Le microbiote humain est constitué de milliers d’espèces bactériennes qui synthétisent de nombreux métabolites secondaires. Cependant, notre connaissance des produits naturels dérivés du microbiome est encore limitée. Parmi eux, les RiPPs (Ribosomally Synthesized and Post-translationally modified Peptides) apparaissent comme une famille majeure de produits naturels possédant diverses structures et fonctions biologiques dont des propriétés antibiotiques, en faisant une famille de molécules d’intérêt majeur pour la santé publique. La biosynthèse des RiPPs commence par la traduction d’un peptide précurseur, qui est ensuite maturé par l’action d’une ou plusieurs enzymes avant l’excision d’une séquence signal et l’export du produit naturel actif. La diversité structurale et fonctionnelle des RiPPs démontre la nécessité de la compréhension des voies de biosynthèse de ces produits naturels, de l’étude systématique des mécanismes de modification et de la caractérisation des maturases associées. En particulier, une famille de métallo-enzymes, les enzymes à radical S-adénosyl-L-méthionine (SAM), a récemment été impliquée dans la biosynthèse de nombreux RiPPs. Ces enzymes catalysent un large éventail de réaction, via un mécanisme de chimie radicalaire, aboutissant à une grande variété de modifications post-traductionnelles. Néanmoins, les voies de biosynthèse de nombreux RiPP restent mal comprises.En 2011, il a été montré que Ruminococcus gnavus, un membre important du microbiote humain, produisait un peptide actif contre Clostridium perfringens, la Ruminococcin C (RumC). Le séquençage de l’opéron de biosynthèse de RumC montre la présence de cinq gènes codants des peptides précurseurs (RumC1-5) et deux gènes codant des enzymes (RumMC1 et RumMC2).L’objectif de ma thèse est de mieux comprendre les voies de biosynthèse des produits naturels au sein du microbiome humain. Nous avons démontré l’appartenance des protéines RumMC1 et RumMC2 à la famille des enzymes à radical SAM, ainsi que leurs implications dans la formation de quatre modifications post-traductionnelles (ponts α-thioether) essentielles à l’activité antibiotique de RumC1 et RumC2. Ces études nous ont permis de proposer un mécanisme catalytique pour la maturation de la Rummonicoccin C et ainsi de mieux documenter cette famille d’enzymes émergentes. / The human microbiota consists of thousands bacterial species which synthesize numerous secondary metabolites. However, our knowledge of microbiome-derived natural products is still limited. Among them, RiPPs (Ribosomally synthesized and Post-translationally modified Peptides) are emerging as a major family of natural products possessing diverse structures and biological functions including antibiotic properties, making them a major family of molecules of interest for public health. The biosynthesis of RiPPs occurred by the translation of a precursor peptide, which is then matured via the action of one or more enzymes before the excision of a signal sequence and the export of the active natural product. The structural and functional diversity of RiPPs demonstrates the need for understanding the biosynthetic pathways of these natural products, the systematic study of the modification mechanisms and the characterization of associated maturases. In particular, a family of metallo-enzymes, the S-adenosyl-L-methionine radical (SAM) enzymes, has recently been implicated in the biosynthesis of many RiPPs. These enzymes catalyze a wide range of reactions, via a mechanism of radical chemistry, resulting in a wide variety of post-translational modifications. Nevertheless, the biosynthetic pathways of many RiPPs remain poorly understood.In 2011, it was shown that Ruminococcus gnavus, a major member of the human microbiota, produced an active peptide against Clostridium perfringens, Ruminococcin C (RumC). Sequencing of the RumC biosynthesis operon shows the presence of five genes encoding precursor peptides (RumC1-5) and two genes encoding enzymes (RumMC1 and RumMC2).The aim of my thesis is to understand the biosynthetic pathways of natural products within the human microbiome. We have demonstrated that the RumMC1 and RumMC2 proteins belong to the radial SAM enzyme family, as well as their involvement in the formation of four post-translational modifications (α-thiother bridges) essential for the antibiotic activity of RumC1 and RumC2. These studies allowed us to propose a catalytic mechanism for the maturation of Rummonicoccin and thus to better document this family of emerging enzymes.

