Le médulloblastome (MB) représente la tumeur maligne la plus fréquente du système nerveux chez l'enfant. Dans le laboratoire nous nous intéressons au sous-groupe avec une activation de la voie Sonic Hedgehog (SHH). Dans ce sous-groupe, l’induction de la dégradation du facteur de transcription Atoh1 par le protéasome empêche la prolifération des cellules de médulloblastome in vivo, ce qui fait d’Atoh1 une cible thérapeutique potentielle dans le cadre du MB SHH. Dans ce contexte, en utilisant une approche de purification d’Atoh1 suivie d’analyse des complexes protéiques par MudPit (Multidimensional Protein identification technology), nous avons découvert un nouveau partenaire d’Atoh1, une enzyme faisant partie du système ubiquitine-protéasome (UPS). Il s’agit d’une déubiquitinylase capable de cliver les chaines d’ubiquitine attachées sur ses substrats et ainsi d’inhiber la dégradation induite via le protéasome. Au cours de ma thèse j’ai tout d’abord confirmé l’interaction physique et fonctionnelle entre Atoh1 et l’enzyme identifié par MudPit. De plus, dans le but d’approfondir le rôle de cet enzyme dans la maintenance tumorale, nous avons validé que son inactivation in vivo permet (i) d’induire la dégradation d’Atoh1 et (ii) de bloquer la croissance des tumeurs. Parallèlement, nos résultats montrent que son inhibition pharmacologique déclenche la dégradation d’Atoh1, suivie d’un arrêt de la prolifération des cellules cancéreuses in vitro, et la regression tumorale in vivo.En conclusion, l’ensemble de ce travail a permis d’identifier un nouveau mécanisme moléculaire qui pourrait permettre de manipuler l’expression d’Atoh1 dans un but thérapeutique dans le cadre du MB SHH. / Medulloblastoma (MB) is the most common malignant tumor of the nervous system in children. Among the four molecular subgroups of MB, we focus on the one characterized by the activation of the Sonic Hedgehog pathway (SHH). In this subgroup, the degradation of the transcription factor Atoh1 through the proteasome prevents proliferation of medulloblastoma cells in vivo, which makes Atoh1 a potential therapeutic target in the SHH MB subgroup. In this context, using an Atoh1 purification approach followed by Mudpit (Multidimensional Protein Identification Technology) analysis, we discovered a new Atoh1 partner belonging to the ubiquitin-proteasome system (UPS). This protein is a deubiquitinating enzyme (DUB) that cleaves the polyubiquitin chains from its substrates and thus inhibits their degradation via the proteasome.During my PhD, I first confirmed the physical and functional interaction between Atoh1 and the DUB enzyme. In addition, in order to investigate its role in SHH MB, we validated that its knockdown induces Atoh1 degradation and tumor growth arrest in vivo. In parallel, our results show that its pharmacological inhibition triggers Atoh1 degradation in vitro, followed by an inhibition of MB proliferation, and regulates negatively tumor progression in vivo.Altogether, this present work allowed the identification of a new molecular mechanism that defines the transcription factor Atoh1 as new therapeutic strategy to treat SHH MB patients.

