Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette étude est consacrée à l'analyse des propriétés électrostatiques et structurales des protéines diffractant à haute résolution. Les travaux se déclinent en deux aspects principaux qui sont, d'une part, l'analyse d'un point de vue fondamental des propriétés dérivées de leur distribution de charge des structures des protéines, et, d'autre part, l'application pratique des méthodes de la cristallographie haute résolution des macromolécules à deux enzymes.Grâce à une analyse structurale et électrostatique de la protéine PfluDING, le mode de fixation du phosphate a été mis en évidence à deux pH différents. En particulier, cette étude a permis de démontrer la présence d'une liaison hydrogène diffuse assurant un mode de fixation identique quelque soit le pH. La seconde enzyme étudiée est la protéine DFPase, capable de dégrader les organophosphorés. La structure de la DFPase obtenue par diffraction X haute résolution et la structure affinée contre des données neutroniques ont été comparées. L'analyse pointe les différences d'interprétation des deux modèles, et permet de proposer un nouveau mécanisme d'action.Les aspects plus fondamentaux de cette étude portent sur les éléments de structure secondaire des protéines : leurs propriétés électrostatiques en termes de moments électriques (moments dipolaires et quadripolaires des hélices et des feuillets), et le réseau des interactions (dont les liaisons H) assurant la cohésion des hélices ont été analysés. Il a été démontré comment certaines interactions entre liaisons peptidiques au sein d'hélices, classiquement représentées comme des liaisons hydrogène, devaient être considérés comme des contacts purement électrostatiques / This study is about the electrostatic and structural properties of proteins diffracting at high X-ray resolution. Two different aspects are tackled which are 1) the analysis of properties derived from their charge distribution, parting from a fundamental point of view and 2) the application of methods used in high resolution macromolecular crystallography to two enzymes of major interest.After the analysis of the structure and electrostatic properties of PfluDING protein, the binding mode of a phosphate ion, located in the active site, was elucidated at two different pH values. Particularly, this study demonstrates that a diffuse hydrogen bond assures the protonation state of the phosphate ion, which is thus identical at each pH value. The second enzyme studied is the proteine DFPase which is capable of hydrolysing nerve agents. A high resolution X-ray structure and a medium resolution neutron structure where compared. The analysis points out the differences between the two models and a new catalytic mechanism could be proposed.The more fundamental aspects of this study are about the secondary structural elements of proteins: their electrostatic properties in terms of electrostatic moments (dipole and quadrupole moments of helices and sheets) as well as the hydrogen bond network assuring the cohesion of helices have been analyzed. It has been shown that certain interactions between peptide units within helices, represented usually as hydrogen bonds, should actually be considered as pure electrostatic contacts

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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La croissance de la population mondiale et l'évolution des habitudes alimentaires dans tous les pays vers une plus grande consommation d'aliments à base de protéines augmentent les préoccupations à l'échelle planétaire en ce qui concerne le risque de pénurie de protéines. Ceci est à son tour un facteur qui encourage la nécessité de mener des recherches approfondies et structurées pour trouver de nouvelles sources de protéines durables et de mieux valoriser les protéines existantes. Cependant, certaines protéines, notamment de source végétale, sont caractérisées par de médiocres propriétés fonctionnelles et ne permettent pas d'obtenir les aspects techno-fonctionnels souhaités dans les systèmes alimentaires. Afin de remédier à cet inconvénient, l'application de traitements alcalins pour modifier ces protéines et les transformer en ingrédients fonctionnels suscite un grand intérêt depuis quelques années. Ainsi, le présent projet a été réalisé dans un objectif d'utiliser la technologie d'électro-activation en solution comme traitement innovant, original et efficace pour une valorisation intégrale des ingrédients du lactosérum. En effet, le lactosérum en tant que co-produit de la production fromagère contient des composants de haute valeur nutritionnelle et