Les peptides non-ribosomiaux sont des molécules produites par les micro-organismes et présentant un large éventail d’activités biologiques et pharmaceutiques. Par exemple, ils peuvent présenter des activités antibiotiques, immuno-modulatrices ou anti-tumorales. Ces peptides sont synthétisés par de grands complexes multi-enzymatiques, appelés synthétases ou NRPS (NonRibosomal Peptide Synthetases). Deux traits caractéristiques distinguent ces peptides des peptides ribosomiaux classiques : le premier est que leur structure primaire n’est pas toujours linéaire mais peut être totalement ou partiellement cyclique, branchée voir même poly-cyclique, et le second est la diversité des monomères incorporés au sein de ces peptides qui dépasse largement les vingt acides aminés protéogéniques. Nous avons développé Norine, la première ressource publique entièement dédiée aux peptides nonribosomiaux. Norine contient actuellement plus de 1 000 peptides, modélisés par des graphes étiquetés non-orientés, ainsi que des outils informatiques permettant leur analyse, comme la comparaison de compositions en monomères, la recherche de motifs structuraux ou la recherche par similarité. Des analyses statistiques sur les données contenues dans Norine ont permis de mettre en évidence des caractéristiques biologiques intéressantes comme la spécificité des monomères en fonction de l’activité biologique qui nous a conduit à l’élaboration d’un outil d’aide à la prédiction de la fonction biologique d’un peptide à partir de sa composition monomérique. En trois ans, Norine est devenue la ressource internationale pour les peptides non-ribosomiaux. / Nonribosomal peptides are molecules produced by microorganisms and displaying a broad spectrum of biological activities and pharmaceutical applications. They can harbor anti-microbial, immunomodulating or anti-tumor activities. These peptides are synthesized by huge multi-enzymatic complexes, called NonRibosomal Peptide Synthetases. Two main structural traits distinguish these peptides from the ribosomally synthesized ones : first, their primary structure is not always linear but is often cyclic (partially or totally), branched or poly-cyclic, and second, the diversity of monomers incorporated into nonribosomal peptides extends far beyond the 20 proteogenic amino acids residues. We have developed Norine, the first public resource entirely dedicated to nonribosomal peptides. Norine currently contains more than 1 000 peptides, modeled by non-oriented labeled graphs, and computational tools allowing their analysis, such as monomer composition comparison, structural pattern matching or similarity search. Statistical analysis of Norine data highlighted interesting biological properties such as a specific monomer composition depending on the biological activity, that led us to develop a tool for helping the prediction of peptide activity from its monomeric composition. In three years, Norine became the international resource for nonribosomal peptides.

Cinq isoformes d’amidon-synthétase ont été identifiées dans le génome des plantes supérieures. L’une d’entre elles, la GBSS (pour « Granule Bound Starch Synthase ») est liée de manière non covalente au grain d’amidon. Trois autres isoformes, SS1, SS2 et SS3, sont présentes sous forme soluble dans le chloroplaste, où elles participent à l’allongement des glucanes de l’amylopectine. Récemment, il a été proposé qu’une autre isoforme, la SS4, soit impliquée dans le contrôle du nombre de grains d’amidon par chloroplaste et de leur taille. Nous rapportons dans ce travail, l’analyse phénotypique des combinaisons doubles mutantes impliquant les mutations aux loci SS1, SS2 et SS3. Nos résultats, notamment les analyses de distribution de longueur des glucanes de l’amylopectine, montrent que la SS2 et la SS3 sont partiellement redondantes pour l’allongement des glucanes de DP 12 à DP 28. Par ailleurs, l’étude de la structure de l’amylopectine après digestion par la ß-amylase, indique que la synthèse normale du « squelette » du polymère nécessite la présence d’au moins deux des trois isoformes. Nous présentons par ailleurs, un ensemble de données qui indiquent que la SS4 est impliquée dans l’initiation de la synthèse d’amidon, et qu’elle est nécessaire et suffisante pour la production d’un nombre correct de grains d’amidon dans le chloroplaste. La fonction de la SS4 dans l’initiation peut être en partie assumée par la SS3, et la présence de l’une des deux isoformes est suffisante pour initier la synthèse d’amidon dans les triples mutants ss1- ss2- ss3- ou ss1- ss2- ss4-. / Five isoforms of starch synthase (the elongation enzyme of the starch