La chémoinformatique et la bioinformatique sont des disciplines devenues indispensables à la découverte de médicaments. De nos jours, les industries pharmaceutiques consacrent près de 10% de leur budget de recherche et développement, à la recherche de médicaments assisté par ordinateur (Kapetanovic 2008). Cette émergence peut s’expliquer à la fois par le développement des architectures de calculs mais aussi par le faible coup qu’engendrent des analyses in silico par rapport à des tests in-vitro.Les essais biologiques qui ont été menés depuis des décennies afin d’identifier des médicaments potentiels, commencent à former une source très importante de données et plusieurs bases de données commencent à les répertorier. La disponibilité de ce type de données a favorisé le développement d’un nouvel axe de recherche appelé la "chémogénomique" et qui s’intéresse à l’étude et à l’identification des associations possibles entre plusieurs molécules et plusieurs cibles. Ainsi, la chémogénomique permet de déterminer le profil biologique d’une molécule et nous renseigne sur sa capacité à devenir une touche intéressante mais aussi à identifier ses possibles effets indésirables. Des méthodes de chémoinformatique permettent d’utiliser ces sources de données à des fins d’apprentissage et établir des modèles prédictifs qui permettront par la suite de faire des prédictions pour connaitre l’activité d’une molécule.Cette thèse a porté sur le développement et l'utilisation de méthodes de prédictions d’association protéine-ligand. La prédiction d’une association est importante en vue d’un criblage virtuel et peut s’effectuer à l’aide de plusieurs méthodes. Au sein du laboratoire, on s’intéresse plus particulièrement au profilage de bases de données de molécules (chimiothèques) contre une série de cibles afin d’établir leur profil biologique. J’ai donc essayé au cours de ma thèse de mettre au point des modèles prédictifs d’association protéine-ligand pour un grand nombre de cibles, valider des méthodes de criblage virtuel récentes à des fins de profilage mais aussi établir un protocole de profilage automatisé, qui décide du choix de la méthode de criblage la plus adaptée en s’appuyant sur les propriétés physico-chimiques du ligand à profiler et de l’éventuelle cible. / Chemoinformatics and bioinformatics methods are now necessary in every drug discovery program. Pharmaceutical industries dedicate more than 10% of their research and development investment in computer aided drug design (Kapetanovic 2008). The emergence of these tools can be explained by the increasing availability of high performance calculating machines and also by the low cost of in silico analysis compared to in vitro tests.Biological tests that were performed over last decades are now a valuable source of information and a lot of databases are trying to list them. This huge amount of information led to the birth of a new research field called “chemogenomics”. The latter is focusing on the identification of all possible associations between all possible molecules and all possible targets. Thus, using chemogenomics approaches, one can obtain a biological profile of a molecule and even anticipate possible side effects.This thesis was focused on the development of approaches that aim to predict the binding of molecules to targets. In our lab, we focus on profiling molecular databases in order to get their full biological profile. Thus, my main work was related to this context and I tried to develop predictive models to assess the binding of ligands to proteins, to validate some virtual screening methods for profiling purpose, and finally, I developed an automatic hybrid profiling workflow that selects the best fitted virtual screening approach to use according the ligand/target context.