technologique, notamment les protéines, mais aussi le lactose qui peut être utilisé pour produire des sucres à haute valeur ajoutée comme le lactulose qui est un prébiotique reconnu. La première étape de ce travail visait à déterminer l'impact du traitement d'électro-activation alcaline (EA) sur les propriétés physico-chimiques et fonctionnelles du lactosérum doux. L'impact de l'EA alcaline sur la solubilité des protéines, le moussage et les caractéristiques émulsifiantes du lactosérum a été également étudié. Le procédé de l'EA a amélioré la solubilité des protéines dans la plage de pH de 4,0 à 7,0. Contrairement aux échantillons de lactosérum non traités, qui formaient des émulsions micrométriques et instables à pH 3, les échantillons de lactosérum EA produisaient des émulsions nanométriques et stables à ce pH. De plus, bien que le lactosérum non traité et le lactosérum EA produisaient des émulsions stables à pH 7, les émulsions préparées avec le lactosérum EA avaient des tailles de particules plus petites et étaient plus stables contre la floculation des gouttelettes. Le lactosérum traité à l'EA avait tendance à générer des mousses avec un foisonnement et une stabilité significativement plus élevée. La présente étude a démontré que l'EA pouvait améliorer la fonctionnalité du lactosérum doux. Les protéines végétales sont de plus en plus populaires en raison de leurs bienfaits pour la santé et de leur durabilité. Cependant, comparativement aux protéines animales, les protéines végétales comme celles de canola ont une faible solubilité et des propriétés techno-fonctionnelles qui doivent être améliorées, ce qui les rend inefficaces en tant qu'ingrédients dans la formulation de différents aliments. Ainsi, dans le cadre du présent projet, le deuxième volet consistait à mener des études pour produire des protéines de canola solubles et fonctionnelles par complexation avec des protéines de lactosérum en utilisant la technologie d'électro-activation (AE) en solution. Les résultats obtenus ont permis de démontrer que la présence de lactosérum lors du traitement alcalin par EA de la solution de protéines de canola provoquait des interactions structurelles entre les protéines du lactosérum et les protéines de canola, conduisant au développement de nouveaux complexes de protéines qui sont caractérisés par un haut degré de solubilité et des propriétés émulsifiantes et gélifiantes nettement plus élevées que l'échantillon de canola non traité ou celui ayant subi un traitement par EA. En plus, par rapport aux protéines de canola non traitées qui présentaient une solubilité des protéines inférieure à 25 %, une faible capacité moussante, ainsi qu'une faible capacité d'émulsification et de gélification, les mélanges de canola/lactosérum traités par l'EA ont montré une solubilité des protéines d'environ 100 %, une capacité moussante de 300 %, une capacité de former des émulsions stables pendant 30 jours. Le troisième volet de ce projet a permis de démontrer que le traitement par électro-activation cathodique du lactosérum et des protéines de canola a permis de former un complexe qui est caractérisé par un fort pouvoir de gélification, ce qui constitue une contribution significative à l'amélioration du potentiel d'une co-utilisation des protéines de canola et du lactosérum pour la formulation d'aliments de type gel. Finalement, ce projet a apporté une contribution significative à l'avancement des connaissances sur le potentiel d'utilisation de la technologie d'électro-activation en solution pour la modification alcaline des protéines de lactosérum et du canola en vue d'améliorer leurs propriétés techno-fonctionnelles et de les utiliser comme ingrédients dans la formulation des aliments. En plus, il a été démontré que les traitements alcalins par électro-activation en solution peuvent être utilisés comme méthodes d'alcalinisation sans produits chimiques pour améliorer la solubilité et les propriétés fonctionnelles des protéines de canola et de leur mélange avec le lactosérum. / The growth of the world population (over 30% of the existing 7.5 billion people estimated by 2050) and shifts in global eating patterns towards higher consumption of protein-based foods increase worldwide concerns on protein shortage and encourage extensive research to find new sustainable protein sources, which encourages research to recover protein from sustainable sources and valorization of existing protein sources. However, some proteins show poor functionalities in food systems and fail to provide expected functionality in food systems. The application of alkaline treatments to modify these proteins to convert them into functional ingredients