Les protéines à radical S-adénosyl-L-méthionine (SAM) utilisent un centre [Fe4S4] réduit pour initier le clivage réductive homolytique de la SAM et la formation d'une espèce hautement réactive - le radical 5'-déoxyadénosyl ou 5'-dA•. Dans la quasi-totalité de cas ce radical alkyl va arracher un atome d'hydrogène sur le substrat et déclencher ainsi sa conversion en produit. On trouve ces enzymes au niveau d'étapes clé de la synthèse de certaines vitamines, antibiotiques, précurseurs de l'ADN ou encore cofacteurs protéiques où elles sont souvent impliquées dans le clivage ou la formation des liaisons C-C, C-N, C-S ou encore C-P. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont été focalisés sur l'étude structurale et fonctionnelle de la protéine HydE ; une enzyme à radical SAM, qui intervient dans la biosynthèse du site actif organométallique de l'hydrogénase à [FeFe]. L'objectif principal était d'identifier le substrat de HydE et d'étudier les détails du fonctionnement d'une protéine à radical SAM. Nous avons réussi à identifier un groupe de molécules, dérivées de la cystéine, contentant un cycle thiazolidine avec un ou deux groupements carboxylates, qui ont une très bonne affinité pour le site actif de HydE. Certains de ces ligands se sont montrés d’être des substrats non physiologiques de l’enzyme. Grâce à ces substrats nous avons pu mettre en évidence un nouveau mécanisme d’attaque radicalaire dans les protéines à radical SAM. En effet, dans HydE nous avons observé une attaque directe du radical 5'-dA• sur l’atome soufre du thioéther appartenant au cycle thiazolidine. Cette réaction constitue un exemple pas comme les autres d’une insertion d’un atome de soufre (ou de sélénium) catalysée par une enzyme à radical SAM. Il s'agit également d'une première observation d'une réaction radicalaire dans les cristaux protéiques d'une enzyme à radical SAM et également un premier suivi en temps réel par la RMN du 13C et 1H de l'accumulation d'un des produits de la réaction catalysée par ces enzymes. Les résultats de calculs théoriques basés sur nos structures cristallographiques de haute résolution suggèrent que dans le cas de cette superfamille de protéines le radical 5'-dA• serait plutôt un état de transition et donc pas une espèce intermédiaire isolable. / Radical S-adenosyl-L-methionine (SAM) proteins use a reduced [Fe4S4] cluster to initiate homolytic reductive cleavage of SAM, which leads to the formation of highly reactive 5'-deoxyadenosyl radical species or 5'-dA•. In almost all cases this alkyl radical will abstract a hydrogen atom from the substrate and thus trigger its conversion into product. These enzymes are found in key steps of the synthesis of certain vitamins, antibiotics, DNA precursors or protein cofactors. They are often involved in the cleavage or formation of C-C, C-N, C-S or C-P bonds. The present thesis work has been focused on the structural and functional study of HydE protein; a radical SAM enzyme, involved in the biosynthesis of the organometallic active site of [FeFe]-hydrogenase. The main goal was to identify the substrate of HydE and to study details of how radical SAM proteins control the highly oxidizing 5'-dA• species. We managed to identify a group of molecules, derived from cysteine, containing a thiazolidine ring with one or two carboxylate groups, which have a very good affinity for the active site of HydE. We have demonstrated some of these ligands are non-physiological substrates of the enzyme. With these substrates we could highlight a new radical attack mechanism in radical SAM proteins. Indeed, in HydE we observed a direct attack on the 5'-dA • radical on the sulfur atom of the thioether belonging to the thiazolidine ring. This is an unprecedented reaction that contrasts with sulfur (or selenium) atom insertion reactions catalysed by some radical SAM enzymes. This is also the first observation of a radical reaction in the protein crystal of a radical SAM enzyme and also the first real-time monitoring by 1H- & 13C-NMR spectroscopy of the accumulation of products of the reaction catalysed by these enzymes. Theoretical calculations based on our high-resolution crystal structures suggest that in the case of this protein superfamily the 5'-dA• radical, which triggers the reaction in radical SAM enzymes, is a transition state and therefore not an isolable intermediate species.