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Le transporteur NTT1 est responsable pour l'import d'ATP dans les chloroplastes afin de maintenir le métabolisme en période d'activité réduite ou nulle de la photosynthèse. Cependant, le mécanisme moléculaire de ce transporteur est encore méconnu, essentiellement du à la difficulté de manipulation des protéines membranaires. Nous avons réussi à développer un protocole pour la production de ce transporteur, permettant une bon rendement de solubilisation et obtention de protéines purifiées pour des études structurales. Combinant des caractérisations biochimiques et biophysiques, nous avons pu identifier des conditions de préparation d'échantillons qui ont mené aux premiers cristaux. Afin d'étendre notre connaissance sur les transporteurs de nucléotides, nous avons également entrepris des études structurales et fonctionnelles sur AAC, le transporteur ADP/ATP des mitochondries. AAC et NTT1 appartiennent à des familles de protéines différentes mais ont des fonctions voisines. À partir de la première structure d'AAC déjà connue, nous avons recherché par des criblages in silico de nouvelles molécules se liant au transporteur de façon compétitive avec le nucléotide et pouvant ainsi inhiber le transport. Les outils de docking ont été mis en place et ont permis à partir d'une librairie de 75000 composés d'identifier 17 molécules. Ensuite, nous avons testés ces molécules expérimentalement et montré qu'une d'entre elles inhibent le transport. De plus, trois nouveaux analogues d'ADP ont également été identifiés comme inhibiteurs. / Chloroplast NTT1 mediates external supply of ATP in the plastids, which is pre- requisite for the maintenance of plastid metabolism during limited or missing photosynthetic activity. However, their molecular mechanism remains poorly understood, primarily due to the difficulty of producing and purifying functional recombinant forms of these transporters. We have successfully developed a protocol for the production of this transporter, that is compatible for efficient solubilization and good yield of purified protein. Combining biochemical and biophysical analyses, we could characterize the protein solution and identify conditions from which first crystals could be obtained. To further extend our work with nucleotide transporter, structural and functional studies on mitochondrial ADP/ATP carrier (AAC) have been performed. AAC and NTT1 belong to different families but exhibit similar functional features. To discover small-molecule inhibitors of AAC's transport for structural studies, virtual docking of compounds was performed into the AAC active site, using the already known structure of AAC. Docking tools were installed and screening a large library of 75,000 compounds allowed the identification of 17 molecules. The experimental binding assay for AAC, revealed that one of the compounds has inhibitory activity in the micromolar regime. In addition, 3 novel ADP analogues showing inhibitory effect against ATP transport of AAC have also been identified.

Les données de séquençage des génomes ont révélé une nouvelle famille de protéines UPF0079, comprenant des protéines de fonction inconnue qui sont exclusivement et largement présentes chez les bactéries et qui possèdent un motif A de Walker dans leur séquence. La caractérisation biochimique et l'élucidation du rôle physiologique de cette famille contribueront à élargir nos connaissances en biologie fondamentale, et sont également un préalable vers le développement de nouveaux composés antimicrobiens. Notre étude sur YdiB, un archétype de cette famille chez Bacillus subtilis a révélé à la fois l‟autophosphorylation de YdiB et son activité de protéine kinase. L‟activité kinase de double spécificité Ser/ Thr et Tyr de YdiB semble nécessiter son oligomérisation et semble être stimulée par des molécules basiques telles que des polyamines naturelles ou la poly-L-lysine. Les 10 résidus les plus conservés chez cette famille ont été étudiés afin de mieux comprendre le mécanisme moléculaire de YdiB. Concernant la caractérisation fonctionnelle de la phosphorylation liée à YdiB, l‟étude de l‟opéron ydiA-B-C-D-E de B. subtilis nous a permis de montrer que YdiB et YdiC fonctionnent comme un couple de protéine kinase/phosphatase de deux protéines substrats dont les fonctions seraient liées aux ribosomes, YdiD et YdiE. Une co-localisation partielle entre YdiB et les ribosomes a été observée. En outre, YdiB est capable de phosphoryler des protéines ribosomiques appartennant aux deux sous-unités 50S et 30S, ainsi que deux GTPases impliquées dans la biogénèse des ribosomes, EngA et EngB. Nous avons également démontré que EngA phosphorylée par YdiB est un substrat in vitro de la phosphatase YdiC. Enfin, basé sur le phosphoprotéome de Bacillus subtilis, des peptides mimant des sites de phosphorylation in vivo ont été utilisés. Certains entre eux sont phosphorylés in vitro