L'étude de la dynamique des protéines est essentielle pour comprendre les processus biologiques. Notre laboratoire a développé une nouvelle classe de protéines fluorescentes semi-synthétiques, appelée Fluorescence-Activating and absorption-Shifting Tag (FAST). Cette thèse de doctorat présente le développement de nouveaux systèmes FAST avec diverses propriétés pour l'imagerie multiplexée. Nous avons développé une série de fluorogènes permettant de modifier la couleur de FAST de vert-jaune à orange et rouge. Au delà de l’application de l’imagerie multi-couleurs, ces fluorogènes permettant un échange dynamique des couleurs grâce à la liaison réversible de FAST, ouvrant de nouvelles perspectives pour le développement de méthodes d’imagerie sélective reposant sur la dynamique de systèmes réactifs. Pour étendre davantage les propriétés spectrales de FAST vers le rouge lointain, nous avons développé une nouvelle série de fluorogènes rouges, pour lesquels nous avons sélectionné par une stratégie d'évolution dirigée basée sur le yeast display et la cytométrie en flux de nouveaux tags protéiques capables d’interagir avec ces fluorogènes et d’activer leur fluorescence. Nous avons enfin développé de nouveaux fluorogènes capables de former des complexes fluorescents avec FAST, mais incapables de traverser la membrane plasmique, ce qui permet de détecter sélectivement les protéines membranaires. / Studying protein activities could help us to understand the complex mechanisms controlling cells and organisms. Our laboratory recently developed Fluorescence-Activating and absorption-Shifting Tag (FAST), a small fluorogen-based reporter enabling to fluorescently label fusion proteins in living cells. My PhD thesis presents the developments of new FAST systems with various properties for multiplexed imaging. We report a collection of fluorogens enabling to tune the fluorescence color of FAST from green-yellow to orange and red. Beyond allowing multicolor imaging of FAST-tagged proteins in live cells, these fluorogens enable dynamic color switching because of FAST’s reversible labeling, opening great prospects for the design of selective imaging methods relying on dynamic systems. In order to further expand the spectral properties of FAST to red, we also designed and developed a library of red fluorogenic dyes, for which we engineered specific protein binders by applying a directed evolution strategy based on the yeast display technology and high-throughput fluorescence activating cell sorting (FACS). We finally developed novel fluorogens able to form fluorescent complexes with FAST, but incapable of crossing the plasma membrane, which makes it possible to selectively detect FAST-tagged cell-surface proteins.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23031号 / 理博第4708号 / 新制||理||1675(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 寺嶋 正秀, 教授 林 重彦, 教授 渡邊 一也 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

La quantification du protéome à très haute sensibilitée n’est actuellement pas réalisable, et est un problème pour l’analyse de cellule isolée, d’échantillon rare ou pour la détection de protéine de faible abondance. Afin d’améliorer la sensibilité, une idée est d’utiliser un microscope capable de détecter des protéines individuellement. Il faut pour cela dans un premier temps mesurer la proportion du protéome actuellement marquée par une sonde fluorescente afin de pouvoir faire des mesures quantitatives. Avec des conditions dénaturantes et la détection des amines, on arrive à marquer jusqu’à 75% du protéome d’un lysat cellulaire, avec un marquage plus efficace quand la protéine est de grande taille. Dans un deuxième temps, il faut séparer par la taille le protéome afin de réaliser un profil protéique. Si la puce microfluidique ne permet pas la réalisation d’un profil avec une résolution, le micro SDS-PAGE en est capable en permettant également l’observation du profil par microscopie, autorisant la détection jusqu’à 10 ng de protéines par bande et ainsi permettant d'obtenir un profil à partir de seulement 100 cellules. Cette sensibilité a permis l’identification de quatre lignées cellulaires de cancer du sein, avec un fort potentiel pour une application pour le diagnostic de cellule cancéreuse provenant de petite biopsie, plus facile pour le patient. / Proteomic quantification at very high sensitivity is not achieved yet, even if they are a need to realize this quantification for the analysis of uncommon samples at a single cell level, or for the detection of low abundance protein. To improve this sensitivity, one way is to use a microscope able to detect single-molecule. In this optic, the first step to enable precise quantification is to measure the proportion of the proteome that is labeled by a fluorescent probe. When using strong denaturant conditions combined with a probe able to detect the amine of the protein, we are able to label up to 75% of the proteome from a cell lysate, with an increase in the labeling efficiency when the protein is bigger. The second step necessitates the protein separation by size in order to realize a proteome profile. Two technics were used for that, the microfluidic chip and the micro SDS-PAGE. The second one enables the possibility to scan the profile by microscopy, allowing the detection of up 10 ng of protein and then permits the analysis of only 100 cells. This sensitivity enables the differentiation of 4 different proteome profiles from cell lines originated from breast cancer, with a potential in the diagnostic of cancer cell from a smaller biopsy, allowing a less painful experience for the patient.

