La Beta-2-microglobuline est une protéine de 12kDa, impliquée dans une maladie dûe à un mauvais repliement: l'amylose liée à la dialyse. Elle constitue donc un modèle pour la formation de fibrilles amyloides et pour le repliement des protéines. La B2M est un objet à la fois difficile et fructueux à étudier. La production de B2M est complexe et demande une optimisation important pour obtenir une protéine correctement repliée et atteindre des rendements approprié pour des études de RMN et SAXS. Le repliement de la B2M est sensible au solvent, à la température, à la concentration et souvent aux conditions de préparation. Pourtant notre étude, à l'aide de plusieurs méthodes biophysiques, a pu révéler plusieurs faits essentiels de son mécanisme de repliement et de la structure et propriétés des intermédiaires. Un premier résultat est que le repliement et l'oligomérisation sont deux processus concourants. Une découverte majeure est l'existence d'un équilibre monomère oligomère entre deux états I1 et I2 intermédiaires du repliement. Détecté indirectement à l'aide de RMN temps réel comme SOFAST, I2 a été directement charactérisé en SAXS: Il s'agit probablement d'un dimère. Les états intermédiaires de repliement de B2M avaient été pointés comme favorisant la formation de fibrilles: cela s'explique facilement avec l'existence d'un intermédiaire dimérique. Une combinaison de méthodes biophysiques permet la caractérisation de cet équilibre monomère-oligomère. En SAXS, puis confirmé en RMN, la stoichiométrie de l'équilibre est celle d'un monomère-dimère. Des travaux complémentaires utilisant les techniques développées pour cette étude pourront servir à caractériser plus finement cet équilibre. L'étude approfondie du repliement de B2M pousse les techniques biophysiques dans leurs retranchements: la sensibilité et le temps d'acquisition pour la RMN, la polydispersité pour le SAXS. Pourtant dans les deux cas un grand oligomère I3, qui disparait en quelques minutes, a pu être détecté, ce qui fut confirmé par UV-Fluo. La caractérisation d'I3 demandera des dévelopements méthodologiques supplémentaires, ainsi qu'un nouveau plan d'expérience. D'autres méthodes comme la spectrométrie de masse nano-ESI pourraient représenter des sources d'information utiles. S'attaquer aux limites des méthodes biophysiques pousse au développement méthodologique. Ainsi pour étudier la structure et dynamique d'I1, la méthode d'acquisition continue des données a permis l'attribution des résonnances de cette espèce qui a une demi vie de quelques dizaines de minutes. Un échange conformationnel a été découvert pour l'état I1 du mutant W60G, en développant une méthode de relaxation RMN: R2-BEST-TROSY. Les méthodes développées pour cette étude pourront servir des études sur le repliement d'autres protéines, mais aussi dans d'autres contextes où la demi-vie des objets étudiés est courte, comme dans les expérience RMN intracellulaires. Cette étude est évidemment éloignée d'une application directe dans le combat contre les maladies du mauvais repliement des protéines. Pour autant, la découverte d'états intermédiaires oligomériques souligne que l'oligomérisation et le repliement ne devraient pas être étudiés séparément, mais sont des processus liés. Les développements méthodologiques de cette étude pourront aussi être appliqués à d'autres protéines comme à d'autres contexte. Il est donc permis d'espérer que ces questionnements et développements permettront d'avancer vers une meilleure compréhension de ces maladies.

La Beta-2-microglobuline est une protéine de 12kDa, impliquée dans une maladie dûe à un mauvais repliement: l'amylose liée à la dialyse. Elle constitue donc un modèle pour la formation de fibrilles amyloides et pour le repliement des protéines. La B2M est un objet à la fois difficile et fructueux à étudier. La production de B2M est complexe et demande une optimisation important pour obtenir une protéine correctement repliée et atteindre des rendements approprié pour des études de RMN et SAXS. Le repliement de la B2M est sensible au solvent, à la température, à la concentration et souvent aux conditions de préparation. Pourtant notre étude, à l'aide de plusieurs méthodes biophysiques, a pu révéler plusieurs faits essentiels de son mécanisme de repliement et de la structure et propriétés des intermédiaires. Un premier résultat est que le repliement et l'oligomérisation sont deux processus concourants. Une découverte majeure est l'existence d'un équilibre monomère oligomère entre deux états I1 et I2 intermédiaires du repliement. Détecté indirectement à l'aide de RMN temps réel comme SOFAST, I2 a été directement charactérisé en SAXS: Il s'agit probablement d'un dimère. Les états intermédiaires de repliement de B2M avaient été pointés comme favorisant la formation de fibrilles: cela s'explique facilement avec l'existence d'un intermédiaire dimérique. Une combinaison de méthodes biophysiques permet la caractérisation de cet équilibre monomère-oligomère. En SAXS, puis confirmé en RMN, la stoichiométrie de l'équilibre est celle d'un monomère-dimère. Des travaux complémentaires utilisant les techniques développées pour cette étude pourront servir à caractériser plus finement cet équilibre. L'étude approfondie du repliement de B2M pousse les techniques biophysiques dans leurs retranchements: la sensibilité et le temps d'acquisition pour la RMN, la polydispersité pour le SAXS. Pourtant dans les deux cas un grand oligomère I3, qui disparait en quelques minutes, a pu être détecté, ce qui fut confirmé par UV-Fluo. La caractérisation d'I3 demandera des dévelopements méthodologiques