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

Les organismes eucaryotes possèdent plusieurs mécanismes de contrôle qualité en vue d'assurer leur survie en condition de stress. La réponse aux protéines mal repliées (UPR) est un mécanisme à la base de différents volets ayant pour but de ramener l'organisme vers l'homéostasie. L'étude qui suit vise à caractériser plus en profondeur un volet de cette réponse qui est lié non pas à la présence de protéines mal repliées, mais plutôt à des défauts dans l'homéostasie des lipides de la cellule. Notre étude a mis en évidence qu'une forme précise de la protéine à ancrage GPI modèle Yps1p est relâchée de manière importante dans des souches mutantes connues pour déclencher ce volet de la réponse UPR. Nous avons aussi montré que cette relâche ne semble pas être causée par le déclenchement de l'UPR et que des phospholipases sont responsables du clivage de l'ancrage GPI. Une défaillance ou une insuffisance de l'UPR est associée à plusieurs pathologies humaines, dont le diabète de type 2, d'où l'intérêt d'en étudier les différentes facettes.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative incurable. Environ 10% des cas de SLA sont familiaux (SLAF) et 90% sont sporadiques (SLAS). À l'heure actuelle, des mutations dans les gènes SOD1 et TARDBP demeurent parmi les principales causes de SLAF. Plusieurs évidences tendent à attribuer aux facteurs environnementaux une place de plus en plus importante dans l'identification de causes probables de la SLAS. Cependant, notre compréhension des mécanismes menant à des anomalies dans ces gènes ou à l’exposition à divers facteurs environnementaux et à la mort des neurones moteurs reste limitée. À ce jour, aucun traitement efficace n’a encore été décrit pour la SLA. C’est pourquoi le développement d’une immunothérapie avec des anticorps anti-SOD1 mal repliée spécifiques nous permettra de mieux comprendre les mécanismes et les causes environnementales susceptibles d’être impliqués dans la SLAS. Ceci ouvrira de nouvelles perspectives diagnostiques et thérapeutiques pour le traitement de cette maladie encore incurable. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease. About 10% of cases are familial (FALS) and 90% are sporadic (SALS). Currently, mutations in SOD1 and TARDBP genes are among the main causes of FALS. Many evidences suggest that environmental factors can be an important element in the identification of probable SALS causes. However, our comprehension of mechanisms leading to mutations in these genes or exposure to different environmental factors, to the death of motor neurons is still limited. Currently, there is not efficient cure for ALS. The development of an immunotherapy with specific anti-misfolded SOD1 antibodies will therefore help us to understand the mechanisms and environmental factors that may be involved. This can lead to new perspectives for early diagnosis and prognosis, and new therapeutic approaches for this yet incurable disease.

Le repliement de biomolécules à partir de méthodes computationelles reste un grand défi. Plus particulièrement, les simulations de dynamique moléculaire tout-atomes sont intrinsèquement longues et ne permettent pas encore d’atteindre l’échelle de temps de la microseconde de façon courante. En général, un approche gros-grain est préférée pour simuler des systèmes plus grands et des échelles de temps plus longues. Les approches automatiques comme la dynamique moléculaire ne tiennent pas compte de l’expertise de l’investigateur. Ce travail de thèse explore le repliement des biomolécules au moyen de simulations de dynamique moléculaire interactives avec les modèles gros-grains OPEP et HiRE-RNA, respectivement dédiés aux acides aminés et nucléiques. Les simulations interactives sont comme les simulations classiques, mais permettent en plus à l’utilisateur d’appliquer des forces sur une sélection d’atomes et d’observer la réaction du système en direct pendant que la simulation tourne depuis un logiciel de visualisation moléculaire. Des développements logiciels dédiés ont été faits dans un de ces programmes, UnityMol, couplé aux simulations gros-grain OPEP et HiRE-RNA. Ce travail est complété par une incursion dans la biologie intégrative. L’utilisation de modèles théoriques et expérimentaux est proposée sous deux formes: l’introduction de biais dans les simulations pour les faire converger plus rapidement vers des résultats plausibles et le guidage des utilisateurs au cours de sessions interactives. Cette réflexion montre