pathway) have been identified in land plants genomes. One of them, the GBSS (Granule Bound Starch Synthase) is noncovalently bound to the starch granule and is responsible for amylose synthesis. Three other isoforms, SS1, SS2 and SS3, are soluble within the chloroplast, where they elongate the amylopectin-forming glucans. Recently, it has been proposed that another isoform, SS4, is involved in the control of the size and the number of starch granules per chloroplast. We are now reporting, the phenotypic analysis of double mutant combinations including mutations at SS1, SS2 and SS3 loci. The analysis of amylopectin glucan length distribution shows that SS2 and SS3 isoforms are partially redundant for the elongation of DP12 to DP28 glucans. In addition, structural studies of amylopectin after ß-amylolysis, suggest that the normal synthesis of amylopectin internal molecular structure requires the presence of at least two of the three isoforms. We also provide in this work, further evidences indicating that SS4 is involved in the initiation of starch synthesis, and that this isoform is necessary and sufficient for the production of the regular number of starch granules per chloroplast. However, SS3 activity is partially redundant to that of SS4 in this regard, and the presence of one of these isoforms is sufficient to initiate starch biosynthesis in the triple mutant lines ss1- ss2- ss3- and ss1- ss2- ss4-.

Cette thèse a porté sur l’étude de la biosynthèse d’un lipopeptide antifongique, la mycosubtiline, produit par Bacillus subtilis ATCC6633 sous la forme d’un mélange d’isoformes qui varient selon la longueur et l’isomérie de leur chaine d’acide gras. La nature de l’acide gras influence l’activité biologique du lipopeptide. La corrélation entre la synthèse des isoformes de mycosubtiline et d’acides gras cellulaires a été étudiée en faisant varier des conditions de culture telles que l’osmolarité, la température et la source d’azote. Les variations du profil d’acides gras influencent dans la majorité des cas le profil des mycosubtilines obtenues confirmant le rôle important de ces précurseurs pour la synthèse du lipopeptide. Les effets de la modification génétique de deux gènes intervenant dans la synthèse de ces précurseurs ont été également caractérisés. La surexpression du gène ilvA codant pour la thréonine déshydratase et intervenant donc dans la synthèse de l’isoleucine augmente la synthèse de la mycosubtiline anteisoC17 alors que l’interruption d’un gène régulateur pléiotropique codY favorise la formation de la forme isoC16. Une souche monoproductrice constitutive de mycosubtiline, obtenue par optimisation génétique de la souche ATCC 6633 a également été caractérisée. Enfin, une première approche de purification des synthétases impliquées dans la synthèse de la mycosubtiline a été réalisée. Ces études ont contribuées à une meilleure compréhension des paramètres influençant « in vivo » cette synthèse, ainsi qu’à l’amélioration de la production de mycosubtiline, et à la définition des conditions optimales d’obtention des isoformes les plus actives. / This thesis is about the study of an antifungal lipopeptide , the mycosubtilin produced by Bacillus subtilis ATCC 6633 as a co-production of isoforms which vary according to the length and the isomery of the fatty acids chain (mostly nC16, isoC16, nC17, isoC17 and anteisoC17). The nature of fatty acid chain influences the biological activity of the lipopeptide. The relationship between the mycosubtilin isoforms synthesis and the fatty acids synthesis was studied by the variation of growth parameters like osmolarity, temperature and nitrogen source. The important role of fatty acids precursors for the lipopeptides synthesis was confirmed by the influence of fatty acids pattern variations on the mycosubtilines pattern. The effects of genetic modification of two genes involved in synthesis of fatty acids precursors were also characterized. The overexpression of ilA coding for threonine deshydratase, involved in isoleucine synthesis increase the mycosubtilin anteisoC17 production while the knock-out of the pleitropic regulator gene codY improves the isoC16 mycosubtilin synthesis. Moreover, a mycosubtilin constitutive monoproductive strain, obtained by genetic optimization of ATCC 6633 strain was also characterized. Then, a preliminary purification approach of synthetases implied in mycosubtilin synthesis was realized. Those studies contribute to a better understanding of parameters influencing in vivo synthesis as well as the improvement of mycosubtilin production and the definition of optimal conditions to obtain the most active isoforms.