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Le développement des technologies de recombinaison en biologie moléculaire fut un point tournant pour les sciences biologiques. Depuis cette découverte, diverses avancées extraordinaires qui ont un impact direct sur les humains ont pu être accomplies dans les domaines de recherches qui découlent de cette technologie. L’étude des enzymes produites en utilisant cette technique est le fondement de leurs applications éventuellement accessibles. À cet effet, la biocatalyse est un sous-domaine de l’enzymologie en développement continuel. Les chimistes et ingénieurs utilisent les composantes de systèmes biologiques ou même des systèmes complets afin de complémenter ou remplacer des méthodologies existantes. Cette thèse étudie la famille d’enzymes transglutaminase (TGase) comme biocatalyseur afin d’explorer et d’étendre l’ubiquité et les innovations rendues possibles grâce aux enzymes. Les TGases sont des enzymes versatiles. Leur homologue bactérien, la transglutaminase bactérienne (MTG), est couramment utilisé à l’échelle industrielle pour la transformation alimentaire. Depuis une dizaines d’années, de nombreux efforts ont été faits afin de trouver de nouvelles applications des TGases. En premier lieu, une revue des accomplissements, progrès et défis reliés au développement des TGases sera décrite. Les TGases sont intrinsèquement des catalyseurs de la formation de lien isopeptidiques entre une glutamine et une lysine. Par ce fait, elles ont été initialement testées dans cette thèse pour la synthèse de peptides. Une forme de l’enzyme TGase de mammifères fut en mesure de générer les composés dipeptidiques Gly-Xaa et D-Ala-Gly avec une faible conversion. La MTG possède plusieurs caractéristiques qui font de cette enzyme un candidat intéressant pour le développement de biotechnologies. Elle est stable, non dépendante d’un cofacteur et connait peu de compétition pour sa réaction catalytique inverse. La majeure partie de cette thèse porte exclusivement sur l’utilisation de la MTG. Nous avons développé et caractérisé une réaction chimio-enzymatique en un seul pot pour la conjugaison de peptides et protéines. La présence de glutathion en quantité suffisante permet de contourner l’incompatibilité de la MTG avec le cuivre et ouvre la porte à l’utilisation de la réaction de cycloaddition entre un alcyne et un azoture catalysée par le cuivre, afin d’effectuer le marquage fluorescent de protéines. L’utilisation d’autres méthodes de chimie « click » sans métaux fut aussi étudiée afin d’incorporer divers substrats protéiques. Le marquage de protéines avec la MTG fut investigué de manière combinatoire. Précisément, la ligation de Staudinger, la cycloaddition azoture-alcyne promue par la tension de cycle, ainsi que la ligation de tetrazine (TL) ont été testées. Différents niveaux de conversion ont été atteints, le plus prometteur étant celui obtenu avec la TL. Une étude par cristallographie a été effectuée afin d’élucider comment les substrats contenant une glutamine interagissent avec la MTG. Une méthode de purification alternative de la MTG a été développée afin d’atteindre ce but. Une discussion sur les stratégies et défis est présentée. Finalement, la conjugaison entre un système contenant la MTG comme biocatalyseur de marquage, le domaine B1 de la protéine G (GB1) comme substrat et d’un fluorophore contenant une amine comme sonde fut étudié. Comme deux des constituants de ce système sont des protéines, l’ingénierie d’enzyme peut être entreprise afin d’améliorer leurs propriétés. Une banque de 24 variantes de GB1 fut construite grâce à une approche semi-rationnelle afin d’investiguer quels facteurs sont déterminants pour la sélectivité de la MTG envers la glutamine. Chaque variante étudiée comportait une seule glutamine à une position variable afin d’évaluer l’impact des éléments de structure secondaire où se retrouve la glutamine. L’efficacité pour le marquage a pu être améliorée d’au moins un ordre de grandeur pour huit des substitutions étudiées. Comme chacune des structures secondaires fut marquée, il fut démontré que la MTG n’en préfère pas une en particulier. De plus, la réactivité de la MTG envers la variante I6Q-GB1 fut augmentée en créant des mutations dans son site actif. Ces résultats permettent de comprendre d’avantage la sélectivité de la MTG envers la glutamine, tout en démontrant le potentiel de cette enzyme à être modifiée afin d’être améliorée. / The development of recombinant molecular biology technologies was a turning point for the biological sciences, which has since evolved into dozens upon dozens of different subfields and contributed to extraordinary advances for humans. At the core of many of these advances are the enzymes produced by these techniques, with efforts to understand their form and function laying the groundwork for their application. One of these continuously