has aroused great interest in recent years. The purpose of this study was to explore the electro-activation technology as an innovative alkalinity method to characteristically valorize whey components. Whey as a by-product of cheese and casein manufacturing contains several valuable components, which have demonstrated promising biological and functional properties. The first step of this work aimed to determine the impact of alkaline electro-activation (EA) treatment on physicochemical and functional properties of sweet whey. The impact of alkaline EA on the protein solubility, foaming, and emulsifying characteristics of whey was investigated. The EA process improved the protein solubility at the pH range of 4.0-7.0. In contrast to untreated whey samples, which formed micron-sized and unstable emulsions at pH 3, EA-whey produced nano-sized and stable emulsions at this pH. EA-treated whey tended to generate foams with significantly higher over run and stability. This study demonstrated that EA could enhance the protein solubility of functionality of sweet whey. Further studies were carried out to produce highly soluble and functional canola proteins through pH shifting-driven complexation with whey proteins by chemical-free alkaline electro-activation. Plant proteins are becoming more popular due to their health benefits and sustainability. Compared to animal proteins, canola proteins have poor solubility and functionality, which make them in effective in food formulation. In the second part of the study, whey protein and canola protein were grafted together to create soluble protein composite with superior functionality. Sweet whey was used as a low-price source of animal protein to modify the canola proteins. It was found that the alkaline EA treatment was very effective in functionality improvement of both canola protein alone solution and their mixtures. Further more, the results suggested the presence of whey during the alkaline EA treatment of canola protein solution caused the structural alteration of canola proteins, and formation of protein particles with smaller size and higher surface charge. It resulted in the creation of novel composites proteins with superior solubility and emulsifying properties compared to the EA-treated canola alone sample. This enhanced solubility and emulsifying properties was concluded to be a result of lactose grating on the protein backbone of canola proteins. The overrun of canola protein alone solution increase from 100% to more than 500% after EA-treatment. However, the presence of whey in the EA-treated whey/canola protein solution slightly decreased the foam over run of the sample compared to EA-treated canola alone sample, possibly due to grafting lactose onto the surface of the proteins, resulting in a lower protein surface hydrophobicity. This study showed that the alkaline EA treatment was an effective process to enhance the solubility and functionality of canola proteins and their mixture with whey. In third part of the study, the consequences of alkaline electro-activation (EA) treatment on the flow behavior and gelling properties of canola protein and the mixture of sweet whey/canola protein. Canola protein alone (C) and whey/canola protein mixed suspensions (CW) were treated in an alkalizing electro-activation reactor and then naturalized to neutral pH. The alkaline EA treatment resulted in the production of small aggregates crosslinked by disulfide and covalent bonds. The gelation experiments showed that the EA-treated canola protein and whey/canola protein samples had a superior capacity to develop an integrated gel structure with higher mechanical and rheological properties and improved water holding capacity compared to the untreated samples. Characterization of interactions involved in the gel network structure suggested that the strong covalent interactions played a prominent role in the network of these EA-treated samples. The SDS-PAGE pattern of the gels made from EA-treated canola protein and whey/canola protein samples confirmed the presence of intensive protein polymerization through covalent crosslinking in these gels. The results of this part of the study suggest that the alkaline EA treatment is an effective tool for improving the gelation properties of canola proteins and producing whey/canola protein composite gels with improved functionality. Taken together, the current study showed that alkaline EA treatments can be used as chemical-free alkalinization methods to enhance the solubility, emulsifying and foaming properties, and gelation capacity, sweat whey, canola protein, and the mixture whey and canola protein.

