abstract: The green fluorescent protein (GFP)-like fluorescent proteins play an important role for the color of reef-building corals. Different colors of extant coral fluorescent proteins (FPs) have evolved from a green ancestral protein. Interestingly, green-to-red photoconversion FPs (Kaede-type Red FPs) are only found in clade D from Scleractinia (Faviina suborder). Therefore, I focus on the evolution of Kaede-type FPs from Faviina suborder ancestral FP. A total of 13 mutations have been identified previously that recapitulate the evolution of Kaede-type red FPs from the ancestral green FP. To examine the effect of each mutation, total ten reconstructed FPs were analyzed and six x-ray crystal structures were solved. These substitutions created a more hydrophilic environment around the carbonyl group of Phe61. Also, they increased the flexibility of the c-terminal chain, which keeps it from interacting with the entrance of the putative solvent channel. The photoconversion reaction shows a twophase kinetics. After the rapid initial phase, the overall reaction followed the firstorder kinetics. Based on the crystal structure analysis, I propose a new mechanism for Kaede-type FP photoconversion process, which a proton transfers via Gln38 to the carbonyl group of Phe61. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Chemistry 2012

Depuis la découverte de la protéine fluorescente verte (GFP) en 1962, de nombreux développements ont permis d'améliorer l'utilisation de cette protéine naturellement luminescente en tant que puissant outil permettant de suivre des protéines ou des organelles d'intérêt dans les cellules ou organismes vivants. Au début du 21ème siècle, la découverte des protéines fluorescentes photoactivables (PAFPs), notamment chez les anthozoaires, a initié une révolution dans le domaine de la technologie des FP. Certaines PAFPs sont capables d'être irréversiblement photoconverties d'une forme fluorescente verte à une forme fluorescente rouge alors que d'autres peuvent être réversiblement commutées entre des formes allumées ou éteintes, selon des longueurs d'onde d'excitation spécifiques.Ces protéines sont intensivement employées pour les techniques de microscopie optique, particulièrement en “nanoscopie”, qui permet d'atteindre une résolution optique 10 fois meilleure que la limite théorique d'Abbe. Afin de développer plus en avant ces techniques, notamment en terme de résolution temporelle, la nécessité d'obtenir des sondes fluorescentes plus lumineuses pouvant se photoconvertir ou se photocommuter efficacement est cruciale. Dans un même temps, les marqueurs fluorescents doivent généralement être monomériques et photostables. Afin de mieux comprendre les mécanismes des phototransformations des PAFPs, trois membres de la famille ont été étudiés : EosFP, Dendra2 et IrisFP. Le phénomène de photoconversion du vert au rouge, de photocommutation réversible et de photoblanchiment irréversible ont été étudiés grâce à une combinaison de cristallographie des rayons X et de microspectrophotométrie, en utilisant le laboratoire Cryobench de l'ESRF/IBS. Pris ensemble, les résultats nous ont permis de proposer un mécanisme de photoconversion pour EosFP et Dendra2 et de découvrir et caractériser IrisFP, première PAFP combinant à la fois les propriétés de photoconversion et de photocommutation. Les modifications structurales du chromophore associées à la formation d'un état radicalaire induit par les rayons X, probablement impliqué dans la voie de photoblanchiment des PAFPs, ont aussi été caracterisées.