La conception des protéines ou ‘protein design' a pour but de développer des protéines possédant de nouvelles caractéristiques structurales et/ou fonctionnelles. Le principe consiste à identifier parmi toutes les séquences compatibles avec le repliement d'intérêt, celles qui vont conférer à la protéine, la fonction désirée. La procédure générale est réalisée en deux étapes. La première consiste à calculer une matrice d'énergie contenant les énergies d'interactions entre toutes les paires de résidus de la protéine en autorisant successivement tous les types d'acides aminés dans toutes leurs conformations possibles. La seconde étape, ou ‘phase d'optimisation', consiste à explorer simultanément l'espace des séquences et des conformations afin de déterminer la combinaison optimale d'acides aminés étant donné le repliement de départ. Ensuite, différents filtres peuvent être appliqués pour sélectionner les séquences fonctionnelles (étant donné le repliement d'intérêt) des non fonctionnelles. La première étape a consisté au développement de la procédure de ‘protein design', en particulier, à la mise en place et à l'optimisation de la fonction d'énergie ainsi qu'à l'implémentation de l'algorithme d'optimisation. Nous avons montré que notre procédure est robuste puisqu'elle a fait ses preuves dans des applications très diverses telles que la prédiction de l'orientation des chaînes latérales, la prédiction des changements de stabilité ou d'affinité associés à des mutations ponctuelles, ou encore la production de séquences de type natif pour un jeu de protéines globulaires. Pour l'ensemble de ces applications, la qualité des résultats obtenus est comparable à celle observée chez d'autres groupes. Ensuite, nous avons appliqué notre procédure à des systèmes plus complexes tels que les systèmes protéine:ligand. Nous nous sommes intéressés à l'aspartyl-ARNt synthétase (AspRS) et l'asparaginyl-ARNt synthétase (AsnRS). Ces enzymes jouent un rôle crucial dans la traduction du code génétique. Les synthétases fixent leur acide aminé spécifique sur leur ARNt correspondant établissant ainsi l'intégrité du code génétique. Tout d'abord nous avons réalisé le ‘design' des sites actifs d'AspRS et d'AsnRS en présence de leur ligand natif et non natif afin d'évaluer les performances de notre procédure. La qualité des séquences prédites est comparable à celle observée pour les protéines globulaires entières. Par ailleurs, nous avons montré que notre procédure était sensible à la nature du ligand présent dans la poche. Enfin, nous avons réalisé le ‘design' d'un nombre limité de positions dans le site actif de l'AsnRS de façon à ce qu'elle lie préférentiellement l'aspartate au détriment de l'asparagine. Un jeu de mutants prometteurs fut retenu. Leur stabilité et affinité pour les ligands natifs et non natifs est actuellement analysé par des simulations de dynamique moléculaire.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Les aminoacyl-ARNt synthetases (aaRS) sont des enzymes essentielles au processus de traduction des acides nucléiques (ADN) en séquences d'acides aminés (protéines). Elles catalysent l'estérification de chacun des 20 acides aminés à leurs ARN de transfert respectifs. Dans une première étape, l'acide aminé est activé pour donner un intermédiaire instable (aa-AMP), lequel réagit avec l'ARNt correspondant dans une seconde étape pour générer l'ARNt aminoacylé (aa-ARNt). Les inhibiteurs synthétisés dans le cas présent sont des analogues de l'intermédiaire instable (chapitres 2, 3 et 4). Les inhibiteurs des aminoacyl-ARNt synthetases ont plusieurs utilités : faciliter la cristallisation des aaRS en vue de déterminer