été proposées pour identifier les différentes fractions colmatantes en fonction de leur taille ainsi que les mécanismes de colmatage associés. Ces stratégies novatrices ont permis d'étudier le pouvoir colmatant du jus d'orange en prenant en compte toute sa complexité et de proposer par la suite des cartographies de composés colmatants. Ces cartographies s'avèrent particulièrement intéressantes pour anticiper le comportement colmatant des jus de fruits sans avoir recours à des filtrations longues et coûteuses à grande échelle. Les résultats ont montré que le phénomène le plus important qui régit le colmatage membranaire global au cours de la filtration du jus d'orange semble être le colmatage externe par dépôt. Les objectifs de la dernière partie du travail, ont été de considérer plus fortement le caractère complexe et hétérogène des jus de fruits, pouvant les conduire à des changements brutaux de comportement lors de leur filtration. Pour cela des mesures rhéologiques en mode dynamique couplées à une stratégie d'isolement spécifique des différentes fractions colmatantes du jus d'orange ont été menées pour déterminer le comportement viscoélastique de la fraction insoluble du jus d'orange au cours de sa concentration. Les observations ont montré que les énergies des interactions entre les particules insolubles sont des fonctions croissantes de la concentration de la fraction insoluble et dépendent de la taille des particules. De plus, la transition vers un comportement « solide » du jus d'orange semble être favorisée par la présence des fractions particulaire et supra-colloïdale. Ces observations sont cohérentes avec le mécanisme de colmatage prédominant dû à l'accumulation de ces fractions à la surface de la membrane. La confrontation de nouvelles études de filtrabilité à l'échelle du laboratoire avec la performance de la filtration à grande échelle permettra de généraliser les stratégies proposées pour prédire la performance de la filtration de nouveaux jus de fruits. / Microfiltration is a pressure driven process successfully used to clarify and stabilize fruit juices or to concentrate their pulpy fraction. However, membrane fouling remains the critical factor governing the overall economic productivity of this process. Even if, many studies have been made to understand and limit membrane fouling, to date, there stills a lack of predicting tools to evaluate the filterability of fruit juices. However, it is interesting to develop practical and efficient tools for the prediction of fruit juices filterability in order to adapt and optimize filtration conditions to the fouling behavior of the filtered juice. In this respect, this study focused on the identification of new criteria of fruit juices filterability through the comprehension and the characterization of the potential fouling mechanisms.First, orange juice was chosen as test matrix and a statistical approach was used to select simple and relevant physico-chemical characteristics of this juice in relation with its filterability, namely dry matter, TSS, pH, conductivity, and particles size. Later, additional experimental strategies based on filtration tests at lab-scale were developed to identify the relevant size-classes of foulant compounds and related fouling mechanisms. These innovative strategies allowed studying the fouling potential of orange juice with the consideration of its complexity and proposing cartographies of foulant compounds. These cartographies are particularly interesting to anticipate the fouling behavior of fruit juices without any costly filtration operation at large scale. Moreover, results showed that external fouling seems to be the predominant fouling mechanism governing the overall membrane fouling during orange juice filtration. Finally, the aim of the last part of the work was to highlight the role of the complex and heterogeneous nature of fruit juices in their unexpected behavior during their filtration. For this purpose, the viscoelastic behavior of orange juice suspended solids during their concentration was obtained from rheological measurements in dynamic mode coupled with specific isolation of orange juice foulant fractions. Results showed that the energy of the interactions between juice particles increased as the suspended solids concentration increased and depends on the particles size. Furthermore, the solid-like behavior of the juice was enhanced by the presence of supra-colloids and large particles. These observations are in accordance with the predominant fouling mechanism that is due to the accumulation of these fruit fractions on the membrane surface. The confrontation of new filterability studies at laboratory scale with the performance of large-scale filtration will enable to generalize the proposed strategies to predict the performance of filtration of new fruit juices.