Während der Gewebeentwicklung beeinflusst die Anpassung der mechanischen Spannung bei Zell-zu-Zell-Kontakten das Gewebewachstum, die Musterbildung und die Morphogenese. Die Erzeugung und Kontrolle der mechanischen Spannung hängt von Komponenten des Zytoske- letts wie dem Aktomyosin und den Mikrotubuli-Netzwerken ab. Die Bildung von Komparti- mentgrenzen ist ein wichtiger Entwicklungsprozess, der auf der Anpassung mechanischer Spannungen beruht. Kompartimentgrenzen sind Abstammungsbeschränkungen, die Zellen mit unterschiedlichen Funktionen und Identitäten innerhalb von Geweben trennen. Zellverbindun- gen entlang der Kompartimentgrenzen sind häufig durch eine Anreicherung von filamentösen (F-) Aktin sowie nicht-muskulären Myosin II (Myosin II) Motorprotein und erhöhter mechani- scher Spannung gekennzeichnet. Die Mechanismen, durch die F-Aktin und Myosin II an die- sen Verbindungsstellen angereichert werden, sind jedoch kaum verstanden. Hier zeigen wir, dass an der sich bildenden anteroposterioren Kompartimentgrenze der Puppenepidermis von Drosophila melanogaster F-Aktin und Myosin II vorübergehend angereichert werden. Die An- reicherung von F-Aktin scheint nicht von mechanischer Spannung abzuhängen. Die Fluores- zenzerholung nach Photobleichversuchen (Fluorescence recovery after photobleaching, FRAP) weist eher darauf hin, dass Myosin II vorzugsweise an Zellübergängen entlang der Komparti- mentgrenze stabilisiert wird. Darüber hinaus zeigen wir unter Verwendung einer photokonver- tierbaren Form von Myosin II, dass Myosin II vorzugsweise aus einem zytosolischen Pool an Zellverbindungen entlang der Kompartimentgrenze rekrutiert wird. Um die Rolle des Mikro- tubuli-Netzwerks bei der Bildung von Kompartimentgrenzen zu testen, haben wir außerdem dessen Organisation in der Puppenepidermis charakterisiert. Wir zeigen, dass sich Mikrotubuli und das Mikrotubuli-Minus-Ende-bindende Protein Patronin in einem Streifen anteriorer Zellen entlang der Kompartimentgrenze ansammeln. Interessanterweise haben die Zellen in diesem Streifen, im Vergleich zu anderen Zellen in der Epidermis, eine unterschiedliche Form. Zusammengefasst enthüllen unsere Daten Unterschiede in der Organisation der Mikrotubuli, die mit Kompartimentgrenzen verbunden sind, und zeigen, dass die Anreicherung von Myosin II entlang der Kompartimentgrenze der Puppen-Abdominalepidermis sowohl eine bevorzugte Stabilisierung als auch eine Rekrutierung beinhaltet.

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La révolution en cours des outils optogénétiques - des protéines photosensibles génétiquement induites qui peuvent activer, inhiber et enregistrer l'activité neuronale - a permis d'ouvrir une nouvelle voie pour relier l'activité neuronale et la cognition. Néanmoins, pour profiter au mieux de ces outils nous avons besoin de méthodes optiques qui peuvent projeter des schémas d'illumination complexes dans le cerveau. Pendant mon doctorat, j'ai travaillé sur deux nouveaux systèmes complémentaires pour la stimulation de l'activité neuronale. Le premier système combine des déflecteurs acousto-optiques et une illumination Gaussienne à faible ouverture numérique pour produire une photo activation rapide des outils optogénétiques. La capacité d'accès aléatoire du système permet de délivrer des séquences d'illumination spatialement et temporellement complexes qui simulent avec succès les schémas physiologiques de l'activité des fibres moussues dans des tranches de cerveaux. Ces résultats démontrent que les schémas de stimulation optogénétique peuvent être utilisés pour recréer l'activité en cours et étudier les microcircuits du cerveau dans un environnement physiologique. Alternativement, l'holographie générée par ordinateur (HGO) permet d'améliorer grandement les stimulations optogénétiques en répartissant efficacement la lumière sur plusieurs cibles cellulaires simultanément. Néanmoins, le confinement axial se dégrade pour des schémas d'illuminations larges. Afin de d'améliorer ce point, l’HGO peut être combinée avec une technique de focalisation temporelle qui confine axialement la fluorescence sans dépendre de l'allongement latéral. Les précédentes configurations maintiennent l'excitation non linéaire à un unique plan focal spatiotemporel. Dans cette thèse, je décris deux méthodes différentes qui permettent de dépasser ces limitations et de permettre la génération de schémas focalisés tridimensionnellement, à la fois spatialement et temporellement. / The ongoing revolution of optogenetic tools – genetically encoded light-sensitive proteins that can activate, silence and monitor neural activity – has opened a new pathway to bridge the gap between neuronal activity and cognition. However, to take full advantage of these tools we need optical methods that can deliver complex light patterns in the brain. During my doctorate, I worked on two novel and complementary optical systems for complex spatiotemporally neural activity stimulation. The first system combined acousto-optic deflectors and low numerical aperture Gaussian beam illumination for fast photoactivation of optogenetic tools. The random-access capabilities of the system allowed to deliver complex spatiotemporal illumination sequences that successfully emulated physiological patterns of cerebellar mossy fiber activity in acute slices. These results demonstrate that patterned optogenetic stimulation can be used to recreate ongoing activity and study brain microcircuits in a physiological activity context. Alternatively, Computer Generated Holography (CGH) can powerfully enhance optogenetic stimulation by efficiently shaping light onto multiple cellular targets simultaneously. Nonetheless, the axial confinement degrades for laterally extended illumination patterns. To address this issue, CGH can be combined with temporal focusing that axially confines fluorescence regardless of lateral extent. However, previous configurations restricted nonlinear excitation to a single spatiotemporal focal plane. In this thesis, I describe two alternative methods to overcome this limitation and enable three-dimensional spatiotemporal focused pattern generation.