par YdiB. Deux de ces peptides appartiennent à la superoxyde dismutase, SodA, dont l'activité in vitro et après purification est régulée positivement via la phosphorylation par YdiB. Nous avons ensuite constaté que les cellules de B. subtilis dépourvues du gène ydiB sont plus sensibles aux agents oxidants tels que le paraquat ou la norfloxacine. Nous proposons que, in vivo, YdiB fonctionne comme une protéine kinase impliquée dans l‟activité et/ou la stabilité des ribosomes dans des conditions physiologiques normales, et YdiB contribuerait à protéger les cellules contre les dommages du stress oxydatif. / Genome sequencing data has revealed genes encoding uncharacterized protein family UPF0079 which are exclusively found in bacteria; broadly distributed in this kingdom and possess an ATP-binding motif in their sequences. Biochemical characterization and physiological role elucidation of UPF0079 will undoubtedly increase our fundamental biology knowledge, and also remain a prerequisite towards the development of new antimicrobial compounds. Our investigation on YdiB, an archetype of this family in Bacillus subtilis revealed both autophosphorylating and protein phosphotransferase activities. The dual-specificity Ser/Thr and Tyr kinase activity of YdiB seems to require oligomerization is upregulated by basic molecule activators such as natural polyamines or poly-L-lysine. The 10 most conserved residues were studied to gain insights into molecular mechanism of the kinase YdiB. To characterize the function of phosphorylation events linked to YdiB, starting with the B. subtilis ydiA-B-C-D-E operon we showed that YdiB and YdiC function as cognate protein kinase/phosphatase towards two ribosome-related protein substrates YdiD and YdiE. Some co-localization between YdiB and ribosomes were observed. Furthermore, YdiB is capable of phosphorylating both ribosomal 50S and 30S subunits as well as two ribosome-binding GTPases EngA and EngB. We also demonstrated that phosphorylated EngA by YdiB is an in vitro substrate of the phosphatase YdiC. Finally, based on the phosphoproteome pf Bacillus subtilis, peptides mimicking the in vivo phosphorylation sites were used. Some of them were found to be phosphorylated in vitro by YdiB, including two peptides which belongs to the superoxide dismutase SodA. The activity of purified SodA was then shown to be upregulated via phosphorylation by YdiB. We furthermore found that B. subtilis cells lacking ydiB become more sensitive to oxidative stress-causing agents such as paraquat or norfloxacin. We propose that in vivo, YdiB functions as a protein kinase involved in ribosome function in normal condition; and in protecting cells from oxidative stress damage.

Crystallography is from far the most contributing technique for the structure analysis of macromolecules at atomic resolution. In this thesis, instrumentation development issues to improve and accelerate experimental procedures for X-ray diffraction experiments are tackled. Indeed the preparation steps of protein crystals for X-ray diffraction data collection are the main causes of forming a bottleneck towards automated pipelines from protein crystallization to structure resolution. Firstly, an emerging method in today macromolecular crystallography is the room temperature in situ X-ray diffraction of protein crystal samples in their crystallization drops, with proven benefits in crystal screening and also structure resolution. However, it requires a great number of crystals to be centered and diffracted in a row. Thus a fully automated system providing a solution to this requirement is presented and assessed in this manuscript as one of the results of this PhD studies. Secondly, in this manuscript, studies and developments on automating harvesting, cryo-protecting and flash-cooling steps of protein crystals preparation for X-ray diffraction are reported, as well as assessment experiments and results. With a new robotic approach, crystals are manipulated with a micro-gripper on a 6-axis robotic arm to prepare and to analyze crystals with 360° rotation possibility for cryo-temperature single wavelength X-ray diffraction. Lysozyme and NikA Fe-EDTA protein crystals has been prepared and diffracted with this new method. Structural comparisons show no differences between the new methodology and the manual one, while robustness, repeatability and experimental time are significantly improved. At last, different integration scenarios of the presented methodologies, highlights their interest in fully automated macromolecular crystallography pipelines. / La cristallographie est la technique qui contribue le plus à l'analyse des structures des macromolécules biologiques à la résolution atomique. Dans ce manuscrit de thèse nous abordons des développements instrumentaux pour l'amélioration et l'accélération des étapes expérimentales dans la procédure de mesure de la diffraction aux rayons X. En effet, les