la complémentarité des méthodes théoriques et des méthodes expérimentales pour l’étude des biomolécules. Quelques essais de repliement ont été menés par des simulations interactives avec nos outils. Une approche dite collaborative (ou plus généralement “crowdsourcing”) au repliement de molécules d’ARN gros-grains avec le modèle HiRE-RNA fut menée. Le repliement de peptides a suivi dans une configuration de laboratoire avec OPEP. En complément, des aspects de réalité virtuelle et des améliorations de performance du logiciel de simulation de réseaux de ressorts BioSpring ont été explorés / The folding of biomolecules by computational methods remains a big challenge. Most notably, all-atom molecular dynamics (MD) simulations are intrinsically time consuming and do not yet commonly reach the microsecond time scale. Generally, a coarse-grained approach is preferred to simulate bigger systems and larger time scales. Automated approaches like MD do not account for the investigator expertise. The present thesis explores the folding of biomolecules with interactive molecular dynamics (IMD) simulations using the OPEP and HiRE-RNA models, respectively for amino acids and nucleic acids. IMD is like MD, but in addition, the user can apply forces on a selection of atoms and see the reaction of the system live from a molecular visualization software while the simulation is running. Dedicated software developments were done in such a program named UnityMol, coupled with coarse-grained OPEP and HiRE-RNA simulations. The picture is completed with an incursion into integrative biology. The use of theoretical and experimental models is proposed in two declinations: biasing MD simulations to faster converge to plausible results and guide users during interactive sessions. This work shows the complementarity of experimental and theoretical methods when it comes to biomolecules. A few trials at folding with IMD and our set of tools are exposed: mainly a crowdsourcing approach to RNA folding with coarse-grained HiRE-RNA models and the interactive folding of peptides in a laboratory setup of OPEP simulations. In complement, virtual reality aspects and performance enhancement of a spring network model simulation package named BioSpring have been explored

Le repliement des protéines, dernière étape du processus d'expression de l'information génétique, demeure imparfaitement expliqué. Pendant ma thèse, j'ai étudié le repliement oxydant d'une petite protéine riche en ponts disulfure, la toxine a de Naja nigricollis. J'ai pu montrer que l'addition d'un acide aminé dans une boucle de la structure entraîne un ralentissement global du repliement in vitro causé par une permutation des intermédiaires productifs. L'étude en RMN des intermédiaires de repliement a permis de proposer une explication structurale à cette modification de comportement cinétique. Par ailleurs, pour tester l'importance de l'aspect vectoriel du repliement in vivo, j'ai développé une méthode ayant pour but de vectoriser le repliement in vitro. J'ai pu montrer qu'il est possible grâce à des anticorps dirigés contre la toxine a réduite d'inhiber son repliement oxydant, de lever cette inhibition et finalement de modifier sa voie de repliement.

Les integrons sont des systèmes de recombinaison génétique bactériens qui jouent un rôle majeur dans la dissémination des gènes de résistances aux antibiotiques. Ces plateformes génétiques sont capables de capturer des cassettes de gène et de les réorganiser afin de trouver des solutions adaptatives à un environnement changeant. Le mécanisme de recombinaison des intégrons est original. Contrairement aux autres systèmes de recombinaison spécifique de site de la même famille (catalysés par les recombinases à tyrosine), le site de recombinaison associé aux cassettes est reconnu sous forme d'ADN simple brin replié. Une large part de mon travail de thèse a été dédiée à la compréhension des mécanismes qui permettent à ces sites de recombinaison de passer de la forme stable qu'est la double hélice d'ADN à la conformation leur permettant d'être reconnu par la recombinase des intégrons. L'autre partie de ma thèse a consisté au développement d'un outil génétique utilisant les remarquables propriétés de recombinaison des intégrons. Ce nouvel outil, nommé « intégron synthétique » permet de générer un grand nombre de combinaisons de séquences hétérologues in vivo. Il pourrait être d'une grande utilité aux ingénieurs tentant d'assembler des réseaux et voies génétiques d'intérêt, par évolution dirigée.

