Les biomolécules exercent leurs fonctions en interagissant avec d'autres molécules. Le recensement de l'ensemble des biomolécules et leurs interactions permet de construire leurs réseaux d'interactions et de les analyser sur le plan structural et fonctionnel par des outils bioinformatiques (BiNGO, DAVID). Cela permet d'identifier les biomolécules clés, de prédire de nouvelles fonctions des protéines et de comprendre et modéliser les mécanismes moléculaires d'un processus biologique ou pathologique donné. Les protéines ou régions intrinsèquement désordonnées, qui possèdent une grande plasticité structurale, sont susceptibles d'interagir avec de nombreux partenaires et d'être importantes dans les réseaux d'interactions. A l'aide du prédicteur IUPred, nous avons dans un premier temps cartographié le désordre intrinsèque des protéines dans le réseau d'interactions de la matrice extracellulaire et dans le réseau extracellulaire des protéoglycanes construits à partir de la base de données MatrixDB développée dans l'équipe. Nous avons montré que les protéines très connectées de ces deux réseaux ne sont pas enrichies en désordre. Les fonctions moléculaires surreprésentées dans le jeu de protéines extracellulaires contenant au moins 50% de désordre intrinsèque sont les interactions avec les facteurs de croissance ou les glycosaminoglycanes. Nous avons étudié un jeu de données d'interactions protéine-héparine comportant 118 valeurs de cinétique et nous avons montré une relation positive entre la vitesse d'association des protéines à l'héparine et le pourcentage de désordre de leurs sites de fixation à l'héparine. Nous avons également étudié les interactions de la matrice extracellulaire avec un pathogène, le parasite Leishmania. Nous avons montré que les protéines sécrétées par les Leishmania ne sont pas enrichies en désordre par rapport au protéome. Nous avons établi une liste de onze protéines parasitaires sécrétées possédant au moins trois motifs d'interaction et susceptibles d'interagir avec l'hôte / Biomolecules perform their functions by interacting with other molecules. The identification of all biomolecules and their interactions is required to build their interaction networks. Their structural and functional analysis with bioinformatics tools (BiNGO, DAVID) allow us to identify the key biomolecules, to predict new protein functions and to understand and model the molecular mechanisms of biological or pathological process. Intrinsically disordered proteins or regions, which are characterized by structural plasticity, may interact with many partners and may play a role in the interaction networks. Using the predictor IUPred we mapped the intrinsic disorder in protein interaction networks of the extracellular matrix and of the proteoglycans constructed from the MatrixDB database developed in the laboratory. We have shown that the highest connected proteins of these two networks are not enriched in disorder. The molecular functions overrepresented in the set of extracellular proteins containing at least 50% of intrinsically disordered residues are interactions with growth factors or glycosaminoglycans. We studied a dataset of heparin-protein interactions including 118 kinetic values and we have shown that the association rate of proteins with heparin is related to the intrinsic disorder of heparin-binding sites. We also studied the interactions of the extracellular matrix with a pathogen, the parasite Leishmania. We have shown that proteins secreted by Leishmania are not enriched in disorder compared to their proteome. We have selected eleven parasite proteins containing at least three interaction motifs, which may interact with the host

Au fil du temps, la vie a évolué pour produire des organismes remarquablement complexes. Pour faire face à cette complexité, les organismes ont développé une pléthore de mécanismes régulateurs. Par exemple, les mammifères transcrivent des milliers d'ARN longs non codants (ARNlnc), accroissant ainsi la capacité régulatrice de leurs cellules. Un concept émergent est que les ARNlnc peuvent servir d'échafaudages aux complexes protéiques, mais la prévalence de ce mécanisme n'a pas encore été démontrée. De plus, pour chaque ARN messager, plusieurs régions 3’ non traduites (3’UTRs) sont souvent présentes. Ces 3’UTRs pourraient réguler la fonction de la protéine en cours de traduction, en participant à la formation des complexes protéiques dans lesquels elle est impliquée. Néanmoins, la fréquence et l’importance ce mécanisme reste à aborder.Cette thèse a pour objectif de découvrir et comprendre systématiquement ces deux mécanismes de régulation méconnus. Concrètement, l'assemblage de complexes protéiques promus par les ARNlnc et les 3'UTRs est étudié avec des données d’interactions protéines-protéines et protéines-ARN à grande échelle. Ceci a permis (i) de prédire le rôle de plusieurs centaines d'ARNlnc comme molécules d'échafaudage pour plus de la moitié des complexes protéiques connus, ainsi que (ii) d’inférer plus d’un millier de complexes 3'UTR-protéines, dont certains cas pourraient réguler post-traductionnellement des protéines moonlighting aux fonctions multiples et distinctes. Ces résultats indiquent qu'une proportion élevée d'ARNlnc et de 3'UTRs pourrait réguler la fonction des protéines en augmentant ainsi la complexité du vivant. / Over time, life has evolved to produce remarkably complex organisms. To cope with this complexity, organisms have evolved a plethora of regulatory mechanisms. For instance, thousands of long non-coding RNAs (lncRNAs) are transcribed by mammalian genomes, presumably expanding their regulatory capacity. An emerging concept is that lncRNAs can serve as protein scaffolds, bringing proteins in proximity, but the prevalence of this mechanism is yet to be demonstrated. In addition, for every messenger RNA encoding a protein, regulatory 3’ untranslated regions (3’UTRs) are also present. Recently, 3’UTRs were shown to form protein complexes during translation, affecting the function of the protein under synthesis. However, the extent and importance of these 3’UTR-protein complexes in cells remains to be assessed.This thesis aims to systematically discover and provide insights into two ill-known regulatory mechanisms involving the non-coding portion of the human transcriptome. Concretely, the assembly of protein complexes promoted by lncRNAs and 3’UTRs is investigated using large-scale datasets of protein-protein and protein-RNA interactions. This enabled to (i) predict hundreds of lncRNAs as possible scaffolding molecules for more than half of the known protein complexes, as well as (ii) infer more than a thousand distinct 3’UTR-protein complexes, including cases likely to post-translationally regulate moonlighting proteins, proteins that perform multiple unrelated functions. These results indicate that a high proportion of lncRNAs and 3’UTRs may be employed in regulating protein function, potentially playing a role both as regulators and as components of complexity.

Le projet de thèse consistait à étudier le mouvement du Virus de la jaunisse du navet (TuYV) dans le système vasculaire. Le premier objectif était d’identifier la nature du complexe viral cheminant dans les tubes criblés : virions et/ou complexes ribonucléoprotéiques. L’analyse du mouvement de mutants viraux dans différentes espèces végétales, en absence ou en présence de protéines de capside de type sauvage apportées en trans, a permis de démontrer une étroite relation entre la formation de virions et le transport à longue distance. Le second objectif de cette étude portait sur l’identification de partenaires cellulaires de la protéine P4 du TuYV. Deux protéines ont été identifiées par un criblage de banques d’ADNc d’A. thaliana par le système du double hybride dans la levure, et l’analyse de leur implication dans le cycle viral a été amorcée par des expériences de localisation subcellulaire et de validation fonctionnelle in planta. / In the project, Turnip yellows virus (TuYV) transport in the phloem was analysed. The first objective was to identify the nature of the viral complex involved in vascular movement: virions and/or ribonucleoprotein complexes. Mutant viruses were modified in the capsid protein gene to inhibit formation of virions. By analyzing their movement in different host plants, in the absence or in the presence of the wild-type capsid proteins brought in trans, we demonstrated a strong relation between virion formation and virus long-distance movement. The second objective was to identify cellular partners of the TuYV-P4 protein, a putative movement protein which is host-specific. Two proteins were identified by screening a cDNA library of A. thaliana using the yeast two hybrid technique, and their function in the virus cycle was assessed by performing sub-cellular localizations and infection of A. thaliana KO mutants.

Les interfaces protéine-protéine sont au cœur de nombreux mécanismes physiologiques du vivant. Les caractériser au niveau moléculaire est un donc enjeu crucial pour la recherche de nouveaux candidat-médicaments. Nous proposons ici de nouvelles méthodes d’analyse des interfaces protéine-protéine à visée pharmaceutique. Notre protocole automatisé détecte les interfaces au sein des structures de la Protein Data Bank afin de définir les zones d’interactions à potentiel pharmacologique, les cavités droguables, les ligands présents à l’interface ainsi que les pharmacophores directement déduits à partir des cavités. Notre méthode permet de réaliser un état de l’art des informations disponibles autour des interfaces protéine-protéine ainsi que de prédire de nouvelles cibles potentielles pour des molécules candidats médicaments. / Protein-protein interfaces are involved in many physiological mechanisms of living cells. Their characterization at the molecular level is therefore crucial in drug discovery.We propose here new methods for the analysis protein-protein interfaces of pharmaceutical interest. Our automated protocol detects the biologicaly relevant interfaces within the Protein Data Bank structures, droguables cavities, ligands present at the interface and pharmacophores derived directly from the cavities. Our method enables a state-of- the-art of all available structural information about protein-protein interfaces and predicts potential new targets for drug candidates.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'hypertension artérielle est l'une des principales causes de morbidité et de mortalité dans le monde. La compréhension des mécanismes qui sont à la base du développement de l'hypertension offrira de nouvelles perspectives pour un meilleur contrôle de l'hypertension. Nous avons précédemment montré que le niveau des protéines Giα-2 et Giα-3 est augmenté chez les rats spontanément hypertendus (SHR) avant l'apparition de l'hypertension. Le traitement avec les inhibiteurs de l’enzyme de conversion de l’Angiotensine (IEC) est associé à une diminution de l’expression des protéines Gi. De plus, l'injection intrapertoneale de la toxine de la coqueluche inactive les deux protéines Giα et empêche le développement de l'hypertension chez les SHR. Cependant, la contribution spécifique des protéines Giα-2 et Giα-3 dans le développement de l'hypertension n'est pas encore connue. Dans la présente étude, l’Anti-sens oligodésoxynucléotide (AS-ODN) de Giα-2 et Giα-3 (1mg/Kg en poids corporel) encapsulé dans des liposomes cationiques PEG / DOTAP/ DOPE ont été administrés par voie intraveineuse aux SHR pré-hypertendus âgé de trois semaines et aux Wistar Kyoto (WKY) rats de même âge. Les contrôles des WKY et SHR non traités ont été injectés avec du PBS stérile, liposomes vides ou oligomères sens. La pression artérielle (PA) a été suivie chaque semaine en utilisant la technique manchon caudal. Les rats ont été sacrifiés à l'âge de six semaines et neuf semaines. Le coeur et l'aorte ont été utilisés pour étudier l'expression des protéines Gi. Le knockdown des protéines Giα-2 par l’injection de Giα-2-AS a empêché le développement de l'hypertension à l'âge de six semaines. Par la suite, la PA a commencé à augmenter rapidement et a atteint le niveau que l'on retrouve dans les groupes témoins à l'âge de neuf semaines. D'autre part, la PA du groupe traité avec le Giα-3-AS a commencé à augmenter à l'âge de quatre semaines. Dans le groupe des SHR-Giα-3-AS, la PA a augmenté à l’âgé de six semaines, mais moins que celle de SHR-CTL. Le coeur et l'aorte obtenues des SHR Giα-2-AS et Giα-3-AS à partir de l’âgé de six semaines ont eu une diminution significative de l’expression des protéines Giα-2 et Giα-3 respectivement. Dans le groupe des WKY Giα-2-AS et Giα-3-AS l'expression des protéines Giα-2 et Giα-3 respectivement a diminué malgré l'absence de changement dans la PA par rapport aux WKY CTL. À l'âge de neuf semaines, les SHR traités avec du Giα-2-AS et Giα-3-AS avaient la même PA et expression des protéines Gi que le SHR CTL. Ces résultats suggèrent que les deux protéines Giα-2 et Giα-3 sont impliqués dans le développement de l'hypertension chez les SHR, mais le knockdown de Giα-2 et pas de Giα-3 a empêché le développement de l'hypertension. / Hypertension is one of the leading causes of morbidity and mortality in the world. Understanding the mechanisms underlying the development of hypertension will provide new insights into better control of hypertension. We have previously shown that the levels of Giα-2 and Giα-3 proteins were augmented in SHR before the onset of hypertension. Antihypertensive (ACE) inhibitor is associated with decreased Gi-proteins. In addition, intrapertoneal injection of pertussis toxin (PTX) inactivated both Giα proteins and prevented the development of hypertension in SHR. However, the specific contribution of Giα-2 and Giα-3 proteins in hypertension development is still not known. In the present study, Giα-2 and Giα-3 Antisense oligodeoxynuleotide (AS-ODN) (1 mg/Kg body weight) encapsulated in PEG/DOTAP/DOPE cationic liposomes were administrated intravenously to three-week-old pre-hypertensive SHR and their age-matched WKY while control WKY and SHR were injected with sterile PBS, empty liposomes or sense oligomer. Blood pressure (BP) was monitored weekly using tail-cuff technique. The rats were sacrificed at the age of six weeks and nine weeks. Heart and aorta were used to study Gi proteins expression. The knockdown of Giα-2 protein by Giα-2-AS injection prevented the development of hypertension up to the age of six weeks; thereafter the BP began to increase rapidly and reached the same level found in control groups at the age of nine weeks. On the other hand, the BP of the Giα-3-AS treated group began to increase at the age of four weeks. The SHR Giα-3-AS had augmented BP at six weeks but lower than that of SHR-CTL. The heart and aorta obtained from six week-old SHR Giα-2-AS and Giα-3-AS had significant decrease in Giα-2 and Giα-3 proteins expression respectively. WKY Giα-2-AS and Giα-3-AS had decreased in Giα-2 and Giα-3 protein expression respectively despite having no change in BP compared to CTL WKY. At the age of nine weeks, the SHR Giα-2-AS and Giα-3-AS had the same BP and Gi protein expression as the control SHR. These results suggest that both Giα-2 and Giα-3 proteins are implicated in the development of hypertension in SHR but the knockdown of Giα-2 not Giα-3 has prevented the development of hypertension.

Les protéines sont au coeur de la vie. Ce sont d'incroyables nanomachines moléculaires spécialisées et améliorées par des millions d'années d'évolution pour des fonctions bien définies dans la cellule. La structure des protéines, c'est-à-dire l'arrangement tridimensionnel de leurs atomes, est intimement liée à leurs fonctions. L'absence apparente de structure pour certaines protéines est aussi de plus en plus reconnue comme étant tout aussi cruciale. Les protéines amyloïdes en sont un exemple marquant : elles adoptent un ensemble de structures variées difficilement observables expérimentalement qui sont associées à des maladies neurodégénératives. Cette thèse, dans un premier temps, porte sur l'étude structurelle des protéines amyloïdes bêta-amyloïde (Alzheimer) et huntingtine (Huntington) lors de leur processus de repliement et d'auto-assemblage. Les résultats obtenus permettent de décrire avec une résolution atomique les interactions des ensembles structurels de ces deux protéines. Concernant la protéine bêta-amyloïde (AB), nos résultats identifient des différences structurelles significatives entre trois de ses formes physiologiques durant ses premières étapes d'auto-assemblage en environnement aqueux. Nous avons ensuite comparé ces résultats avec ceux obtenus au cours des dernières années par d'autres groupes de recherche avec des protocoles expérimentaux et de simulations variés. Des tendances claires émergent de notre comparaison quant à l'influence de la forme physiologique de AB sur son ensemble structurel durant ses premières étapes d'auto-assemblage. L'identification des propriétés structurelles différentes rationalise l'origine de leurs propriétés d'agrégation distinctes. Par ailleurs, l'identification des propriétés structurelles communes offrent des cibles potentielles pour des agents thérapeutiques empêchant la formation des oligomères responsables de la neurotoxicité. Concernant la protéine huntingtine, nous avons élucidé l'ensemble structurel de sa région fonctionnelle située à son N-terminal en environnement aqueux et membranaire. En accord avec les données expérimentales disponibles, nos résultats sur son repliement en environnement