advancing subfields rooted in enzymology is biocatalysis, in which chemists and engineers embrace biological components and systems to complement, or even replace, existing methodologies. This thesis seeks to further contribute to the advancement and ubiquity of enzymes to be incorporated into future innovations. To this end, transglutaminase (TGase) is the biocatalyst selected for study. TGases are versatile enzymes, with the bacterial homolog, microbial transglutaminase (MTG) being readily used in industrial processes for years, particularly for food processing. An abundance of efforts seeking to apply TGases to other processes have been made within the last decade. We commence by reviewing the accomplishments, progress, and challenges to developing TGase towards new goals. TGase naturally catalyzes the formation of isopeptide bonds utilizing a glutamine and lysine substrates, and one of its first unconventional applications we investigated was for peptide synthesis. We determined the ability and specificity of one form of TGase for various amino acid-derived substrates, observing the formation of Gly-Xaa and D-Ala-Gly dipeptide products, albeit at a low conversion. MTG exhibits several characteristics that make it an appealing candidate for biotechnological development, such as its independence from a cofactor, little competition for its reverse catalytic reaction, and increased stability relative to mammalian TGases. Therefore, the remainder of this thesis pertains exclusively to MTG. We developed and extensively characterized a one-pot chemoenzymatic peptide and protein conjugation scheme. The presence of sufficient glutathione circumvents the incompatibility of the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition with MTG owing to the presence of copper. We ultimately utilized this chemoenzymatic conjugation scheme for fluorescent protein labeling. We continue to expand upon combinatorial methods to undertake protein labeling by investigating to what extent metal-free click chemistries can be utilized in combination with MTG. Specifically, the Staudinger ligation, strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, and tetrazine ligation (TL) were assayed on protein substrates to reveal varying levels of effective conjugation, with the TL being the most promising of the three. The details surrounding the manner in which MTG interacts with its glutamine-containing substrate remains unclear. To address this knowledge gap, we sought to pursue crystallography studies, which required the development a modified purification strategy. We discuss the strategies we investigated and the challenges surrounding such efforts. Finally, we present a conjugation system consisting of MTG as the labeling biocatalyst, the B1 domain of Protein G (GB1) as a substrate, and a small-molecule amine belonging to a recently developed class of fluorophores as a probe. As two components of this system are proteins, enzyme engineering can be applied to further improve their properties. A semi-rational approach was used to generate a 24-member GB1 library to probe the structural determinants of MTG’s glutamine selectivity. Each variant contained a single glutamine at varying positions covering all secondary structure elements, and assayed for reactivity. Eight substitutions resulting in an increased labeling efficiency of at least an order of magnitude were distributed throughout all secondary structure elements, indicating that MTG does not favor one preferentially. In addition, introducing point mutations within MTG’s active site also resulted in increased reactivity towards variant I6Q-GB1. Our results contribute further to understanding the nature of MTG’s glutamine selectivity, while simultaneously demonstrating the potential enzyme engineering has to improve and adjust this system.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18303号 / 工博第3895号 / 新制||工||1598(附属図書館) / 31161 / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 濵地 格, 教授 森 泰生, 教授 跡見 晴幸 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Um die Funktion von Proteinen in ihrer natürlichen Umgebung zu verstehen, ist es unerlässlich ihre Lokalisation und Bewegung im lebenden System durch z.B Fluoreszenz-markierung sichtbar zu machen. Eine ideale Markierungsmethode zeichnet sich dadurch aus, dass sie das Zielprotein (protein of interest, POI) selektiv und in kurzer Zeit mit einer maßgeschneiderten Reportergruppe ausstattet, ohne die Proteinfunktion und -lokalisation zu beeinflussen. Dabei ist die Größe der Erkennungssequenz von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Markierungsstrategie beschrieben, bei der die Ausbildung eines parallelen Coiled-Coil-Motivs den Transfer einer Reportergruppe auslöst. Untersucht wurde dabei die Übertragung eines Sulfonat-gebundenen Fluorophors auf ein Cystein in der Erkennungssequenz durch nukleophile Substitution. Ebenfalls