Le virus de l'hépatite delta humaine (VHD) est un pathogène infectieux qui est associé à une hépatite fulminante chez l'humain. Ce virus possède un génome circulaire d'ARN simple brin comportant deux régions auto-catalytiques (ribozymes). Ce travail a pour but d'étudier le mécanisme moléculaire ainsi que le sentier de repliement tridimensionnel subit par ce ribozyme au cours de l'événement de coupure. Afin d'atteindre ce but, nous avons identifié toutes les interactions incluant les bases des ribonucléotides composant le coeur catalytique de ce ribozyme. Pour ce faire, nous avons utilisé l'approche de sélection in vitro (SELEX). Malgré son utilisation commune pour l'étude du ribozyme VHD, l'approche de SELEX n'a jamais donné de résultats concluants au sujet de la tectonique de ce ribozyme pendant l'événement de coupure. Ceci est dû au fait que dans toutes les analyses précédentes, le site catalytique du ribozyme n'a jamais été totalement dégénéré. Par conséquent, nous avons développé une stratégie de SELEX unique qui nous a permis de dégénérer la presque totalité du site catalytique et de sélectionner tous les ribozymes actifs existant dans la librairie combinatoire. Au contraire des stratégies de sélection basées sur l'utilisation du ribozyme en trans, la stratégie que nous avons développée est basée sur l'utilisation du ribozyme en cis. Cette stratégie nous a permis de dégénérer des nucléotides de la tige P1 connus pour être étroitement impliqués dans des interactions tertiaires avec des nucléotides du site catalytique. La preuve initiale du concept a été réalisée en dégénérant les six nucléotides formant la jonction entre la tige P4 et la tige P2 (J4/2). Les ribozymes sélectionnés après quatre cycles d'enrichissement possédaient une activité de coupure comparable à celle du ribozyme de type sauvage. Ce résultat montre que la stratégie développée est, non seulement fonctionnelle, mais aussi très efficace. La stratégie a ensuite été utilisée pour sélectionner des variants actifs du ribozyme à partir d'une librairie combinatoire contenant plus de 7.5x10[indice supérieur 15] mutants différents. Après 13 cycles de sélection, la population de ribozymes actifs commençait à être détectable. L'analyse des mutants sélectionnés a révélé une très faible variabilité entre les séquences. Ceci constituait une entrave pour l'étape suivante qui consiste à analyser la covariation des nucléotides dégénérés afin de définir le réseau des interactions tertiaires qui réunit ces nucléotides et qui est à l'origine de sa structure tridimensionnelle. La faible variabilit des séquences sélectionnées est due à la dominance des variants les plus actifs camouflant ainsi ceux qui étaient moins actifs. Face à cette situation, nous avons fait un réajustement de notre stratégie de sélection afin d'éviter cette dominance et de donner à tous les ribozymes actifs la même chance d'être amplifié. Nous avons recommencé la sélection en utilisant les nouveaux réajustements et le séquençage de plus de 500 clones a été réalisé, nous conduisant à 150 ribozymes de séquences différentes. Nous avons développé par la suite un programme informatique qui nous a permis d'analyser la covariation des nucléotides aux positions dégénérées. Les résultats de cette analyse de covariation sont en parfaite concordance avec la structure secondaire du ribozyme VHD antigénomique. En effet, toutes les paires de bases de type Watson-Crick, Wobble et homopurine ont été confirmées à l'exception de la paire de base C19-G81 au bas de la P2. L'analyse bioinformatique suggérait une faible covariation entre ces deux nucléotides et montre une forte interaction entre le C19 et le G80. Cette interaction a été prouvée par cartographie enzymatique et chimique. Bien que cette nouvelle interaction engendre un changement minime dans la structure secondaire du ribozyme VHD antigénomique, ce changement est très significatif. En effet, suite à cette interaction, la