leurs structures par diffraction des rayons-X, étudier les mécanismes réactionnels des aaRS, et à plus long terme, approfondir la recherche sur de nouvelles thérapies antibiotiques. Les aaRS ont évolué de façon divergente entre les procaryotes et les eucaryotes, ce qui rend possible l'inhibition sélective des aaRS bactériennes. Plusieurs bactéries ne possèdent pas la glutamine-ARNt synthetase et utilisent donc une voie indirecte pour le chargement de l'ARNt correspondant (Gln-ARNtGln). En premier lieu, l'acide glutamique est estérifié avec l'ARNt par une glutamyl-ARNt synthetase non discriminante (ND-GluRS). L'ARNtGln incorrectement apparié (Glu-ARNtGln) est par la suite transformé par une aminoacyl-ARNt amidotransférase (AdT) pour donner l'ARNt correctement apparié (Gln-ARNtGln). Ce type de mécanisme existe aussi pour le chargement de l'ARNt correspondant à l'asparagine (transamidation de l'Asp-ARNtAsn). Très peu d'inhibiteurs des aminoacyl-ARNt amidotransférases ont été rapportés jusqu'à maintenant. Pourtant, l'absence de cette enzyme dans le cytoplasme des cellules eucaryotes en fait une cible intéressante pour le développement d'antibiotiques. Le design et la synthèse de nouveaux inhibiteurs ont été réalisés en se basant sur le mécanisme des aminoacyl-ARNt amidotransférases (chapitre 5, 6 et 7).

Cette thèse présente la découverte de nouveaux inhibiteurs de l’amidotranférase ARNt-dépendante (AdT), et résume les connaissances récentes sur la biosynthèse du Gln-ARNtGln et de l’Asn-ARNtAsn par la voie indirecte chez la bactérie Helicobacter pylori. Dans le cytoplasme des eucaryotes, vingt acides aminés sont liés à leur ARNt correspondant par vingt aminoacyl-ARNt synthétases (aaRSs). Ces enzymes sont très spécifiques, et leur fonction est importante pour le décodage correct du code génétique. Cependant, la plupart des bactéries, dont H. pylori, sont dépourvues d’asparaginyl-ARNt synthétase et/ou de glutaminyl-ARNt synthétase. Pour former le Gln-ARNtGln, H. pylori utilise une GluRS noncanonique nommée GluRS2 qui glutamyle spécifiquement l’ARNtGln ; ensuite, une AdT trimérique, la GatCAB corrige le Glu-ARNtGln mésapparié en le transamidant pour former le Gln-ARNtGln, qui lira correctement les codons glutamine pendant la biosynthèse des protéines sur les ribosomes. La formation de l’Asn-ARNtAsn est similaire à celle du Gln-ARNtGln, et utilise la même GatCAB et une AspRS non-discriminatrice. Depuis des années 2000, la GatCAB est considérée comme une cible prometteuse pour le développement de nouveaux antibiotiques, puisqu’elle est absente du cytoplasme de l’être humain, et qu’elle est encodée dans le génome de plusieurs bactéries pathogènes. Dans le chapitre 3, nous présentons la découverte par la technique du « phage display » de peptides cycliques riches en tryptophane et en proline, et qui inhibent l’activité de la GatCAB de H. pylori. Les peptides P10 (CMPVWKPDC) et P9 (CSAHNWPNC) inhibent cette enzyme de façon compétitive par rapport au substrat Glu-ARNtGln. Leur constante d’inhibition (Ki) est 126 μM pour P10, et 392 μM pour P9. Des modèles moléculaires ont montré qu’ils lient le site actif de la réaction de transmidation catalysée par la GatCAB, grâce à la formation d’une interaction π-π entre le résidu Trp de ces peptides et le résidu Tyr81 de la sous-unité GatB, comme fait le A76 3’-terminal de l’ARNt. Dans une autre étude concernant des petits composés contenant un groupe sulfone, et qui mimiquent l’intermédiaire de la réaction de transamidation, nous avons identifié des composés qui inhibent la GatCAB de H. pylori de façon compétitive par rapport au substrat Glu-ARNtGln. Cinq fois plus petits