Récemment, le système de sécrétion de type VI (SST6) a été identifié comme un nouvel acteur clé dans la compétition inter-bactérienne parmi le large arsenal dont dispose les bactéries. L’une des particularités du SST6 est de cibler à la fois des cellules eucaryotes et procaryotes. Le T6SS est un complexe protéique formé par l’assemblage de deux ‘sous-complexes’. Le premier sert à l’ancrage de la machinerie au sein de l’enveloppe bactérienne et le second agit comme une arbalète moléculaire. Le mécanisme d’action du SST6 est très similaire à celui d’autres machineries contractiles telles que celui des bactériophages : la contraction d’un fourreau propulse une flèche, composée d’un tube avec une aiguille à son extrémité, directement dans la cellule cible afin de délivrer les différentes toxines. Mon projet de thèse consiste à comprendre quelles sont la structure et la biogénèse des deux différents complexes et de comprendre comment ils sont assemblés. Nous utilisons comme modèle la bactérie pathogène à Gram négatif Escherichia coli entéroagrégative. J’ai pu démontrer que le complexe membranaire est assemblé en premier, avec l’adressage de la lipoprotéine de membrane externe TssJ, puis le recrutement séquentiel de TssM et TssL, deux protéines de membrane interne. Le complexe membranaire recrute ensuite une plateforme d’assemblage, appelée ‘baseplate’. Nous avons identifié et caractérisé les composants de cette ‘baseplate’ qui sert de plateforme d’assemblage pour le recrutement du reste de la machinerie (fourreau et flèche). Enfin, nous avons identifié et déterminé le rôle de la protéine TssA, une protéine qui coordonne la polymérisation du fourreau et de la flèche. / Among the broad weaponry of bacteria, the recently identified type VI secretion system (T6SS) emerges as one of the key player in bacterial competition. T6SS is a versatile machinery that targets both eukaryotic and prokaryotic cells. This molecular weapon assembles two evolutionarily different sub-assemblies. One complex anchors the machinery to the cell envelope while the second acts as a molecular crossbow. The mechanism of action of the T6SS is similar to other known contractile machineries such as bacteriophages: the contraction of a sheath propels an arrow, constituted of a tail tube capped by a cell-puncturing device, directly into the prey cell to deliver effector toxins. My Ph.D project was to provide mechanistic details on the structure and biogenesis of the two T6SS sub-complexes and to understand how they are connected, using entero-aggregative Escherichia coli as model bacterium. I have demonstrated that the membrane complex is assembled first and starts with the positioning of the outer membrane TssJ lipoprotein and proceeds inward, from the outer to the inner membrane, through the sequential recruitment of the TssM and TssL subunits. After assembly, the membrane complex recruits an assembly platform called the baseplate. We identified and characterized the components of this baseplate, which serves as assembly platform for the tail. We further demonstrated that the functional and physical interaction between the T6SS membrane complex and the baseplate is mediated by multiple contacts. Finally, we identified and deciphered the role of TssA, a protein that coordinates the polymerizations of the tail tube and sheath.