nouvelle structure secondaire du ribozyme antigénomique se rapprochait étonnamment de celle du ribozyme de version génomique, suggérant ainsi un lien phylogénique entre ces deux ribozymes. Le ribozyme VHD est naturellement actif dans les cellules humaines (les hépatocytes), mais son utilisation comme outil de thérapie génique fait toujours face à un problème majeur de spécificité. Afin de résoudre ce problème et de mieux contrôler ce ribozyme au niveau cellulaire, nous avons tenté de remodeler ce ribozyme pour le transformer en un ribozyme allostérique, toujours en utilisant la stratégie de sélection in vitro. Nous avons choisi comme cofacteur la protéine tat du VIH. Dans ce système où le cofacteur est une molécule de la cible, le ribozyme allostérique va avoir non seulement un gain de spécificité mais deviendra auto-inductible par sa cible, exactement à la manière d'un anticorps. En résumé, ce travail a permis de jeter un nouveau regard sur le site catalytique du ribozyme VHD tout en poussant la méthode de SELEX à un nouvel extrême.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) constituent la plus grande famille de récepteurs membranaires et sont impliqués dans le contrôle de la majorité des processus physiologiques. Dans le modèle classique, la signalisation par les RCPGs se résumait à l'activation de protéines G hétérotrimériques capables de moduler l'activité d'effecteurs, qui, à leur tour, contrôlent la concentration intracellulaire de seconds messagers tels que l'AMPc ou le calcium. Cette vision classique de la signalisation s'est par contre complexifiée au fil des années et l'on sait maintenant que les RCPGs interagissent avec une multitude d'autres protéines afin de transmettre de façon spécifique les signaux extracellulaires. Ainsi, pour bien comprendre comment est régulé un RCPG, il devient primordial de connaître les protéines interagissant avec celui-ci. Nous avons donc entrepris d'identifier de nouveaux partenaires d'interaction pour les récepteurs DP (récepteur de la prostaglandine D[indice inférieur 2]), TP[bêta] (récepteur du thromboxane A[indice inférieur 2]) et [bêta][indice inférieur 2]-adrénergique, puis, de déterminer le rôle de ces complexes protéiques dans la fonction des récepteurs. Lors d'un criblage par double-hybride visant à identifier de nouveaux partenaires d'interaction pour DP, nous avons identifié la protéine ankyrin repeat domain-containing protein 13C (ANKRD13C), une protéine n'ayant pas encore été caractérisée jusqu'à maintenant. Des études de localisation ont montré qu'ANKRD13C est associée à la membrane du réticulum endoplasmique (RE), où elle interagit avec DP. Cette interaction facilite d'abord la biogenèse du récepteur en ralentissant la dégradation des récepteurs nouvellement synthétisés. Elle régule aussi le transport de DP vers la membrane plasmique en induisant la rétention dans le RE des formes immatures du récepteur. Elle facilite finalement la dégradation par le protéasome des formes de récepteurs retenues dans le RE. Ces expériences suggèrent donc un rôle de chaperonne pour ANKRD13C dans la biogenèse du récepteur DP. La protéine adaptatrice RACK1 (Receptor for Activated C-Kinase 1) a ensuite été identifiée comme nouveau partenaire d'interaction pour l'isoforme [bêta] du récepteur du thromboxane A[indice inférieur 2] (TP[bêta]).Les résultats présentés dans cette étude montrent que les deux protéines interagissent directement et qu'elles forment un complexe au niveau du RE. L'interaction entre TP[bêta] et RACK1 s'est d'ailleurs avérée essentielle pour que le récepteur puisse être exporté du RE vers la membrane plasmique. Ces travaux ont donc révélé un rôle majeur de RACK1 dans la fonction de TP[bêta], plus précisément au niveau de son transport vers la surface cellulaire. Finalement, une nouvelle interaction entre le récepteur [bêta][indice inférieur 2]-adrénergique ([bêta][indice inférieur2]-AR) et la petite protéine G Rab11 a