Au sein de l'ensemble des protéines Argonautes codées par les génomes des organismes métazoaires, certains membres de cette famille de protéines ont conservé des acides aminés importants pour l'activité endonucléasique. La signification fonctionnelle de ces résidus (composés des résidus DDH), pour les Argonautes spécifiques des miARN chez les animaux, est encore inconnue puisque le ciblage des ARNm par les miARN ne provoque pas de clivage site spécifique comme c'est le cas pour les siARN. In vitro, nous avons mis en évidence, chez le nematode C. elegans, que les protéines Argonautes spécifiques aux miARN, ALG-1 et ALG-2, conservant ce motif, possèdent une activité de clivage similaire à celle impliquée dans la voie des si ARN. Nous démontrons également que les protéines Argonautes ALG-1 et ALG-2 ont la capacité de lier et d'utiliser comme substrats différents duplexes de courts ARN, similaires aux duplexes de miARN produits par l'enzyme DCR-1. Les Argonautes ALG-1 et ALG-2 sont capables de coupure endonucléolytique sur ces duplexes, lorsque le degré de complémentarité entre les deux brins le permet, et de séparer les deux brins d'un duplex de courts ARN contenant des mésappariements. In vivo, l'activité endonucléasique de ALG-1 ou ALG-2 est essentielle pour la voie des miARN, et la perte de cette activité conduit à une accumulation des précurseurs de miARN tronqués et une altération de la formation de miRISC fonctionnel. Prises dans leur ensemble, nos données indiquent que l'activité endonucléasique des protéines Argonaute ALG-1 ou ALG-2 contribue à la maturation des miARN chez le nematode C. elegans.

Chez la levure Schizosaccharomyces pombe (S. pombe), la voie de l'interférence à l'ARN (iARN) est un mécanisme endogène de régulation génique transcriptionnelle et posttranscriptionnellc médié par de petits acides ribonucleiques (ARN) non-codants générés par la ribonucléase III Dicer (Dcrl). Le rôle et la fonction de Dcrl, cependant, demeure méconnus. Une étude réalisée au laboratoire a précédemment permis l'identification, par une analyse en spectrométrie de masse, de la protéine Byr3 dans des immunoprécipitats de Dcrl. Cette observation suggère la possibilité que Byr3 interagisse avec Dcrl et qu'elle soit impliquée dans la voie de l'iARN. L'homologue de Byr3 chez l'humain est la protéine CNBP, « ccllular nuclcic acid binding protein ». L'interaction entre CNBP et Dicer est donc également envisageable. L'objectif principal de mon travail est de déterminer si la protéine Byr3 et son homologue humain peuvent interagir avec la ribonucléase Dicer, et ainsi être impliquées dans la voie de l'iARN. Chez S. pombe, la création de lignées mutées et d'outils moléculaires a permis d'étudier la protéine Byr3. Chez l'humain, des approches de microscopic par immunofluorescenec et de co-immunoprécipitation (co-IP) ont permis de définir une interaction entre la CNBP et Dicer. Notre travail pave la voie à une caractérisation plus approfondie de l'importance et de la signification de l'interaction entre Byr3 et Dcrl dans la voie de l'iARN / In the fission yeast Schizosaccharomyces pombe (S. pombe), the RNA interference (RNAi) pathway is an endogenous mechanism of transcriptional and posttranscriptional gene regulation by non-coding small ribonuclcic acids (RNAs) generated by the ribonuclease III Dicer (Dcr1). The role and function of Dcr1 though remains unclear. A previous study in our laboratory allowed the identification, by mass spectroscopy, of the Byr3 protein in Dcr1 immunoprecipitates. This observation suggests the possibility that Byr3 interacts with Dcr1 and is involved in the RNAi pathway. The main objective of my project was to define whether Byr3 and its human homolog, the cellular nucleic acid binding protein, (CNBP), can interact with the ribonuclease Dicer and be implicated in the RNAi pathway. In S. pombe, the creation of mutated strains and molecular tools allowed the study of the protein Byr3. In the human cellular model, methods of immunofluorescence microscopy and co-immunoprecipitation allowed the delineation of an interaction between CNBP and Dicer. Our study paves the way to an in-depth characterization of the importance and significance of the interaction between Byr3 and Dcr1 in the RNAi pathway.