La réponse et l’adaptation des plantes à un stress métallique mettent en jeu de nombreux mécanismes afin de limiter les effets néfastes des éléments toxiques. Bien que certains de ces mécanismes soient bien caractérisés, de nombreux acteurs cellulaires et moléculaires restent à identifier pour mieux comprendre la diversité des stratégies mises en œuvre dans ces processus complexes et vitaux pour les plantes.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au rôle de deux modifications post-traductionnelles, la phosphorylation et la méthylation des protéines non-histone dans la réponse à un stress induit par deux éléments non essentiels et toxiques, le cadmium (Cd) et l’uranium (U). Nous avons analysé la dynamique de ces modifications chez trois espèces du genre Arabidopsis : A. thaliana et A. lyrata, deux espèces sensibles au Cd, et A. halleri, espèce naturellement capable de tolérer et d’hyper-accumuler ce métal toxique dans ses feuilles. En utilisant une combinaison d’analyses par Western blot et par spectrométrie de masse nous avons montré que les patterns de méthylation des protéines changent au cours de stress métalliques. Puis, nous avons analysé l’expression des gènes codant les enzymes impliquées dans les réactions de phosphorylation et méthylation des protéines dans différentes conditions de stress. Ces analyses ont montré qu’un grand nombre de protéines kinases sont régulés au niveau transcriptionnel par un stress métallique tandis que seules quelques une en ce qui concerne la méthylation. Pour finir, nous avons mis en place un criblage génétique de mutants d’A. thaliana et identifié deux gènes codant des protéines lysine méthyltransférases impliqués dans la tolérance au Cd.Dans un deuxième temps, nous avons étudié les mécanismes cellulaires de la réponse du système racinaire d’A. thaliana lors d’une exposition à l’U. L’utilisation de différents systèmes rapporteurs et la mesure de différents paramètres physiologiques nous ont permis de mettre en évidence que l’architecture racinaire est fortement modulée en réponse à l’U et ceci de façon dose dépendante. Cet effet est lié à l’inhibition du cycle cellulaire et à la synthèse d’espèces réactives de l’oxygène et d’oxyde nitrique dont l’accumulation provoque la mort cellulaire. Ces changements sont associés à une perturbation du transport et de la distribution de l’auxine dans les racines. Ces événements sont temporellement corrélés avec l’accumulation de polymères de défense (callose et lignine) impliqués dans l’imperméabilisation des cellules et des parois. Cette étude confirme enfin que le stress induit par l’U est intimement lié à une perturbation de l’homéostasie de certains macronutriments (phosphate et fer) et partage les cascades de signalisation d’une carence en phosphate.Ce travail met en évidence des mécanismes de réponse et d’adaptation aux métaux toxiques à travers la régulation fine des phénomènes de méthylation des protéines non-histone et l’identification de processus cellulaires impliqués dans la réponse à la toxicité de l’U dans le système racinaire. / Plant response and adaptation to metallic stress are involving numerous mechanisms limiting the toxic effect of metals. Although a large number of these mechanisms are well characterized, many processes are in need to be identified in order to have a better understanding of strategies involved in plant response to toxic elements.In first instance, we investigated the role of two post-translational modifications, phosphorylation and methylation of non-histone proteins in response to stress induced by two toxic metals, cadmium and uranium. We analyzed the dynamic of these modifications in three species of Arabidopsis: A. thaliana, A. lyrata two species sensitive to cadmium and A. halleri, a species which naturally tolerate and hyperaccumulate toxic metals in her leaves. By using Western blots and mass spectrometry in parallel, we showed that lysine methylation pattern were changing during metallic stresses. Next, we analyzed the gene expression of enzymes involved in phosphorylation and lysine methylation processes in plants exposed to different adverse conditions. These analyses showed that numerous kinases expressions were differentially regulated in response to metallic stress. Concerning protein lysine methyltransferases, only a few enzymes were differentially regulated. Finally, through a mutant genetic screening we identified two genes coding for protein lysine methyltransferases involved in tolerance to a stress induced by cadmium.Secondly, we studied the physiological and cellular processes involved in the response of A. thaliana root system to uranium. Through the utilization of several reporters