untersucht wurde der Transfer verschiedener Thioester-verknüpfter Reporter auf ein N-terminales Cystein der Erkennungssequenz durch eine Acyltransferreaktion. Beide Strategien zeichnen sich durch eine hohe Selektivität und einen geringen Massenzuwachs am Zielprotein aus. Der Acyltransfer mit Arylthioestern zeigte zudem eine bemerkenswerte Reaktivität und erlaubte eine Markierung innerhalb weniger Minuten Reaktionszeit. Die Vielfältigkeit dieser Methode wurde anhand der Fluoreszenzmarkierung von sieben verschiedenen G-Protein gekoppelten Membranrezeptoren auf der Oberfläche lebender Zellen demonstriert. Die markierten Rezeptoren blieben dabei funktional und konnten ihren entsprechenden Liganden mit hoher Affinität binden. / In order to understand the function of proteins in their native environment, it is crucial to visualize their localization and trafficking in living cells by means of e.g. fluorescence labeling. An ideal labeling method adds a custom reporter group to the protein of interest (POI) in a selective and fast manner without disturbing the POIs function and localization. Hence the size of the recognition sequence is of major concern. This work describes the development of a labeling strategy in which the formation of a parallel coiled coil motif triggers the transfer of a reporter group. The transfer of a sulfonate-linked fluorescence dye onto the cysteine-modified recognition sequence via a nucleophilic substitution reaction was tested. Also the transfer of various thioester-linked reporters onto the N-terminal cysteine of the recognition sequence via an acyl transfer reaction was investigated. Both strategies are characterized by a high selectivity and low mass increase at the target protein. The acyl transfer with aryl thioesters also showed a remarkable reactivity and allowed labeling reactions to proceed within minutes. The versatility of this method was demonstrated by applying it to the labeling of seven different G-protein coupled membrane receptors on the surface of living cells. The labeled receptors remained functional and were able to bind their respective ligand with high affinity.

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Proteins are the most abundant biomolecules within a cell and are involved in all biochemical cellular processes ultimately determining cellular function. Therefore, to develop a complete understanding of cellular processes, obtaining knowledge about protein function and interaction at a molecular level is critical. Consequently, the investigation of proteins in their native environment or in partially purified mixtures is a major endeavour in modern life sciences. Due to their high chemical similarity, the inherent problem of studying proteins in complex mixtures is to specifically differentiate one protein of interest from the bulk of other proteins. Site-specific protein functionalisation strategies have become an indispensable tool in biochemical- and cell biology studies. This thesis presents the development of a new enzymatic site-specific protein functionalisation strategy that is based on the reversible covalent phosphocholination of short amino acid sequences in intact proteins. A synthetic strategy has been established that allows access to functionalised CDP-choline derivatives carrying fluorescent reporter groups, affinity tags or bioorthogonal handles. These CDP-choline derivatives serve as co-substrates for the bacterial phosphocholinating enzyme AnkX from Legionella pneumophila, which transfers a phosphocholine moiety to the switch II region of its native target protein Rab1b during infection. We identified the octapeptide sequence TITSSYYR as the minimum recognition sequence required to direct the AnkX catalysed phosphocholination and demonstrated the functionalisation of proteins of interest carrying this recognition tag at the N- or C-terminus as well as in internal loop regions. Moreover, this covalent modification can be hydrolytically reversed by the action of the Legionella enzyme Lem3, which makes the labeling strategy the first example of a covalent and reversible approach that is fully orthogonal to current existing methodologies. Thus, the here presented protein functionalisation approach holds the potential to increase the scope of possible labeling strategies in complex biological systems. In addition to the labeling of tagged target proteins, a CDP-choline derivative equipped with a biotin affinity-tag was synthesised and used in pull-down experiments to investigate the substrate scope of AnkX and to elucidate the role of protein phosphocholination during Legionella pneumophila infection. / Proteiner utgör huvudbeståndsdelen av alla biomolekyler i en cell. Dessa är involverade i alla cellulära processer som bestämmer cellens egenskaper. För att förstå de cellulära processerna är det nödvändigt att förstå proteinernas funktion på molekylär nivå. Att