In vivo, la fusion membranaire ne doit pas avoir lieu spontanément. C’est pourquoi ce processus présente une barrière énergétique conséquente qui est surmontée grâce à l'action de multiples protéines. Même si la fusion biologique est très complexe, son résultat est la coalescence des deux bicouches lipidiques qui forment la matrice des membranes impliquées. L'énergie nécessaire à la perturbation de l'arrangement en bicouche lors de leur fusion doit donc être semblable à celle intervenant dans la fusion biologique. Dans le but d'estimer l’énergie d’activation de la fusion biologique, nous avons établi un protocole expérimental permettant de déterminer l’énergie d’activation et le facteur d’Arrhenius de la réaction, grâce à la loi d’Arrhenius. Les surfaces relatives occupées par la tête polaire et les queues hydrophobes d’un lipide lui confèrent une courbure préférentielle, dite courbure spontanée. En étudiant des membranes présentant des compositions lipidiques diverses, j’ai montré qu’une inadéquation entre la courbure de la membrane et la courbure spontanée du lipide affectait à la fois le facteur d’Arrhenius et l’énergie d’activation. Une courbure plus négative génère plus de défauts à la surface de la membrane « plate », ce qui augmente la fréquence de la nucléation de la fusion et accroît le facteur d’Arrhenius. Au cours du processus de fusion, la géométrie des membranes est modifiée et celle-ci présente de régions de fortes courbures. Une inadéquation entre la courbure spontanée du lipide et celle qu’il devrait adopter pour que la fusion soit accomplie peut inhiber la fusion et donc faire augmenter l’énergie d’activation. / In vivo, membrane fusion must not occur spontaneously. Thus, membrane fusion requires a large activation energy that is overcome through the action of multiple proteins. Even though biological fusion is very complex, it results in the coalescence of both lipid bilayers that constitute the cores of the involved membranes. Therefore, the activation energy that is necessary to disrupt the leaflet arrangement during lipid bilayer fusion should be similar to that of in vivo membrane fusion. In order to approach biological membrane fusion’s activation energy, we developed an experimental protocol which allows determining the activation energy and the Arrhenius factor of the reaction, thanks to Arrhenius’ law. The relative areas occupied by the polar head and hydrophobic tails of a lipid confers to it a preferential curvature, called spontaneous curvature. Investigating membranes with several lipid compositions, I found that a mismatch between the membrane curvature and the spontaneous curvature of the lipid affects both the Arrhenius factor and the activation energy. A more negative curvature generates more hydrophobic defects in the “flat” membrane which leads to an increase in the frequency of fusion nucleation, i.e. a larger Arrhenius factor. During the fusion process, membrane shapes are modified and adopt large positive and negative curvatures, each leaflet having opposite curvatures. A mismatch between the spontaneous curvature of the lipid and the one it should adopt in order for fusion to proceed can inhibit the process of fusion, i.e increase its activation energy.

La communication intercellulaire est essentielle pour le développement et la survie d'organismes multicellulaires. Dans le règne végétale, une des voies privilégiée pour la communication intercellulaire est la voie symplastique qui implique des canaux aux dimensions nanométriques connectant les cellules entre elles, leur permettant d'échanger directement photo-assimilats, miARN, protéines, oligoéléments etc. Observés pour la première fois en 1880 par le botaniste autrichien Eduard Tangl (Tangl 1880; Kohler & Carr 2006), ils ont longtemps été considérés comme de simples trous perméables permettant la diffusion de matériel cellulaire (Lee & Lu 2011; Oparka & Roberts 2001). Etant donné leurs taille nanoscopique, ce n'est que dans les années 1960, avec la démocratisation de la Microscopie Électronique en Transmission (MET) qui permet d'atteindre , que les premiers modèles ultrastructuraux sont établis (Lopez-Saez 1965; Robards 1970). Ils font état d'un canal d'environ 30 à 40 nm de diamètre avec un élément central cylindrique traversant le pore, appelé le desmotubule, connecté au Réticulum Endoplasmique des deux cellules (Figure 1 of our review Tilsner et al. 2016). Dans les années 1980 notre compréhension des plasmodesmes a quelque peu évolué et nous savons maintenant que ces structures ne sont pas de simples trous mais des structures membranaires très spécialisées et régulées (Lucas & Lee 2004; Faulkner & Maule 2011; Furuta et al. 2012). Le modèle ultrastructural actuel découle de la congrégation d'études ultrastructurale, physiologiques et pharmacologiques plus ou moins anciennes dépeignant une structure