supplémentaires, ainsi qu'un nouveau plan d'expérience. D'autres méthodes comme la spectrométrie de masse nano-ESI pourraient représenter des sources d'information utiles. S'attaquer aux limites des méthodes biophysiques pousse au développement méthodologique. Ainsi pour étudier la structure et dynamique d'I1, la méthode d'acquisition continue des données a permis l'attribution des résonnances de cette espèce qui a une demi vie de quelques dizaines de minutes. Un échange conformationnel a été découvert pour l'état I1 du mutant W60G, en développant une méthode de relaxation RMN: R2-BEST-TROSY. Les méthodes développées pour cette étude pourront servir des études sur le repliement d'autres protéines, mais aussi dans d'autres contextes où la demi-vie des objets étudiés est courte, comme dans les expérience RMN intracellulaires. Cette étude est évidemment éloignée d'une application directe dans le combat contre les maladies du mauvais repliement des protéines. Pour autant, la découverte d'états intermédiaires oligomériques souligne que l'oligomérisation et le repliement ne devraient pas être étudiés séparément, mais sont des processus liés. Les développements méthodologiques de cette étude pourront aussi être appliqués à d'autres protéines comme à d'autres contexte. Il est donc permis d'espérer que ces questionnements et développements permettront d'avancer vers une meilleure compréhension de ces maladies. / Beta-2-microglobulin is a 12kDa protein, involved in a misfolding disease: dialysis related amyloidosis. It is therefore a model for amyloid fibril formation and protein folding studies. B2M is both a fruitful and difficult object of study. B2M production is complex, requiring optimization to obtain a well folded protein and reach yields suitable to NMR and SAXS studies. B2M folding is highly sensitive on buffer, temperature, concentration and often preparation conditions. Yet our studies, using several biophysical methods, revealed several essential facts of the folding mechanism and of the structure and dynamics of folding intermediates. A first outcome of our studies is that folding and oligomerization are co-existing processes. A major finding is the existence of a monomer-oligomer equilibrium between I1 and I2 folding intermediate states. Indirectly detected using real time NMR methods like SOFAST, I2 was directly detected and characterized using SAXS: I2 is likely to be a dimer. Folding intermediate states of B2M had been shown to favor fibril formation: this is easily explained by the existence of a dimeric folding intermediate state with an important population. A combination of biophysical methods allows the characterization of this monomer-oligomer equilibrium. Using SAXS, and later confirmed by NMR relaxation experiments, stoichiometry is shown to be a monomer-dimer equilibrium. Further work based on the methodology applied to the folding of the W60G-B2M mutant, including a further optimization of the sensitivity of the experiment, will give a sharper picture of the I1-I2 equilibrium for the WT protein, and may provide information on the timescale of the equilibrium. The thorough study of the folding of B2M pushes biophysical methods to their limits: sensitivity and acquisition time for NMR, polydispersity for SAXS. Yet in both cases a large oligomer (I3) that disappears within minutes was detected, and confirmed using UV-fluo. Characterization of I3 will demand further methodological developments, a new experimentation plan including a full dilution scale, or double jump experiments, for example. A question that arises is the comparison of this large oligomer and oligomeric intermediate states that are populated during the formation of fibrils. Other biophysical methods, such as ESI mass spectroscopy, may be an interesting input. Tackling the limits of biophysical methods leads to methodological developments. For example, to study the structure and dynamics of I1, the continuous data acquisition method allowed the assignment of this species that has a half-lifetime of tens of minutes. A conformational exchange was discovered for the I1 state of the W60G-B2M mutant, through the development of a spin relaxation measurement experiment: R2-BEST-TROSY. The methods developed for this study may be later used to study the folding and folding intermediate states of other proteins, such as alpha-lactalbumin , or in other contexts in which the short lifetime of the protein is an issue, as for in-cell NMR experiments. Our studies are of course far from an application or a concrete result in the fight against misfolding diseases such as dialysis related amyloidosis or Parkinson's. But the discovery of oligomeric folding intermediate states underlines that oligomerization (including fibril formation) and folding should not be studied separately, and are processes that are closely related. Methodological developments included in our work can be applied to other proteins as well as other contexts. Hopefully these questionings and developments will constitute a step forward a better understanding of this diseases.