studera proteiner i deras naturliga omgivning, det vill säga inuti en cell eller i ett cellextrakt, är en stor utmaning i dagens livsvetenskaper. Eftersom proteiner är kemiskt lika varandra så är det svårt att skilja ett från tusentals andra. Att specifikt märka proteiner för att skilja ut dem från bakgrunden har blivit ett viktigt arbetssätt i modern biokemi och cellbiologi. Avhandlingen beskriver utvecklandet av en ny metod för reversibel och kovalent enzymatisk märkning baserat på fosfokolinering/defosfokolinering av en kort aminosyrasekvens i intakta proteiner. En syntesmetod för att framställa onaturliga CDP-kolinderivat har etablerats vilket tillåter oss att framställa CDP-kolin som bär en funktionalitet, vilket kan vara ett färgämne eller en affinitetstagg. Dessa onaturliga CDP-kolinderivat accepteras som co-substrat av enzymet AnkX från Legionella pneumophila vilket transfererar den funktionaliserade delen av CDP-kolinderivatet till en kort aminosyrasekvens baserad på AnkX’s naturliga substrat vid infektion, det lilla GTPaset Rab1. Under avhandlingsarbetets gång identifierades den kortaste aminosyrasekvensen som känns igen av AnkX, endast de åtta aminosyrorna TITSSYYR är nödvändiga för igenkänning av AnkX. Dessa åtta aminosyror kan genetiskt infogas i början, slutet eller mitt i ett protein för igenkänning och funktionalisering via AnkX och våra syntetiska CDP-kolinderivat. Vid Legionellainfektion i eukaryota celler klyvs fosfokolineringen efter en viss tid, eftersom Legionella pneumophila producerar ett fosfodiesteras, Lem3, som tar bort de fosfokolineringar som AnkX har installerat när de inte längre behövs. Vi har använt Lem3 för att ta bort märkning i sekvensen TITSS(PC)YYR, vilket gör vår strategi helt reversibel. Vi har kunnat demonstrera att AnkX-Lem3 systemet accepterar ett brett spektrum av CDP-kolinderivat, vilket gör metoden till den första av sitt slag, eftersom den är fullt reversibel. Vi har vidare undersökt vilka proteiner AnkX reagerar med inuti celler, vi använde oss av ett CDP-kolinderivat funktionaliserat med biotin, vilket har tillåtit oss att fiska ut alla de proteiner som fosfokolineras av AnkX. Förutom de små GTPaserna i Rab-familjen så identifierade vi även IMPDH2, ett enzym som reglerar det hastighetsbestämmande steget i syntesen av guanosin-nukleotider. Detta är mycket intressant, eftersom det leder till frågan ifall Legionella pneumophila manipulerar sin värdcell genom att förändra mängden GTP i förhållande till ATP.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The discovery and isolation of naturally occurring fluorescent proteins, FPs, have provided much needed tools for molecular and cellular level studies. Specifically the cloning of green fluorescent protein, GFP, revolutionized the field of biotechnology and biochemical research. Recently, a red fluorescent protein, DsRed, isolated from the Discosoma coral has further expanded the pallet of available fluorescent tools. DsRed shares only 23 % amino acid sequence homology with GFP, however the X-ray crystal structures of the two proteins are nearly identical. DsRed has been subjected to a number of mutagenesis studies, which have been found to offer improved physical and spectral characteristics. One such mutant, DsRed-Monomer, with a total of 45 amino acid substitutions in native DsRed, has shown improved fluorescence characteristics without the toxic oligomerization seen for the native protein. In our laboratory, we have demonstrated that DsRed proteins have a unique and selective copper-binding affinity, which results in fluorescence quenching. This copper-binding property was utilized in the purification of DsRed proteins using copper-bound affinity columns. The work presented here has explored the mechanism of copper-binding by DsRed-Monomer using binding studies, molecular biology, and other biochemical techniques. Another focus of this thesis work was to demonstrate the applications of DsRed-Monomer in biochemical studies based on the copper-binding affinity and fluorescence properties of the protein. To achieve this, we have focused on genetic fusions of DsRed-Monomer with peptides and proteins. The work with these fusions have demonstrated the feasibility of using DsRed-Monomer as a dual functional tag, as both an affinity tag and as a label in the development of a fluorescence assay to detect a ligand of interest. Further, a complex between DsRed-Monomer-bait peptide/protein fusion and an interacting protein has been isolated taking advantage of the copper-binding affinity of DsRed-Monomer. We have also demonstrated the use of non-natural amino acid analogues, incorporated into the fluorophore of DsRed-Monomer, as a tool for varying the spectral properties of the protein. These mutations demonstrated not only shifted fluorescence emission compared to the native protein, but also improved extinction coefficients and quantum yields.