and the measure of physiological parameters, we demonstrated that the root architecture was strongly modulated in response to a stress induced by uranium and that in a dose dependent manner. These effects are linked to a cell cycle inhibition and the synthesis and accumulation of reactive oxygen species and nitric oxyde wich participated in the root apex cell death. These changes were associated with perturbation in auxin transport and distribution at the root apex and were temporally correlated to the deposition of defense polymers (callose and lignin) involved in cell proofing and cell wall stiffness. This study is confirming the fact that uranium induced stress is intimately linked to a disruption of phosphate and iron homeostasis. Furthermore, uranium-signaling cascade are sharing a part of the phosphate starvation-signaling cascade.Together, these two studies are revealing mechanisms involved in plant response and adaptation to metallic trace elements through the thin tuning of non-histone methylation and the identification of cellular process involved in the toxicity of uranium in roots.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Papillomaviruses (PVs) are small, double-stranded DNA viruses. Hundreds of species have evolved to replicate in mammals, birds, and reptiles. Approximately two hundred species are estimated to infect humans alone, and these human papillomaviruses (HPVs) cause diseases ranging from benign warts to anogenital and oropharyngeal cancers. While vaccination is effective at preventing the majority of these infections and their disease outcomes, there are no successful treatments for existing infections; thus, exploration of novel therapeutic targets is warranted. PVs control expression and function of their gene products through alternative splicing, alternate start codons, and post-translational modification (PTM). The viral E2 protein regulates transcription, replication, and genome maintenance in infected cells, and PTMs have been demonstrated for E2 proteins from multiple papillomavirus types. Serine phosphorylation events were reported to influence E2 stability, and our laboratory was the first to describe in vitro acetylation events with implications for E2 transcription function. Here we report confirmation of these acetylation events in vivo and additional data elucidating the role of these PTMs in viral transcription. Moreover, we present a novel phosphorylation site for bovine papillomavirus type 1 (BPV-1) E2 at tyrosine 102 (Y102). Using phospho-deficient and phospho-mimetic point mutants, we found that this site influences E2-mediated transcription and replication, and we hypothesize that phosphorylation at Y102 regulates these activities by interrupting the association of E2 with its binding partners. We also report interaction of BPV-1 E2 and HPV-31 E2 with different receptor tyrosine kinases (TKs), most notably members of the fibroblast growth factor receptor family. We hypothesize that Y102 phosphorylation by these receptors occurs early in infection to limit viral replication and gene expression. Further studies will cement the role of RTKs in PV biology and could reveal novel therapeutic strategies.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Histones are highly basic proteins which when digested by trypsin are hard to analyze using mass spectrometry. Because histones are basic nuclear proteins, a nuclei prep followed by acid extraction is the best purification strategy to increase overall abundance of purified histones. Blocking the lysine residues and cleaving with trypsin is a useful technique to increase detection of histone peptides using MudPIT. In particular, carbamylation and propionylation are the best two methods to block lysine residues. Using both propionylation and carbamylation along with no treatment has been shown to increase the identification of unmodified and modified histone peptides when coupled with MudPIT analysis.

[ES] La cristalografía de rayos X es una potente técnica para la resolución de la estructura atómica de macromoléculas. La información generada, tiene gran impacto sobre diferentes campos relacionados con la investigación básica y aplicada, como son la biomedicina y diseño de fármacos, al igual que en el desarrollo de aplicaciones nanotecnológicas y biotecnológicas. Esta Tesis se centra en determinadas problemáticas actuales y en las proteínas involucradas en las mismas (TryR, eEF1A2 y CBDP35), siendo éstas sujeto de desarrollo biotecnológico en los campos de la biomedicina, farmacia y de la industria alimentaria, en el que la cristalografía de rayos X juega un papel crucial para dilucidar sus estructuras atómicas y funciones. En