été caractérisée.Les expériences réalisées démontrent que les deux protéines s'associent en cellules via une interaction directe. Une construction du [bêta][indice inférieur 2]-AR où les sites d'interaction avec Rab11 sont mutés a été générée. La mise en évidence d'un défaut de recyclage de ce mutant suite à une stimulation avec un agoniste spécifique a permis d'établir que l'interaction directe avec Rab11 est essentielle pour que le [bêta][indice inférieur 2]-AR puisse recycler de façon adéquate.Les résultats présentés dans cette thèse illustrent le rôle joué par trois nouveaux complexes protéiques dans la synthèse, l'export et le recyclage de RCPGs. L'identification et la caractérisation de ces nouvelles interactions permettra de mieux comprendre comment sont régulés les récepteurs DP, TP[bêta] et [bêta][indice inférieur 2]-adrénergique, et permettra éventuellement d'améliorer les connaissances quant à la régulation de l'ensemble des récepteurs couplés aux protéines G.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le dépliement thermique et chimique est raisonnablement compris, mais pas les effets déstabilisants de la pression. Dans une tentative de caractérisation des facteurs à la base des effets de la pression sur les protéines, nous avons étudié le dépliement sous pression d'une protéine modulaire, le domaine ankyrine du récepteur Notch (Nank1-7*), ainsi que plusieurs mutants en nombre de motifs. Nos expériences montrent un dépliement à deux états sous pression. La dépendance à la température des sauts de pression a montré qu'à faibles températures l'ensemble d'état de transition(TSE) est proche en volume de l'état replié alors que son énergie est proche de celle de l'état déplié,ce qui est significatif d'une déshydratation importante de la barrière énergétique, et a montré que l'augmentation de la température conduit à un TSE plus grand en volume que l'état replié. Ce comportement révèle une grande plasticité du TSE de Nank1-7*. L'étude des mutants (délétion demotifs) nous a montré que le ΔV n'est déterminé ni par l'hydratation des liaisons peptidiques ni par l'hydratation différentielle des acides aminés, mais par l'existence de vides internes exclus du solvant. Seule une petite fraction des cavités est déterminante pour le ΔV, celles qui ne sont pas significativement solvatées dans les coeurs hydrophobes. Finalement, nous avons déterminé que le TSE possède même des cavités plus grandes, et nous émettons l'hypothèse que l'énergétique et la dynamique contribuent aux effets de la pression sur les protéines. / Thermal and chemical unfolding of proteins are reasonably well understood, but the destabilizingeffects of pressure are not. In an attempt to characterize the factors at the basis of pressure effects,we investigated the pressure unfolding of a modular protein, the ankyrin domain of the Notch receptor(Nank17*) and several of its deletion constructs. All our experiments were consistent with a simpletwo-state folding/unfolding transition under pressure. The temperature dependence of pressure-jumpsdemonstrated that at low temperature, the transition state ensemble (TSE) lies close in volume to thefolded state despite its unfolded-like energetics, consistent with significant dehydration at the barrier,and that increasing temperature leads to a volume of the TSE larger than that of the folded state. Thisbehavior reveals a high degree of plasticity of the TSE of Nank17*. Studies of the deletion mutantsshowed us that ΔV is determined not by hydration of peptide bonds or by differential hydration ofresidues, but by the existence of internal solvent-excluded void volumes. Only a small fraction of theinternal cavities are relevant of the ΔV, those that are not significantly solvated in the hydrophobiccore. Finally, we determined that the transition state ensemble show even larger cavities, and wehypothesize both energetics and dynamics contribute to pressure effects on proteins.