étapes de préparation des cristaux de protéine à la diffraction aux rayons X constituent la cause principale du goulot d'étranglement dans les plateformes à haut débit de la cristallisation des protéines jusqu'à la résolution des structures. Premièrement, la diffraction in situ aux rayons X des cristaux à la température ambiante, dans les plaques de cristallisation, est une méthodologie émergeante dans la cristallographie des protéines avec des capacités bénéfiques dans le criblage des cristaux mais aussi dans la résolution de structures. Cependant, un grand nombre de cristaux devront être centrés puis analysés par la diffraction aux rayons X automatiquement l'un à la suite de l'autre. Ainsi, un système automatisé répondant à cette exigence est présenté et évalué dans ce manuscrit comme étant l'un des résultats des études menées au cours de cette thèse. Deuxièmement, des études et des développements d'automatisation des étapes d'extraction et de micromanipulation, de cryo-protection et de congélation rapide pour la préparation des cristaux à la diffraction aux rayons X sont décrits dans ce manuscrit, ainsi que les résultats des expériences et des évaluations. Avec une approche nouvelle, les cristaux sont manipulés grâce à une micro-pince montée sur un bras robotique 6-axes pour les préparer et les analyser avec la possibilité de rotation de 360° pour la diffraction aux rayons X à longueur d'onde constate et à température cryogénique. Des cristaux des protéines lysozyme et NikA Fe-EDTA ont été préparés et diffractés avec cette nouvelle méthode. La comparaison structurale ne montre pas de différence entre la nouvelle méthode et celle manuelle, cependant la robustesse, la répétabilité et le gain de temps d'expériences sont significativement améliorés. Finalement, différents scénarios d'intégration des méthodologies présentées, met en évidence leurs intérêts dans les plateformes tout automatisés de cristallographie des macromolécules biologiques.

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Les fibroblastes activés qui composent les stromas tumoraux sont des acteurs majeurs des interactions tumeur-stroma impliquées dans la croissance et la dissémination des cellules tumorales. Ce processus d'activation des fibroblastes est caractérisé par l'expression de marqueurs protéiques spécifiques parmi lesquels figure l'alphaSMA et FAPalpha;. Le TGFbeta;, cytokine secrétée massivement par les cellules tumorales, est un des éléments impliqués dans l'activation des fibroblastes et la formation du stroma tumoral qui en résulte. L'EMMPRIN, glycoprotéine transmembranaire surexprimée dans les cellules tumorales est également un médiateur des interactions tumeur-stroma puisqu'il a la capacité d'induire la synthèse des MMPs par les fibroblastes péri-tumoraux accroissant ainsi la propagation des cellules tumorales à travers l'organisme. Nos travaux identifièrent que le TGFbeta secrété par les cellules tumorales induisait la synthèse du marqueur FAPalpha par les fibroblastes. L'EMMPRIN stromal apparaît comme récepteur de ces signaux tumoraux et est nécessaire à la synthèse du marqueur FAPalpha; par les fibroblastes. L'EMMPRIN participe donc à l'activation TGFbeta; dépendante des fibroblastes. Son inhibition dans ces cellules conduit à un dysfonctionnement de la signalisation médiée par les protéines Smad2/Smad3 aboutissant à une diminution de la synthèse du marqueur alphaSMA ainsi que de certaines protéines matricielles induites par le TGFbeta. L'étude du mécanisme d'action de l'EMMPRIN dans ce processus a permis d'identifier l'EMMPRIN comme nouvelle protéine chaperonne du récepteur de type I au TGFbeta;. / Tumor stroma activated fibroblasts are major actors of tumor stroma interactions taking to tumor growth and spreading. Activated fibroblasts are characterized by the expression of specific markers including alphaSMA and FAPalpha;. The TGFbeta;, a cytokine highly secreted by tumor cells, is one of the key factors involved in fibroblast activation and tumor stroma formation. EMMPRIN, a transmembrane glycoprotein overexpressed in tumor cells, is also a mediator of tumor-stroma interactions by its ability to induce the synthesis of MMPs by peri-tumor fibroblasts enhancing then tumor cells dissemination across the organism.Here, we demonstrate that TGFbeta; secreted by tumor cells is the tumor factor involved in the synthesis of FAPalpha; by fibroblasts. Stromal EMMPRIN appeared to be the receptor of these tumor-stroma interactions and is required for the synthesis of FAPalpha; by fibroblasts. EMMPRIN was also evidenced to take part in TGFbeta;-dependent fibroblast activation. Its inhibition in these cells correlate to a dysfunction in Smad2/Smad3 signaling leading to a decrease in the expression of alphaSMA and matrix proteins induced by TGFbeta;. The study of the mechanism used by EMMPRIN in this process evidenced this protein as a new chaperone for the type I TGFbeta; receptor.

La modification posttranscriptionnelle des acides ribonucléiques (ARNs) est une étape de maturation conservée dans tous les domaines du vivant. Mes travaux de thèse ont porté sur la caractérisation fonctionnelle et structurale de flavoenzymes impliquées dans la modification des ARN de transfert (ARNt) : les dihydrouridines synthases (Dus) dictant la formation de dihydrouridine via la flavine mononucléotide (FMN) et TrmFO responsable de la méthylation en C5 de l'uridine 54 via la flavine adénosine dinucléotide (FAD) ainsi que le methylènetétrahydrofolate. Afin d'élucider le mécanisme de TrmFO, nous avons élaboré une apoenzyme grâce à une simple mutation qui est efficacement reconstituée in vitro. Nous avons chimiquement synthétisé l'intermédiaire catalytique qui consiste en un FAD-iminium comportant un methylène sur le N5 de l'isoalloxazine. Cette espèce synthétique a été caractérisée par spectrométrie de masse et absorption UV-visible. La reconstitution de TrmFO avec cette molécule restore l'activité in vitro sur un ARNt transcrit prouvant le rôle du FAD comme agent méthylant via une méthylation réductrice. Dus2 réduit spécifiquement U20 et est constituée d'un Dus domaine néanmoins, chez les mammifères un double-stranded RNA-binding domaine (dsRBD) est présent. Afin de comprendre la fonction de cette organisation modulaire, nous avons montré que seule l'enzyme sauvage est active contrairement aux domaines isolés. Nous avons résolu les structures cristallographiques des deux domaines suggérant une redistribution des charges positives en surface. Ce dsRBD dicte la reconnaissance de l'ARNt en se fixant à la tige acceptrice/Tpsi. Ceci est régulé par une extension N-terminal, mis en évidence par des mutations, des titrations RMN ainsi qu’une structure cristallographique en complexe avec un ARN de 22 nucléotides. Ce travail illustre l’acquisition d’un dsRBD au cours de l’évolution dont la fonction est étendu à la reconnaissance des ARNts. / Posttranscriptional modification of ribonucleic acids (RNAs) is a crucial maturation step conserved in all domains of life. During my thesis, I have brought structural and functional insights on flavoenzymes involved in transfer RNA (tRNA) modifications: dihydrouridine synthase (Dus) responsible for dihydrouridine formation using flavin mononucleotide (FMN) and TrmFO responsible for C5 methylation of uridine position 54 relying on flavin adenosine dinucleotide (FAD) and methylenetetrahydrofolate. To elucidate the chemical mechanism of TrmFO we designed an apoprotein via a single mutation that could be reconstituted in vitro with FAD. Furthermore, we chemically synthesized the postulated intermediate active species consisting of a flavin iminium harboring a methylene moiety on the isoalloxazine N5 that was further characterized by mass spectrometry and UV-visible spectroscopy. Reconstitution of TrmFO with this molecule restored in vitro activity on a tRNA transcript proving that TrmFO uses FAD as a methylating agent via a reductive methylation.Dus2 reduces U20 and is comprised of a canonical Dus domain however, mammals have an additional double-stranded RNA-binding domain (dsRBD). To bring functional insight for this modular organization, we showed that only full length human Dus2 was active while its isolated domains were not. tRNA recognition is driven by the dsRBD via binding the acceptor and TΨ stem of tRNA with higher affinity then dsRNA as evidenced by NMR. We further solved the X-ray structures for both domains showing redistribution of surface positive charges justifying the involvement of this dsRBD for tRNA recognition in mammalian Dus2. This was attributed to a peculiar N-terminal extension proven by mutational analysis and an X-ray structure of dsRBD in complex with 22-nucleotide dsRNA. Altogether our work illustrates how during evolution, Dus2 enzymes acquired an engineered dsRBD for efficient tRNA binding via a ruler mechanism.