aqueux révèlent les interactions dominantes ainsi que l'influence sur celles-ci des régions adjacentes à la région fonctionnelle. Nous avons aussi caractérisé la stabilité et la croissance de structures nanotubulaires qui sont des candidats potentiels aux chemins d'auto-assemblage de la région amyloïde de huntingtine. Par ailleurs, nous avons également élaboré, avec un groupe d'expérimentateurs, un modèle détaillé illustrant les principales interactions responsables du rôle d'ancre membranaire de la région N-terminal, qui sert à contrôler la localisation de huntingtine dans la cellule. Dans un deuxième temps, cette thèse porte sur le raffinement d'un modèle gros-grain (sOPEP) et sur le développement d'un nouveau modèle tout-atome (aaOPEP) qui sont tous deux basés sur le champ de force gros-grain OPEP, couramment utilisé pour l'étude du repliement des protéines et de l'agrégation des protéines amyloïdes. L'optimisation de ces modèles a été effectuée dans le but d'améliorer les prédictions de novo de la structure de peptides par la méthode PEP-FOLD. Par ailleurs, les modèles OPEP, sOPEP et aaOPEP ont été inclus dans un nouveau code de dynamique moléculaire très flexible afin de grandement simplifier leurs développements futurs. / Proteins are at the center of life. They are formidable molecular nanomachines specialized and optimized during million years of evolution for well-defined functions in the cell. The structure of proteins, meaning the tridimensional setting of their atoms, is closely related to their function. Absence of structure for a subset of proteins is also recognized to be as crucial. Amyloid proteins is a striking example : they fold into an ensemble of various structures hardly observable experimentally that are associated with neurodegenerative diseases. This thesis, firstly, is on the study of the structural ensemble of the amyloid proteins amyloid-beta (Alzheimer) and huntingtin (Huntington) during their folding and aggregation. Our results describe in details, with an atomic resolution, the characteristic interactions present in the structural ensemble of these two proteins. Concerning the amyloid-beta protein (AB), our results show the structural differences between three of its physiological forms during its first aggregation steps in an aqueous environment. We have then compared these results with those obtained during the past few years by several other research groups using various experimental and simulation protocols. Clear trends come out of this comparison regarding the influence of AB physiological form on its structural ensemble during its first aggregation steps. Their distinct aggregation pathways are rationalized by the identified differences. For their part, the identified similarities offer targets for therapeutical compounds disrupting the aggregation of the neurotoxic oligomers. Concerning the huntingtin protein, we identify the structural ensemble of its functional region at its N-terminal in an aqueous environment and in a phospholipid membrane. In agreement with the available experimental results on the global structure of this region in aqueous solution, our results reveal the dominant interactions, at an atomic precision, in its structural ensemble as well as the influence of its neighboring regions. We have also characterized the stability and the growth of nanotube-like structures that could occur during the aggregation of the amyloid region of huntingtin. Moreover, we have developed, in collaboration with a group of experimentalists, a precise model describing the main membrane interactions of huntingtin N-terminal, which serves as a membrane anchor that controls the localization of huntingtin in the cell. Secondly, this thesis is on the refinement of a coarse-grained model (sOPEP) and on the development of a new all-atom model (aaOPEP) that are both based on the coarse-grained OPEP force field, commonly used to study protein folding and amyloid protein aggregation. The goal behind the optimization of these models is to improve the de novo structure prediction of the PEP-FOLD method. These three models -- OPEP, sOPEP and aaOPEP -- are now also implemented in a new molecular dynamics software that we have developed specifically to greatly ease their future developments.