consideración a la biomedicina y diseño de fármacos, hemos resuelto la estructura de la Tripanotión reductasa (TryR) de Leishmania infantum en complejo con potentes inhibidores de su actividad oxidorreductasa, con potencial de desarrollo como fármacos. Así, se ha caracterizado la unión y mecanismo de acción de éstos inhibidores. TryR es una reconocida diana farmacológica para el tratamiento de la enfermedad de Chagas, la Tripanosomiasis Humana Africana y la leishmaniosis, ya que desempeña un papel crucial y esencial en el metabolismo redox de los parásitos de la familia Trypanosomatidae. Además, se han analizado los parámetros de cristalización y difracción de novedosos inhibidores de la dimerización de TryR, cuyo diseño racional se basa en la unión a la interfaz de dimerización de la misma. La oncoproteína eEF1A2, involucrada en múltiples funciones celulares y sujeto de numerosas modificaciones post-traduccionales, se une al fármaco anticancerígeno plitidepsina. La cristalografía de rayos X, combinada con experimentos de espectrometría de masas, se han utilizado como herramientas para identificar nuevas modificaciones post-traduccionales y características estructurales en eEF1A2:GDP. Una modificación única, la adición de etanolamina fosfoglicerol (EPG) a aminoácidos conservados (Glu301 y Glu374 en mamíferos), se ha observado aquí por primera vez. El análisis estructural de estos hallazgos facilita la comprensión de las múltiples funciones y regulaciones de eEF1A2. La adquisición de una muestra conformacionalmente homogénea de eEF1A2:GTP, necesaria para la unión a la plitidepsina, ha sido evaluada en ensayos de cristalización del complejo terciario de eEF1A2: GTP: plitidepsina. Con respecto al dominio de unión a la pared celular de la endolisina PlyP35 codificada por el fago P35 de Listeria monocytogenes (CBDP35), hemos resuelto la estructura cristalina de CBDP35 en un complejo con ácido teicoico natural de L. monocytogenes serovar 1/2a. Esta estructura es el primer módulo de unión a la pared celular en complejo con ácidos teicoicos jamás dilucidado. El análisis estructural reveló los principales determinantes para la unión de la pared celular bacteriana, en particular, el mecanismo molecular del reconocimiento de N-acetil-d-glucosamina, una decoración de carácter glicosídico en ácidos teicoicos de serovares patógenos de L. monocytogenes. Estos hallazgos arrojan luz sobre el desarrollo biotecnológico de nuevas herramientas en la industria alimentaria y las terapias derivadas de fagos para detectar y tratar infecciones bacterianas. / [CA] La cristal·lografia de raig X és una potent tècnica per a la resolució de l'estructura atòmica de macromolècules. La informació generada té gran impacte sobre diferents camps relacionats amb la investigació bàsica i aplicada, com són la biomedicina i disseny de fàrmacs, igual que en el desenvolupament d'aplicacions nanotecnológiques i biotecnològiques. Aquesta Tesi es centra en determinades problemàtiques actuals i en les proteïnes involucrades en les mateixes (TryR, eEF1A2 i CBDP35), sent estes subjecte de desenvolupament biotecnològic en els camps de la biomedicina, farmàcia i de la indústria alimentària, en el que la cristal·lografia de raig X juga un paper crucial per a dilucidar les seues estructures atòmiques i funcions. En consideració a la biomedicina i disseny de fàrmacs, hem resolt l'estructura de la Tripanotión reductasa (TryR) de Leishmania infantum en complex amb potents inhibidors de la seua activitat oxidorreductasa, amb potencial de desenrotllament com a fàrmacs. Així, s'ha caracteritzat la unió i mecanisme d'acció d'estos inhibidors. TryR és una reconeguda diana farmacològica per al tractament de la malaltia de Chagas, la Tripanosomiasi Humana Africana i la leishmaniosi, ja que exerceix un paper crucial i essencial en el metabolisme redox dels paràsits de la família Trypanosomatidae. A més, s'han analitzat els paràmetres de cristal·lització i difracció de nous inhibidors de la dimerizació de TryR, el disseny racional dels quals es basa en la unió a la interfície de dimerización de la mateixa. L'oncoproteína eEF1A2, involucrada en múltiples funcions cel·lulars i subjecte de nombroses modificacions posttraduccionals, s'unieix al fàrmac anticancerigen plitidepsina. La cristal·lografia de raig X, combinada amb experiments d'espectrometria de masses, s'han utilitzat com a ferramentes per a identificar noves modificacions posttraduccionals i característiques estructurals en eEF1A2:GDP. Una modificació única, l'addició d'etanolamina fosfoglicerol (EPG) a aminoàcids conservats (Glu301 i Glu374 en mamífers), s'ha observat ací per primera vegada. L'anàlisi estructural d'estes troballes facilita