Le développement d’un biomatériau contrôlant précisément le comportement de cellules souches serait un avantage considérable pour des applications de médecine régénératrice et d’ingénierie tissulaire. Actuellement, le vieillissement de la population mondiale est associé à de nombreux problèmes de dégénérescence des tissus, en particulier dans le contexte osseux. Le coût annuel des opérations chirurgicales orthopédiques pratiquées aux États-Unis s’élève à 8.2 milliards de dollars US. Afin de trouver des alternatives aux greffes traditionnelles, des biomatériaux mimant la physiologie osseuse ont été conçus. Une des stratégies consiste à préparer des matériaux biomimétiques en fonctionnalisant, par exemple, la surface des matériaux par des peptides dérivés des protéines d’adhésion de la matrice extracellulaire (ECM) tel que la fibronectine pour favoriser l’ancrage des cellules osseuses. D’autres molécules comme les protéines morphogénétiques osseuses (BMPs) jouent un rôle essentiel dans le processus physiologique de la réparation osseuse. Ces BMPs peuvent être combinées aux biomatériaux afin d’orienter la réponse des cellules osseuses et ainsi améliorer la régénération des tissus. L’utilisation de peptides dérivés des BMPs, 300 fois moins dispendieux, ajoute un avantage considérable dans le développement des matériaux biomimétiques. En outre, des relations croisées entre les récepteurs cellulaires des protéines de l’ECM et ceux des BMPs peuvent influencer la signalisation et la différenciation des cellules osseuses, d’où l’intérêt de fonctionnaliser les biomatériaux non seulement avec des molécules d’adhésion, mais aussi avec des BMPs ou leurs peptides dérivés. Dans ce projet, un biomatériau biomimétique de 3eme génération a été développé afin de permettre l’adhésion et l’orientation des cellules souches vers la lignée ostéoblastique. L’étude a consisté à analyser le potentiel de la co-immobilisation d’un peptide d’adhésion dérivé de la fibronectine (pFibro) et d’un peptide dérivé de la BMP-9 (SpBMP-9) sur un film de polycaprolactone (PCL). L’utilisation d’un peptide négatif du SpBMP-9, le NSpBMP-9, a permis de vérifier les effets synergiques potentiels de cette co-immobilisation. Dans un premier temps, l’attachement et l’organisation du cytosquelette des cellules ont été déterminés par un immunomarquage des protéines du cytosquelette. Puis la cinétique d’activation de la voie de signalisation Smad impliquée dans la différenciation ostéoblastique a été analysée par immunobuvardage de type Western. Afin de vérifier la différenciation des cellules souches vers un phénotype défini, l’expression de gènes codant pour des marqueurs de différenciation ostéogénique (Runx2, Ostérix), chondrogénique (Sox9) et adipogénique (PPARγ) a également été évaluée par des immunobuvardages de type Western. Ce projet de recherche a amélioré les connaissances actuelles sur les interactions entre les biomatériaux co-fonctionnalisés par des peptides d’adhésion et dérivés de la BMP-9 et les cellules osseuses, afin de potentialiser les propriétés ontéoconductive, ostéointégrative et ostéoinductive essentielles pour obtenir un matériau biomimétique efficace.

Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished