Un mécanisme évolutif très important pour l'acquisition de nouvelles fonctions protéiques est la duplication génique. Les protéines paralogues résultantes subissent une divergence fonctionnelle permettant à leur gène d'être retenus dans le génome. Les événements de duplication étant à l'origine de l'expansion de la famille des domaines SH3, une compréhension de la divergence des propriétés de liaison de ceux-ci sur les protéines paralogues est essentielle pour saisir leur implication dans diverses fonctions cellulaires. La liaison des domaines SH3 peut être très spécifique ou elle peut reconnaître des groupes canoniques de peptides riches en proline. Ainsi, l'objectif de ce projet de maîtrise est d'améliorer notre compréhension sur l'évolution des propriétés de liaison des domaines SH3 portés par des paralogues. En utilisant des données sur les interactions physiques entre les protéines in vivo, nous avons établi que les domaines SH3 des myosines de type I de Saccharomyces cerevisiae, un organisme modèle, montraient une divergence fonctionnelle. Puis, les domaines SH3 ont été échangés entre les paralogues et les domaines ancestraux pré-duplications ont été insérés dans les paralogues. Cette expérience a révélé que le domaine SH3 présent au moment de la duplication montre le même profil d'interaction que les SH3 existants, mais que les SH3 plus anciens perdent graduellement leurs interactions. Ensuite, l'arrimage moléculaire des SH3s avec leurs peptides de liaison prédits ainsi que la caractérisation des interactions des SH3s libres montrent que l'affinité ne diminue pas avec le domaine ancestral. Ces résultats sont confirmés par le patron de PPIs des domaines SH3 libre de contexte protéique. Cela a permis de déterminer que la propriété de liaison n'est pas le facteur principal qui influence sur les interactions des domaines SH3 présent sur des paralogues, mais que c'est leur protéine hôte. Nos résultats s'accordent avec la recherche récente qui suggère que les domaines protéiques ne sont pas des éléments isolés dans une protéine, contrairement à la croyance répandue. / A very important evolutionary mechanism for the acquisition of new protein functions is gene duplication. The resulting paralogous proteins undergo functional divergence allowing them to be retained in the genome. Since duplication events are responsible for the expansion of the SH3 domain family, an understanding of the divergence of the binding properties of SH3 domains on paralogous proteins is essential to grasp their involvement in various cellular functions. The binding of SH3 domains can be very specific or it can recognize canonical groups of proline-rich peptides. The objective of this master project is to improve our understanding of the evolution of the binding properties of SH3 domains carried by paralogs. Using data on physical interactions between proteins in vivo, we established that the SH3 domains of the type I myosins from Saccharomyces cerevisiae, a model organism, show functional divergence. Then, the SH3 domains were exchanged between paralogs and the pre-duplication ancestral domains were inserted into the paralogs. This experiment showed that the SH3 domain at the time of duplication displays the same interaction profile as the extant SH3s, but, as the SH3s get older, they gradually lose their interactions. Next, molecular docking of the SH3s with their predicted binding peptides and characterization of the free SH3s PPIs shows that the affinity does not decrease with the ancestral domain. Those results are confirmed by the PPI network of the SH3 domains free of a protein context. These experiments determined that the host protein is the primary factor influencing paralogous SH3 domain interactions instead of the SH3 binding preferences. Our results are consistent with recent research suggesting that protein domains are not isolated elements in a protein, contrary to popular belief.

Mycobacterium tuberculosis atteint le tiers de la population mondiale et cause plus de 1.5 millions de décès chaque année. L’augmentation des infections chez les patients immuno-compromis et l’émergence d’infections à de nouvelles souches multirésistantes aux antibiotiques somme la communauté scientifique à la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques ainsi qu’au développement de nouveaux antibiotiques, vaccins et thérapies. Parmi les ~ 4000 gènes du génome de Mycobacterium tuberculosis, un d’entre eux, glbN, code pour l’hémoglobine tronquée N. Les hémoglobines sont de petites métalloprotéines qui fixent réversiblement l’oxygène et qui effectuent plusieurs activités catalytiques importantes. Ainsi, nos recherches s’inscrivent dans le cadre d’une approche biochimique qui vise à définir une fonction pour l’hémoglobine tronquée N de Mycobacterium tuberculosis à l’aide de techniques biochimiques modernes et de la spectroscopie à flux-arrêté. Nos recherches nous amènent également à résoudre la structure tridimensionnelle du complexe oxygéné de trHbN, à caractériser les interactions protéines-ligands au site actif de l’hémoglobine et à définir leurs rôles dans l’établissement du potentiel fonctionnel de l’enzyme en utilisant les spectroscopies d’absorption, de résonance Raman et de diffraction des rayons X. Nous avons découvert que l’activité rapide et efficace de détoxication aérobie du •NO de l’hémoglobine tronquée N mesurée chez Mycobacterium bovis BCG pourrait remplir un rôle similaire chez Mycobacterium tuberculosis et permettre la persistance de l’infection tuberculeuse dans l’hôte par la prévention des effets cytotoxiques associés au •NO et à ses dérivés réactifs azotés. De plus, l’architecture et la polarité du site actif de l’hémoglobine tronquée N définissent le potentiel