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à l’état solide avec rotation à l’angle magique (MAS) est une technique de choix pour l’étude de la structure et de la dynamique de molécules biologiques peu ou non solubles. Un grand nombre d’approches ont été développées pour la reconstitution de structures tridimensionelles à partir de mesures précises de proximités internucléaires, ainsi que pour la détection de mouvements moléculaires avec une résolution atomique sur des échelles de temps couvrant plusieurs ordres de grandeur. Malgré d’impressionnants progrès, les études par RMN MAS sont cependant loin d’être réalisées en routine. Les déterminations structurelles et de dynamique sont souvent démontrées sur des préparations microcristallines modèles, mais sont encore rares pour des systèmes plus complexes tels que les fibrilles amyloïdes non cristallines ou les protéines trans-membranaires insérées dans des bi- couches lipidiques. Mon travail a pour objectif d’étendre les possibilités de la RMN MAS pour l’étude de systèmes biomoléculaires complexes dans différents états d’agrégation. Pour cela, j’ai exploité les possibilités uniques offertes par les hauts champs magnétiques (fréquence de Larmor du 1H 700, 800 et 1000 MHz) combinés avec les sondes MAS de dernières générations capables d’atteindre des vitesses de rotations supérieures à 60 kHz. Ces conditions expérimentales per- mettent d’augmenter la sensibilité de la RMN MAS à l’aide de la détection 1H à haute résolution et d’enrichir la palette de paramètres RMN rapporteurs de la dynamique des protéines. La première partie de cette thèse décrit le développement de nouvelles stratégies pour l’attribution des résonances du squelette de protéines, pour l’élucidation de structures, et pour l’étude de la dynamique du squelette peptidique et des chaînes latérales. Les méthodes présentées réduisent significative- ment les besoins en termes de temps expérimental, de quantités d’échantillon et de marquage isotopique, et permettent d’analyser par RMN des systèmes de plus hauts poids moléculaire. La seconde partie décrit l’application de la RMN MAS avec détection en 1H pour l’évaluation du rôle de la dynamique des protéines dans des processus tels que la formation de fibrilles amyloïdes et le fonctionnement de protéines membranaires. Une première application est l’étude de la tendance de la β-2 microglobuline humaine à former des fibrilles amyloïdes. Une comparaison de la dynamique du squelette peptidique de la protéine sauvage et du mutant D76N dans leur forme cristalline, ainsi que la détermination de propriétés structurales de la forme fibrillaire m’ont permis d’identifier la présence de repliements pathologiques et de formuler des hypothèses sur le mécanisme de formation des fibrilles. Finalement, la dynamique locale et globale de protéines membranaires dans des bicouches lipidiques a été étudiée. En particulier, le mécanisme d’action d’un transporteur d’alkanes, AlkL, de P. putida a été examiné dans un environnement lipidique. La détermination de paramètres pour la dynamique rapide (ps-ns) et lente (μs-ms) du squelette peptidique de la protéine en présence ou en absence de substrat met en évidence des acheminements possibles pour le transfert de molécules vers la membrane et jette les bases pour une meilleure compréhension du processus. / Solid-state NMR with magic angle spinning (MAS) has emerged as a powerful technique for investigating structure and dynamics of insoluble or poorly soluble biomolecules. A number of approaches has been designed for reconstructing molecular structures from the accurate measurement of internuclear proximities, and for probing motions at atomic resolution over timescales spanning several orders of magnitude. Despite this impressive progress, however, MAS NMR studies are still far from routine. Complete determinations, which are often demonstrated on model microcrystalline preparations, are still rare when it comes to more complex systems such as non-crystalline amyloid fibrils or transmembrane proteins in lipid bilayers. My work aimed at extending the possibilities of MAS NMR for applications on complex biomolecular systems in different aggregation states. For this, I exploited the unique possibilities provided by high magnetic fields (700, 800 and 1000 MHz 1H Larmor frequency) in combination with the newest MAS probes capable of spinning rates exceeding 60 kHz. These experimental conditions al- low to boost the sensitivity of MAS NMR through 1H detection at high resolution and to enrich the palette of probes for protein dynamics. The first part of the thesis reports on my contribution to the development of new strategies for backbone resonance assignment, for structure elucidation, and for investigation of backbone and side-chain dynamics. These methodologies significantly reduce the requirements in terms of experimental time, sample quantities and isotopic labeling, and enlarge the molecular size of systems amenable to NMR analysis. The second part describes the application of 1H detected MAS NMR to evaluate the role of protein dynamics in problems such as amyloid fibril formation and membrane protein function. I first addressed the amyloid fibril formation propensity of human beta-2 microglobulin, the light chain of the major histocompatibility complex I. I performed comparative studies of backbone dynamics of the wild type protein as well as a D76N mutant in crystals, and determined some of the structural features of the fibrillar form. This allowed to identify the presence of pathological folding intermediates and to formulate hypotheses on the mechanism of fibrils formation. Finally, I studied the local and global dynamics of membrane proteins in lipid bilayers. In particular, I investigated the mechanism of action of the alkane trans- porter AlkL from P. putida in lipid bilayers. The measurement of parameters for fast (ps-ns) and slow (μs-ms) backbone dynamics of the protein in presence or in absence of a substrate highlights possible routes for molecular uptake and lays the basis for a more detailed mechanistic understanding of the process.