que les peptides cycliques mentionnés plus haut, ces composés inhibent l’activité de la GatCAB avec des Ki de 139 μM pour le composé 7, et de 214 μM pour le composé 4. Ces inhibiteurs de GatCAB pourraient être utiles pour des études mécanistiques, et pourraient être des molécules de base pour le développement de nouvelles classes d’antibiotiques contre des infections causées par H. pylori. / This thesis describes the discovery of inhibitors of a tRNA-dependent amidotransferase (AdT) and summarizes the present state of our knowledge about the two-step biosynthesis of Gln-tRNAGln and Asn-tRNAAsn in Helicobacter pylori. In eukaryotic cytoplasm, twenty amino acids (aa) are generally attached to their cognate tRNAs by twenty corresponding aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs). These enzymes have a high specificity, and their function is important to the proper decoding of mRNA. However, in a number of bacteria including H. pylori, GlnRS and/or AsnRS are absent. To synthesize Gln-tRNAGln, H. pylori first uses a noncanonical GluRS2 which is specific for tRNAGln to form Glu-tRNAGln; then the trimeric AdT (GatCAB) transforms Glu-tRNAGln into Gln-tRNAGln which is proper for protein biosynthesis. In a similar manner, the biosynthesis of Asn-tRNAAsn also takes place in H. pylori by using the same GatCAB and a canonical nondiscriminating AspRS. The widespread use of these indirect pathways among prominent human pathogens, and their absence in the mammalian cytoplasm, identify AdT as a promising target for the development of new and highly specific antimicrobial agents. By using phage display, we discovered several cyclic peptides rich in tryptophan and proline that inhibit H. pylori GatCAB. Peptides P10 (CMPVWKPDC) and P9 (CSAHNWPNC) are competitive inhibitors of GatCAB with respect to its substrate Glu-tRNAGln. The inhibition constants (Ki) of P10 and P9 are 126 and 392 μM, respectively. Their docking models revealed that they bind to the transamidation active site of GatB via π-π stacking interactions with Tyr81, as does the 3’-terminal A76 of tRNA. We also discovered two small dipeptide-like sulfone-containing inhibitors of H. pylori GatCAB by mimicking the intermediate of its transamidation reaction. Although they are much smaller than the cyclic peptides mentioned above, they are competitive inhibitors of GatCAB with respect to GlutRNAGln, with Ki values of 139 μM for compound 7 and 214 μM for compound 4. These inhibitors could be useful not only to study the reaction mechanisms of GatCAB, but also could be lead compounds for the development of a new class of antibiotics to treat infections caused by H. pylori.

Les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS) jouent un rôle essentiel dans la synthèse des protéines. Ces enzymes lient un acide aminé particulier sur un ARNt correspondant. Cependant, il y a deux types d'aaRS : des aaRS discriminantes (aaRS-D) et des aaRS non discriminantes (aaRS-ND). Chez certaines bactéries, une aaRS-ND charge deux types d'ARNts. L'AspRS-ND et l'AdT de P. aeruginosa ont été surproduites et purifiées. L'AspRS-ND a servi pour la synthèse d'Asp-ARNtAsn , un des substrats de l'AdT; une valeur de 0.93 fiM a été obtenue pour la Km de l'AdT pour ce substrat et une kcat de 0.8 s"1 . Ensuite, nous avons montré que l'aspartycine et la glutamycine, deux analogues des substrats Asp-ARNt^11 et Glu-ARNtGln , sont des inhibiteurs compétitifs de l'AdT par rapport à l'Asp-ARNr^11 avec des Zic de 125 et 50 pM., respectivement. Enfin, une sulfone analogue d'un intermédiaire de la réaction de transamidation est un inhibiteur compétitif de l'AdT avec une KK de 65 uM.

La résistance développée par les bactéries aux antibiotiques est un problème d'échelle mondiale qui a récemment attiré beaucoup d'intérêt. En effet, particulièrement chez les bactéries à Gram-négatif, on constate une depletion rapide de la quantité d'antibiotiques efficaces. De nos jours, les programmes de recherche de nouveaux antibiotiques commencent souvent par le criblage de cibles cellulaires. Les enzymes Mur, impliquées dans la biosynthèse de la paroi, sont uniques aux cellules bactériennes et nécessaires à leur survie. Le présent mémoire décrit l'utilisation des méthodes de bio-informatique structurale pour mettre en lumière un possible mécanisme d'action pour deux inhibiteurs des Mur ligases précédemment découverts : MurDpl etMurFpl. De plus, les recherches ici présentées ont permis de découvrir une grande similarité entre MurDpl et une famille de peptides antimicrobiens naturels, les tigerinines. Leur capacité à pénétrer les cellules bactériennes et la difficulté pour les bactéries de développer une résistance aux peptides antimicrobiens en général en font des composés de départ prometteurs. Nous suggérons que MurD pourrait être une cible intracellulaire des tigerinines et proposons un mécanisme d'action. De plus, par des moyens informatiques, nous évaluons les possibilités de raffiner MurDpl, MurFpl et les tigerinines de façon à augmenter leur activité.

Les aminoacyl-ARNt synthétases catalysent la formation des aminoacyl-ARNt, utilisés lors de la synthèse protéique et peuvent également former des complexes multi-synthétasiques (MSC). Chez S. cerevisiae, le complexe AME associe les glutamyl- et méthionyl-ARNt synthétases à la protéine d’ancrage Arc1 et joue un rôle primordial dans la coordination de l’expression des génomes nucléaire et mitochondrial. Tous les composants de ce MSC sont multi-localisés et assurent des fonctions essentielles dans d’autres compartiments. Pour étudier ces localisations multiples, nous avons élaboré un outil, basé sur la Split-GFP, qui nous permet de visualiser spécifiquement la fraction organellaire d’une protéine multi-localisée. Pour cela, la GFP a été séparée en deux fragments : i) β1-10, restreint à un compartiment subcellulaire et ii) β11, fusionné aux protéines d’intérêts. Cet outil nous a permis d’étudier diverses relocalisations, ainsi que de délimiter des signaux d’import. / Aminoacyl-tRNA synthetases catalyze aminoacyl-tRNA formation, required for protein synthesis but can also associate into multi-synthetase complexes (MSC). In S. cerevisiae, the AME complex contains glutamyl- and methionyl-tRNA synthetases bound to the anchor protein Arc1 and is responsible for the coordination of nuclear and mitochondrial genome expression. The three MSC partners are multi-localized and present simultaneously in several compartments. The detection of the organellar pools of these multilocalized proteins in vivo is difficult, since they are mainly cytosolic. Therefore, we engineered a split-GFP based localization tool that allows us to specifically visualize organellar fractions of multi-localized proteins. To do so, GFP was split into two parts: β1-10, restricted to a subcellular compartment and β11, fused to the protein of interest. This tool allowed us to study relocalization of cytosolic proteins and characterize targeting signals.

Les peptides non-ribosomiaux sont des molécules produites par les micro-organismes et présentant un large éventail d'activités biologiques et pharmaceutiques. Par exemple, ils peuvent présenter des activités antibiotiques, immuno-modulatrices ou anti-tumorales. Ces peptides sont synthétisés par de grands complexes multi-enzymatiques, appelés synthétases ou NRPS (NonRibosomal Peptide Synthetases). Deux traits caractéristiques distinguent ces peptides des peptides ribosomiaux classiques : le premier est que leur structure primaire n'est pas toujours linéaire mais peut être totalement ou partiellement cyclique, branchée voir même poly-cyclique, et le second est la diversité des monomères incorporés au sein de ces peptides qui dépasse largement les vingt acides aminés protéogéniques. Nous avons développé Norine, la première ressource publique entièement dédiée aux peptides nonribosomiaux. Norine contient actuellement plus de 1 000 peptides, modélisés par des graphes étiquetés non-orientés, ainsi que des outils informatiques permettant leur analyse, comme la comparaison de compositions en monomères, la recherche de motifs structuraux ou la recherche par similarité. Des analyses statistiques sur les données contenues dans Norine ont permis de mettre en évidence des caractéristiques biologiques intéressantes comme la spécificité des monomères en fonction de l'activité biologique qui nous a conduit à l'élaboration d'un outil d'aide à la prédiction de la fonction biologique d'un peptide à partir de sa composition monomérique. En trois ans, Norine est devenue la ressource internationale pour les peptides non-ribosomiaux.