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’identification de molécules organiques capables de moduler des interactions protéine-protéine (PPIs) est longtemps restée un domaine peu exploité par la recherche pharmaceutique privée comme académique. Cependant, le développement de méthodologies innovantes pour l’étude des PPIs et la validation récente de ce type d’inhibiteurs dans des essais précliniques, démontrent que les PPIs constituent une nouvelle source de cibles importantes. Les composés capables de moduler ces interactions représentent une nouvelle classe d’outils prometteurs, tant en recherche fondamentale qu’en thérapeutique. Elles peuvent aider à différencier les multiples fonctions portées par une même protéine, à replacer la protéine dans une cascade de réactions, ainsi qu’à disséquer et reconstituer des réseaux de signalisations protéiques. Ces molécules permettront également de faire émerger de nouvelles familles d’agents pharmacologiques actifs dans diverses pathologies.Mon travail de thèse s'est projeté dans l'avenir de la recherche biomédicale, en ciblant les interactions protéine-protéine. J’ai pu durant mon doctorat mettre en œuvre plusieurs méthodologies pour étudier et caractériser des interactions protéiques afin de développer des inhibiteurs de ces interactions. J’ai ainsi pu travailler sur l’optimisation d’un composé inhibiteur de l’interaction de la protéine virale Nef VIH-1 avec les domaines SH3 des Src kinases, le composé DLC27. J’ai également pu mettre en évidence la pertinence biologique de ce composé, qui cible un mode d’interaction unique, ou très rare, au niveau cellulaire en étudiant l’interaction avec les domaines SH3 de deux protéines, ALIX (ALG2-Interacting Protein X) et la sous-unité p85 de la PI3K (phosphatidylinositol 3-kinase).J’ai également pu caractériser la surface et le mode d’interaction de protéines virales impliquées dans le complexe de réplication du virus du SRAS (Syndrome Respiratoire Aigu Sévère). Cette étude tend à montrer que la protéine virale nsp10 agit comme une plateforme de reconnaissance pour ses partenaires, les protéines virales nsp14 et nsp16. Ces interactions permettent l’activation ou l’augmentation des activités respectives de nsp16 et nsp14 et jouent un rôle au niveau de la réplication virale. Suite à l’identification d’un ‘point chaud’ d’interaction, le résidu Tyr96 à la surface de nsp10, nous avons mis en évidence la première famille de molécules inhibitrices du complexe nsp10-nsp14 en couplant des méthodes informatiques (in silico) à des criblages expérimentaux. Ces molécules pourraient être utilisées comme antiviraux ou servir d’outils pour la recherche, en permettant par exemple de mieux comprendre et d’élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la réplication du virus du SRAS et des coronavirus en général. / Protein-protein interactions (PPIs) participate in and regulate almost all essential cellular functions. As a consequence, they are frequently involved in various pathologies (going from cancer development to viral replication and host cell infection) but their study remains a challenge.Thus understanding those interactions as well as finding small drug candidates able to modulate them, a field of research not currently fully developed, appear as the future of the healthcare industry.In this context, I chose to learn different techniques to study PPIs that are usually employed in academic (IMR laboratory, CNRS, France) or corporate environments (Genentech, USA). Moreover, I also worked on the development of small organic inhibitors of PPIs coupling in silico methodologies (chemo-informatics, Drug Design) to biological and structural validations.During my PhD, I could manage and work on different projects involving the study of PPIs involved in cancer signaling pathways as well as the development of potent antiviral drugs targeting the HIV and SARS viruses.My organizational, personal and scientific skills as well as the practical experience I developed on various techniques (from cell biology to biophysics, structural biochemistry and Drug Design), make me feel confident on the management of PPIs drug discovery projects.I am thus able to efficiently work on, and manage, the study of protein-protein interactions in various pathologies as well as the development of potent PPIs inhibitors, that will be a major breakthrough for Biotech/Pharma companies in the coming years.