Les cassures double-brin (CDBs) de l’ADN sont généralement néfastes pour la cellule, toutefois il existe une exception importante à cette règle. Chez la levure et les autres eucaryotes, Spo11 (ou Rec12 chez S. pombe) est décrit comme étant capable de créer des CDBs, bris de l’ADN nécessaire à l’initiation de la recombinaison méiotique. Des analyses génétiques et bioinformatiques ont démontré que les homologues de Spo11 lient l'ADN double-brin sous la forme d’un dimère. Leur activité topoisomérase permet d’ailleurs de cliver l’ADN pour générer des intermédiaires ADN-protéine transitoires et covalents. Cependant, cette observation a été mise en doute par les biochimistes, mais aussi par le fait qu'il est extrêmement difficile de purifier les protéines Spo11 dans des conditions natives. Pour mieux comprendre comment Schizosaccharomyces pombe Spo11 (Rec12) génère des CDBs, nous avons établi un protocole de purification par triple affinité et effectué des essais in vitro permettant de montrer le rôle de Spo11 dans la formation de CDBs. Nous avons également purifié Rec12 - Y98F (mutant catalytique) et Rec12 - G202E (mutant de liaison à l'ADN). La protéine Rec12 s’avère être capable de catalyser la formation de CDBs de l'ADN superenroulé alors que les mutants Rec12-Y98F et Rec12-G202E sont inactivés. En accord avec l'accumulation de Spo11 aux CDBs durant la méiose, nous observons que Rec12 possède plusieurs sites de liaison à l’ADN préférant l'ADN 5'-protubérant à l'ADN 3’-protubérant. Nous avons également analysé biochimiquement le mécanisme par lequel Rec12 est enlevé des CDBs par la nucléase Rad32 (Mre11). Certains des résultats présentés ont été confirmés à l'aide Spo11 humain et de S. cerevisiae. Le rôle des activités endo- et exonuclease du complexe MRE11 - RAD50 - NBS1 (MRN) dans la régulation de la voie de réparation des CDBs par l’utilisation d’inhibiteurs (endo ou exo) spécifiques à la structure de MRE11 sera discuté. En somme, nos résultats démontrent que Rec12 est responsable de la formation de CDBs et que cette activité est régulée par plusieurs domaines de liaison à l'ADN. Cette étude représente une première analyse de la fonction biochimique de Spo11 chez la levure et l’humain dans des conditions natives. / Double-strand breaks are generally harmful to the cell, although there is an important exception to this rule. In yeast and other eukaryotes, Spo11 (or S. pombe Rec12) is known to create double-strand DNA breaks (DSBs), which are important to initiate meiotic recombination. Genetic and bioinformatic analyses proposed that Spo11 homologues bind double-strand DNA as a dimer and cleave the DNA by a topoisomerase-like reaction to generate transient, covalent protein-DNA intermediates. However, this view has been challenged by biochemists, but also by the fact that it is extremely difficult to purify proteins Spo11 under native conditions. To understand how Schizosaccharomyces pombe Spo11 (Rec12) generates double-strand breaks, we established a protocol for triple affinity purification. We performed in vitro assays, reminiscent of the function of Spo11 in DSB formation. The resulting purified Rec12 was pure as judged by Sypro staining. We also purified Rec12-Y98F (catalytic mutant) and Rec12-G202E (DNA binding mutant). Purified Rec12 catalysed double-strand break formation on supercoiled DNA whereas Rec12-Y98F and Rec12–G202E were inactivated. Rec12 showed activity on supercoiled DNA but not in short double-stranded DNA oligonucleotides. We mapped the possible DNA binding motifs on Rec12. Using purified mutants, we biochemically confirmed that Rec12 contains multiple DNA binding sites. Rec12 binds 5’-tailed DNA but not 3’-tailed DNA, which is reminiscent of the accumulation of Spo11 on meiotic DNA double-strand breaks. We also analyzed biochemically how Rec12 is removed from DSBs by the Rad32 (Mre11) nuclease to produce single-strand overhang that can undergo DNA recombination. Some of the results presented were also confirmed using human and S. cerevisiae Spo11. We also discuss how endo- and exonuclease activities of MRE11-RAD50-NBS1 (MRN) complex regulates double-strand break repair pathway choice. By using structure-based designed MRE11 endo- or exonuclease inhibitors we represented here specific nuclease roles in DSB repair. Altogether, our results indicate that Rec12 is responsible for the formation of double-strand breaks, an activity that is regulated by multiple DNA binding sites. This study represents a first glimpse of the biochemical function of yeast or human Spo11 under native conditions.

"Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l'Université Laval comme exigence partielle du programme de maîtrise en Médecine Expérimentale offert à l'Université du Québec à Chicoutimi en vertu d'un protocole d'entente avec l'Université Laval pour l'obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.)" / Huntingtin interacting protein-1 (HIP1) et Huntingtin interacting protein-1-related (HIP1R) ont été identifiées comme des protéines intervenant dans l’endocytose médiée par les vésicules de clathrine par leurs interactions avec d ’autres protéines endocytaires. Pour mieux comprendre les rôles attribués à HIP1/R dans cette machinerie, nous avons procédé à l’identification de nouveaux partenaires d ’interaction. Au cours de notre étude, nous avons identifié HSC70 (Heat-shock Cognate Protein70) comme un nouveau partenaire pour les domaines TALIN des deux protéines par des essais de pull-down et analyse par spectrométrie de masse. Au cours de cette étude nous avons identifié également que l’association d ’HSC70 avec le domaine TALIN d ’HIPIR, compromet sa sédimentation avec les filaments d ’actine. HIP1R est une composante du manteau de clathrine, son interaction avec HSC70 l’a impliquée dans le démantèlement des vésicules. Dans cette étude, nous avons vérifié l’intervention d ’HIPIR dans le démantèlement de la clathrine suite à son interaction avec HSC70 et la relation de ce mécanisme avec la perte d ’interaction avec l’actine.

Chez les eucaryotes, les microARN sont de courts ARN non codants régulant les gènes essentiels pour le développement et la différenciation cellulaire. Parmi les facteurs cellulaires clés de cette voie métabolique, on retrouve les RNAses de type III Drosha et Dicer, ainsi que les protéines Argonautes ALG-1 et ALG-2 chez C. elegans. Dans le but de mieux caractériser l’implication des protéines Argonautes dans la voie des microARN, nous avons utilisé deux approches différentes. Premièrement, nous avons étudié la liaison de la protéine Argonaute ALG-1 aux microARN chez C. elegans en fonction du stade développemental, et ce par analyse par micropuce des microARN associés avec ALG-1. Cette étude nous a permis de remarquer que ALG-1 lie la majorité des microARN, mais non la totalité, et ce, de façon très importante aux stades développementaux tardifs. Deuxièmement, nous nous sommes intéressés à l’identification d’interacteurs génétiques d’alg-2. Nous avons donc réalisé un criblage génétique basé sur la létalité synthétique avec le gène alg-2. Ainsi, lorsque le gène synthétique létal est muté simultanément avec alg-2, tel qu’observé avec alg-1, la double lésion induit la mort de l’animal. De ce criblage, nous avons isolé 11 mutants, classés en 5 groupes de complémentation. Par l’utilisation de techniques de cartographie génétique, nous avons localisé la mutation chez le candidat sla-1 sur le chromosome V, entre les positions génétiques de -12.7 et -3.65. / In eukaryotes, microRNAs are small non-coding RNAs which have the role of regulating genes essential for development and cellular differentiation. Beside the RNAse III family members (Drosha and Dicer) and the Argonaute proteins ALG-1 and ALG-2 in C. elegans, essential components of this gene regulation pathway are still not uncovered. In order to characterize the implication of Argonaute proteins ALG-1 and ALG-2 in microRNA pathway, we used two approaches. First, we studied the interaction between microRNA and ALG-1 during worm development by microarray analysis of microRNA associated to ALG-1. From this analysis, we observed that the majority, but not the totality, of microRNA are associated to ALG-1, mostly at early developmental stages. Secondly, to identify new components of microRNA pathway, we conducted a genetic screen to identify new interactors of alg-2. Our screen is based on the synthetic lethality feature of alg-2 and alg-1 genes. In absence of both genes, the animal can not survive. With this synthetic lethal screen, we want to identify new genes that work in synergy with alg-2, like alg-1, interacting in the same genetic pathway. The worms have been mutagenized and 11 mutants, classified in 5 complementation groups, have been collected. By using various mapping techniques, we localized the mutation on mutant sla-1(qbc1) on chromosome V, between the genetic positions of -12.7 and -3.65.