la comprensió de les múltiples funcions i regulacions d'eEF1A2. L'adquisició d'una mostra conformacionalmente homogènia d'eEF1A2:GTP, necessària per a la unió a la plitidepsina, ha sigut avaluada en assajos de cristal·lització del complex terciari d'eEF1A2: GTP: plitidepsina. Respecte al domini d'unió a la paret cel·lular de l'endolisina PlyP35 codificada pel fago P35 de Listeria monocytogenes (CBDP35), hem resolt l'estructura cristal·lina de CBDP35 en un complex amb àcid teicoico natural de L. monocytogenes serovar 1/2a. Esta estructura és el primer mòdul d'unió a la paret cel·lular en complex amb àcids teicoicos mai dilucidat. L'anàlisi estructural va revelar els principals determinants per a la unió de la paret cel·lular bacteriana, en particular, el mecanisme molecular del reconeixement de N-acetil-d-glucosamina, una decoració de caràcter glicosídico en àcids teicoicos de serovares patògens de L. monocytogenes. Estes troballes fan llum sobre el desenrotllament biotecnològic de noves ferramentes en la indústria alimentària i les teràpies derivades de fagos per a detectar i tractar infeccions bacterianes. / [EN] X-ray crystallography is a powerful technique for atomic structure resolution of macromolecules. The information generated impacts different fields involving basic and applied research on biomedicine and drug design and the development of nanotechnology and biotechnological applications. This dissertation focuses on current problematics and the target proteins involved (TryR, eEF1A2 and CBDP35) that are in sight for biotechnological development in the biomedical, pharmaceutical and food industry fields, in which X-ray crystallography plays a crucial role in the elucidation of their atomic structures and functions. Attaining to biomedical and drug design problematics, we have solved the structure of Leishmania infantum TryR in complex with potent oxidoreductase inhibitors prone to further development as anti-trypanosomal drugs, thereby characterizing their binding and mechanism of action. This protein is a long recognized drug target for the treatment of Chagas disease, Human African Trypanosomiasis and leishmaniasis, as it plays a crucial and essential role in the redox-metabolism of the Trypanosomatidae parasites. Moreover, the crystallization and diffraction parameters of novel TryR dimerization disruptors have been assayed for inhibitors which have been rationally designed to bind the dimerization interface of TryR. The "moonlighting" oncoprotein eEF1A2 is known to be highly post-translationally modified and to bind the anticancer drug plitidepsin. X-ray crystallography, combined with mass-spectrometry experiments, have been used as tools to identify novel post-translational modifications and structural features in eEF1A2:GDP. A unique modification, namely the addition of ethanolamine phosphoglycerol (EPG) to conserved glutamic residues (Glu301 and Glu374 in mammals), has been here observed for the first time. Structural analysis of these findings facilitate the understanding of eEF1A2's multiple functions and regulations. The acquirement of a conformationally homogenous eEF1A2:GTP sample, necessary for plitidepsin binding, has been has been assayed for eEF1A2:GTP:plitidepsin complex crystallization. Regarding the cell wall binding domain of Listeria monocytogenes phage-encoded endolysin PlyP35 (CBDP35), we have solved the crystal structure of CBDP35 in complex with natural Listeria serovar 1/2a teichoic acid. This structure is the first cell wall binding module in complex with teichoic acids ever elucidated. Structural analysis revealed the main determinants for bacterial cell-wall binding, in particular, the molecular mechanism of N-acetyl-d-glucosamine recognition, a glycosidic moiety in teichoic acids of pathogenic serovars of L. monocytogenes. These findings shed light upon the biotechnological development of new tools in the food industry and phage-derived therapies to detect and treat bacterial infections. / Agradecer al Ministerio de Educación, Cultura y Deporte por haberme proporcionado el contrato FPU (FPU14/03190) que me ha permitido desarrollar esta Tesis Doctoral en el Instituto de Química-Física “Rocasolano” del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IQFR-CSIC), así como la financiación otorgada para poder realizar mi estancia predoctoral en el laboratorio del Prof. Hammershmidt, en Greifswald, Alemania (EST17/00751). / Carriles Linares, AÁ. (2019). STRUCTURAL BIOMEDICINE: CHARACTERIZATION OF THE STRUCTURAL BASIS IN PROTEIN-DRUG RECOGNITION IN DIFFERENT HUMAN DISEASES [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130844 / TESIS

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