fonctionnel de la protéine et contrôlent la diffusion, la fixation, la stabilisation, l’activation des ligands coordonnées au fer de l’hème et assurent le maintien d’une activité catalytique rapide et efficace. Finalement, nos découvertes suggèrent que l’hémoglobine tronquée N pourrait constituer une nouvelle cible thérapeutique pour le développement éventuel de drogues inhibitrices qui inactiveraient la première ligne de défense du parasite et perturberaient son adaptation métabolique face aux stress oxydatifs. / Mycobacterium tuberculosis infects over one-third of the human population, causing 1.5 millions deaths each year. The increase incidence of infections among immunocompromised patients and the emergence of strains with resistance to multiple antibiotics urge the scientific community to discover new therapeutic targets as well as develop new antibiotics, vaccines and therapies. Among the ~ 4000 genes that compose the genome of Mycobacterium tuberculosis, one of them, glbN, encodes the truncated hemoglobin N. Hemoglobins are small metalloproteins that reversibly bind oxygen and perform a wide array of important catalytic activities. Thus, our research aims at defining a function for Mycobacterium tuberculosis truncated hemoglobin N using modern biochemical techniques and stopped-flow spectroscopy. Our research also leads us to solve the three-dimensional structure of the oxygenated complex of trHbN, characterize the proteins-ligands interactions within the active site of the hemoglobin and define their roles in establishing the functional potential of the enzyme using absorption, resonance Raman and x-rays diffraction spectroscopies. We discovered that the fast and efficient •NO detoxification activity of truncated hemoglobin N measured in Mycobacterium bovis BCG could fulfill a similar role in Mycobacterium tuberculosis and allow the persistence of the tuberculous infection in the host by preventing the cytotoxic effects associated with •NO and its reactive nitrogen derivatives. Moreover, the architecture and polarity of truncated hemoglobin N active site define the functional potential of the protein and control the diffusion, binding, stabilization, and activation of the heme-iron coordinated ligands and ensure the maintenance of a fast and efficient catalytic activity. Finally, our discoveries suggest that truncated hemoglobin N could constitute a new therapeutic target for the development of inhibitors that would inactivate the first line of defence of the parasite and disturb its metabolic adaptation to nitrosative stresses.

L'éventail thérapeutique utilisé en chimiothérapie antitumorale fait appel à des molécules ayant un indice thérapeutique limité dû à leur faible sélectivité d'action. C'est pourquoi nous développons au laboratoire de nouvelles approches pour guider la conception d'agents antitumoraux plus sélectifs. Cette approche s'intègre dans un design rationnel de ligands de l'ADN qui inhibent l'activité de liaison à l'ADN de facteurs de transcription afin de réguler l'expression de certains gènes.<br />Les dérivés DB, retenus pour cette étude, sont des molécules synthétisées par les Prs David Boykin et David Wilson (Atlanta) qui se fixent sur des séquences spécifiques dans le petit sillon de l'ADN. Ainsi, le composé diphényl-furane DB75 se lie en monomère à des séquences riches en paires de bases AT, alors que le dérivé phényl-furane-benzimidazole DB293 reconnaît la séquence 5'-ATGA en dimère. Cette reconnaissance «séquence-spécifique» pourrait cibler spécifiquement des interactions ADN-facteurs de transcription impliquées dans la régulation des gènes et la prolifération cellulaire.<br />Dans cette optique notre travail a été de déterminer la spécificité d'interaction à l'ADN de nouvelles molécules et d'en évaluer leur distribution cellulaire afin de pouvoir, dans un second temps, étudier la modulation de la liaison à l'ADN de facteur de transcription après fixation des dérivés.<br />Ainsi, nous nous sommes tout d'abord intéressés à la distribution cellulaire des composés DB dérivant du DB75 et du DB293 afin de déterminer s'ils pénètrent efficacement dans la cellule et se dirigent vers l'ADN nucléaire. Les résultats obtenus valident ceux publiés précédemment (Lansiaux et al., 2002a, 2002b) et montrent le faible impact des modifications du corps polycyclique sur la distribution des composés DB. Ainsi, les composés diphényl-furanes substitués sur le cycle furane, pénètrent efficacement dans le noyau alors que seules certaines substitutions sur les groupements phényles empêchent la molécule de pénétrer dans le noyau. Les conséquences cellulaires sont surprenantes puisque ces derniers composés présentent une très bonne cytotoxicité. Dans un second temps, nous avons étudié la spécificité et l'affinité de ces dérivés pour l'ADN. Nous avons ainsi découvert de nouveaux ligands des sites riches en paires de bases AT et des séquences ATGA qui ont permis de compléter nos connaissances des relations structure/affinité de ces composés.<br />Afin de déterminer si cette famille de ligands peut moduler sélectivement l'activité de liaison à l'ADN de facteurs de transcription, un criblage en mode compétitif de l'activité de 54 facteurs de transcription a été réalisé avec le DB293. Pour cela nous avons utilisé une approche innovante basée sur le principe des macroarrays : les membranes Transignal/Protein/DNA array I. Nous avons mis en évidence l'inhibition de la fixation de Pit-1 et Brn-3, deux facteurs de transcription à domaine POU dont les sites consensus contiennent un site riche en paires de bases AT et la séquence 5'-ATGA. Cependant, la seule présence d'un site 5'-ATGA ne prévient pas l'inhibition de l'activité de liaison à l'ADN par le DB293 puisque le facteur de transcription IRF-1 présentant aussi un site 5'-ATGA dans son site consensus n'est pas inhibé par le DB293. Nous avons montré que le DB293 interagit en dimère aux séquences 5'-ATGA des sites consensus Brn-3 et Pit-1 mais pas sur celui de IRF-1.