morphologiquement très souple et changeant de conformation au cours du développement. Les plasmodesmes peuvent réguler leur ouverture/fermeture par la constriction de leurs extrémités grâce à l'accumulation entre la membrane plasmique et la paroi végétale d'un polymère de sucre, la callose qui va pousser la membrane plasmique contre le desmotubule et en obstruer les entrées. Cette modulation permettrait majoritairement de réguler les flux intercellulaires qui impliquent les plasmodesmes. Cependant nos connaissances sur les remaniements membranaires prenant place durant le développement des plasmodesmes et sur la régulation de leur perméabilité sont encore imparfaites.La microscopie électronique en transmission, malgré l'ancienneté de la technique, est l'une des plus résolutive, largement utilisée en biologie. Avec l'amélioration des techniques de préservation d'échantillons, notamment les cryo- méthodes, elle permet d'atteindre à l'heure actuelle des résolutions inférieures à 5 nm en condition contrastée et inclus en résine et peut descendre en dessous du nanomètre pour la cryo-microscopie. Ce potentiel permet aisément l'étude des sous-compartiments cellulaires de l'ordre du µm tel que mitochondries, chloroplastes, noyaux etc. (Frey et al. 2002) mais permet également l'étude ultrastructurale précise de structures de l'ordre de la dizaine de nm (Beck et al. 2007; Al-Amoudi et al. 2007).En revanche, dans son utilisation classique, la microscopie électronique ne permet pas d'accéder à la troisième dimension de l'espace, rendant difficile l'interprétation de structure à l'architecture quelque peu compliquée. En effet, les images produites ne sont que des projections en deux dimensions d'objets en trois dimensions. Cela a mené au développement de la tomographie électronique en transmission (Crowther et al. 1970), méthode basée sur un concept mathématiques formulé par Johann Radon au XIXe siècle. Ce n'est que dans les années 2000 que la tomographie électronique a pris un essor significatif grâce au couplage avec des méthodes d'automatisation informatiques. / Plasmodesmata were first observed by Austrian botanist Eduard Tangl in 1880. He devoted himself to studying the anatomy and cytology of plants and his greatest discovery, of course, was the observation and first characterization of plasmodesmata (Tangl 1880, 1884 and 1885). Despite not having access to their ultrastructure, he observed thin striations (see front page engraving) between cotyledon cells of Strychnos nuxvomica and in the endosperm of seeds and described them as being conductive ducts. Already at the time, he was evoking the idea that these strands "unite them [the cells] to an entity of higher order", in other words formulating the first definition of a symplastic domain. lt is only in 1901 that Strasburger finally names these canals "plasmodesmata". His discovery led to a radical change in our conception of the plant entity and brought in new concepts such as the symplasm (Munch 1930) and transmembrane fluxes between cells, which are now being tackled with great interest by numerous research teams around the globe.Because of their size, plasmodesmata ultrastructure was not accessible until the advent of electron microscopy and they were long thought to be simple holes connecting plant cells one-another with no specific regulation. lt is only with the advent of electron microscopy and chemical fixation that botanists started to gain interest in this structure again. And even with these methods allowing the observation of structures down to several nanometers in size, there are still debates on the nature of the canal, its constituents and physiology (Lopez-Saez J. 1965, Robards A. 1970, Ding et al. 1992, Tilney et al. 1991, Overall and Gunning 1982, Schulz et al. 1995).Nowadays, with the advent of modern cryopreservation and three-dimensional electron tomography methods, great improvements are to be done in the understanding of the ultrastructure and physiology of these mysterious canals. More particularly by understanding the link between the membranous rearrangements taking place in these pores and the molecular transit regulation.My work has led us to view plasmodesmata as specialised Membrane Contact Sites (MCS). Hence, by analogy with MCS found in mammals, yeast and plants, this work embraces an original angle on the speculation of the composition and role of the desmotubule-plasma-membrane tethering complex. The work produced during my thesis allowed me to contribute to the publication of one review and two articles, which will constitute the introduction and two main sub-sections of the results chapter, respectively. The introductory review has been published in 2016 in Annual Review of Plant Biology. The first one is still under reviewing at Nature Plant and the other has been published in The Plant Cell journal in April 2015.