<br />En parallèle, un ciblage de facteurs de transcription associés de manière privilégiée à un cancer donné et se liant au même type de séquence que les composés DB a orienté notre étude sur le complexe de transcription PBX/HoxA9. Ce complexe protéique se lie à une séquence nucléotidique à la fois riche en paire de base AT et contenant un site ATGA. Les membres de ce complexe sont sur-exprimés ou transloqués dans bon nombre de leucémies aiguës myéloïdes, lymphoïdes ou de syndromes myéloprolifératifs. Des tests d'interaction protéine/ADN nous ont permis de sélectionner des composés empêchant la fixation de HoxA9 sur sa séquence ADN cible. Les premiers résultats prometteurs dans la cellule montrent une toxicité induite par nos dérivés sur des cellules dont la prolifération est dépendante de l'activité de HoxA9 alors que cette toxicité est moindre dans des cellules n'exprimant pas HoxA9. Des tests clonogéniques effectués sur des cellules de moelle osseuse transformées par HoxA9 montrent un effet antiprolifératif du composé sélectionné qui est plus important sur les progéniteurs les moins engagés dans les voies de différentiation hématopoïétique.<br /><br />De plus, le criblage de nouvelles séries de molécules dicationiques a permis d'identifier 3 nouveaux composés, les dérivés DB1255, DB1242 et RT-29 qui se lient à des séquences originales riches en paires de base GC. Il s'avère que le composé DB1255 inhibe efficacement la fixation du facteur de transcription Erg sur son site consensus EBS.<br /><br />Cette étude montre pour la première fois l'inhibition de la fixation de facteurs de transcription par les composés DB et ouvre ainsi de nombreuses pistes prometteuses dans l'inhibition spécifiques de facteurs de transcription impliquées dans des processus de tumorogenèse.

An increasing number of proteins with unknown function have their three-dimensional structure solved at high resolution. This situation, largely due to structural genomics initiatives, has been stimulating the development of automated structure-based function prediction methods. Knowledge of residues important for function – and more particularly – for binding can help automated prediction of function in different ways. The properties of a binding site such as its shape or amino acid composition can provide clues on the ligand that may bind to it. Also, having information on functionally important regions in similar proteins can refine the process of annotation transfer between homologues.<p>Experimental results indicate that functional residues often have an unfavourable contribution to the stability of the folded state of a protein. This observation is the underlying principle of several computational methods for predicting the location of functional sites in protein structures. These methods search protein structures for destabilising residues, with the assumption that these are likely to be important for function.<p>We have developed a method to detect clusters of destabilising residues which are in close spatial proximity within a protein structure. Individual residue contributions to protein stability are evaluated using detailed atomic models and an energy function based on fundamental physico-chemical principles.<p>Our overall aim in this work was to evaluate the overlap between these clusters of destabilising residues and known binding sites in proteins.<p>Unfortunately, reliable benchmark datasets of known binding sites in proteins are sorely lacking. Therefore, we have undertaken a comprehensive approach to define binding sites unambiguously from structural data. We have rigorously identified seven issues which should be considered when constructing datasets of binding sites to validate prediction methods, and we present the construction of two new datasets in which these problems are handled. In this regard, our work constitute a major improvement over previous studies in the field.<p>Our first dataset consists of 70 proteins with binding sites for diverse types of ligands (e.g. nucleic acids, metal ions) and was constructed using all available data, including literature curation. The second dataset contains 192 proteins with binding sites for small ligands and polysaccharides, does not require literature curation, and can therefore be automatically updated.<p>We have used our dataset of 70 proteins to evaluate the overlap between destabilising regions and binding sites (the second dataset of 192 proteins was not used for that evaluation as it constitutes a later improvement). The overlap is on average limited but significantly larger than random. The extent of the overlap varies with the type of bound ligand. Significant overlap is obtained for most polysaccharide- and small ligand-binding sites, whereas no overlap is observed for nucleic acid-binding sites. These differences are rationalised in terms of the geometry and energetics of the binding sites.<p>Although destabilising regions, as detected in this work, can in general not be used to predict all types of binding sites in protein structures, they can provide useful information, particularly on the location of binding sites for polysaccharides and small ligands.<p>In addition, our datasets of binding sites in proteins should help other researchers to derive and validate new function prediction methods. We also hope that the criteria which we use to define binding sites may be useful in setting future standards in other analyses. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished