Les processus mitochondriaux tels que la réplication et la traduction sont effectués par des complexes multiprotéiques. Par contre, le métabolisme et la voie de maturation des ARN mitochondriaux (p. ex précurseurs des ARNt et des ARNr) sont habituellement traités comme une suite de réactions catalysées par des protéines séparées. L’exécution fidèle et optimale de ces processus mitochondriaux, exige un couplage étroit nécessaire pour la canalisation des intermédiaires métaboliques. Or, les évidences en faveur de l'interconnexion postulée de ces processus cellulaires sont peu nombreuses et proviennent en grande partie des interactions protéine-protéine. Contrairement à la perception classique, nos résultats révèlent l’organisation des fonctions cellulaires telles que la transcription, la traduction, le métabolisme et la régulation en supercomplexes multifonctionnels stables, dans les mitochondries des champignons (ex Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus nidulans et Neurospora crassa), des animaux (ex Bos taurus), des plantes (B. oleracea et Arabidopsis thaliana) et chez les bactéries (ex E. coli) à partir desquelles les mitochondries descendent. La composition de ces supercomplexes chez les champignons et les animaux est comparable à celle de levure, toutefois, chez les plantes et E. coli ils comportent des différences notables (ex, présence des enzymes spécifiques à la voie de biosynthèse des sucres et les léctines chez B. oleracea). Chez la levure, en accord avec les changements dûs à la répression catabolique du glucose, nos résultats révèlent que les supercomplexes sont dynamiques et que leur composition en protéines dépend des stimulis et de la régulation cellulaire. De plus, nous montrons que l’inactivation de la voie de biosynthèse des lipides de type II (FASII) perturbe l’assemblage et/ou la biogenèse du supercomplexe de la RNase P (responsable de la maturation en 5’ des précurseurs des ARNt), ce qui suggère que de multiples effets pléiotropiques peuvent être de nature structurale entre les protéines. Chez la levure et chez E. coli, nos études de la maturation in vitro des précurseurs des ARNt et de la protéomique révèlent l’association de la RNase P avec les enzymes de la maturation d’ARNt en 3’. En effet, la voie de maturation des pré-ARNt et des ARNr, et la dégradation des ARN mitochondriaux semblent êtres associées avec la machinerie de la traduction au sein d’un même supercomplexe multifonctionnel dans la mitochondrie de la levure. Chez E. coli, nous avons caractérisé un supercomplexe similaire qui inclut en plus de la RNase P: la PNPase, le complexe du RNA degradosome, l’ARN polymérase, quatre facteurs de transcription, neuf aminoacyl-tRNA synthétases, onze protéines ribosomiques, des chaperons et certaines protéines métaboliques. Ces résultats supposent l’association physique de la transcription, la voie de maturation et d’aminoacylation des ARNt, la dégradation des ARN. Le nombre de cas où les activités cellulaires sont fonctionnellement et structurellement associées est certainement à la hausse (ex, l’éditosome et le complexe de la glycolyse). En effet, l’organisation en supercomplexe multifonctionnel représente probablement l’unité fonctionnelle dans les cellules et les analyses de ces super-structures peuvent devenir la prochaine cible de la biologie structurale. / It is known that processes such as transcription, translation and intron splicing require a multitude of proteins (plus a few non-protein components) organized in large ‘molecular machines’. But, according to traditional views, processing of RNA precursors (e.g., tRNA and rRNA) and metabolic pathways are pools of individual enzymes (single proteins or small complexes), with sequential enzymatic reaction steps connected via diffusible metabolites. This perception is incompatible with the ‘molecular crowding’ in most cellular compartments (e.g., 60% in the mitochondrial matrix). It is also not in line with the cumulating indirect evidence from comprehensive studies of protein-protein interactions and affinity purification, showing that numerous protein complexes involving different metabolic and regulatory processes are interconnected. However, direct evidence of extensive cross-talk among diverse cellular processes remains to be clearly demonstrated. Here we show that in mitochondria of yeast and other fungi (Neurospora crassa and Rhizopus oryzae), animal (Bos taurus), plant (Brassica oleracea), and in E. coli (standing for the “bacterial ancestor” of mitochondria), metabolism is physically interlinked (in supercomplexes) with translation, replication, transcription and RNA processing. Further, the supercomplexes also contain a variety of helper proteins, in support of earlier reports that describe such proteins as important structural units assisting complex assembly. Whereas the composition of supercomplexes in fungi (e.g., Neurospora crassa), animals and yeast is relatively similar, plants and E. coli present substantial compositional differences (e.g., plant-specific enzymes involved in the biosynthesis of sugars and secondary metabolites). In yeast, the supercomplex pattern of glucose-repressed cells is completely different from that of cells grown on galactose/glycerol, and the protein composition perfectly correlates with known regulatory changes under glucose repression. The destabilization of the complex organization is also illustrated by the deletion of genes in the mitochondrial fatty acid type II biosynthetic pathway (mutant strain oar1Δ). Mutants have both, a defect in fatty acid synthesis and in 5’ processing of mitochondrial tRNA, and no longer have a supercomplex containing Oar1p and components of RNase P (5’ tRNA processing). The pleiotropic mutant phenotype is best explained by a structural (assembly) defect. Also in yeast mitochondria, we demonstrate that RNase P and tRNA Z activities are part of a large complex, which further includes the RNA degradosome complex, five additional RNA processing proteins, and several other mitochondrial pathways. 5’ and 3’ tRNA processing enzymes are also associated in a large, multifunctional supercomplex in E. coli that includes six out of the seven proteins of the RNA degradosome, nine aminoacyl-tRNA synthases, RNA polymerase plus four transcription factors, eleven ribosomal proteins plus four translation factors, several components of protein folding and maturation, and a small set of metabolic enzymes. Apparently, not only is RNA processing coordinated, but it is also structurally connected to aminoacylation, transcription and other cellular functions. The number of documented cases where functionally related activities are structurally integrated is definitely increasing (e.g., editosome, glycolysis complex, etc). Indeed, structural integration of related functions and pathways may turn out to be a principle and the analyses of such super-structures may become a next structural biology frontier.

Fluorescence in blue light (FLU) ist ein negativer Feedbackregulator der Chlorophyllbiosynthese, welcher an der Dunkelrepression der 5-Aminolävulinsäure (ALA)-Synthese beteiligt ist. FLU ist Teil eines Komplexes, der die Enzyme umfasst, welche an der Katalyse der finalen Schritte der Chlorophyllbiosynthese beteiligt sind. Drei funktionelle Domänen wurden für das Arabidopsis FLU Protein postuliert: eine Tetratricopeptid-Wiederholungsdomäne (TPR) befindet sich am C-Terminus; eine Transmembrandomäne (TM) ist am N-Terminus lokalisiert; eine Coiled-coil-Domäne (linker) liegt dazwischen. Die TPR-Domäne von FLU Domäne interagiert mit dem C-terminalen Ende der Glutamyl-tRNA Reduktase (GluTR), dem geschwindigkeitsbestimmenden Enzym der ALA-Synthese. Diese Arbeit zur Erweiterung des Wissen über die Funktion von FLU im Licht sowie über die Rolle der funktionellen Domänen von FLU bei der Inaktivierung der ALA-Synthese bei. / Fluorescence in blue light (FLU), a negative feedback regulator of chlorophyll biosynthesis, is involved in dark repression of 5-aminolevulinic acid (ALA) synthesis. FLU is part of a complex comprising the enzymes catalyzing the final steps of chlorophyll synthesis. Three functional domains were proposed in the Arabidopsis FLU protein: a tetratricopeptide repeat (TPR) domain is at the C-terminus; a transmembrane domain (TM) is at the N-terminus; a coiled-coil domain (linker) is in between. The TPR(FLU) domain interacts with the C-terminal end of glutamyl-tRNA reductase (GluTR), the rate-limiting enzyme of ALA synthesis. This thesis contributes to the extended knowledge about the function of FLU in light as well as the role of the structural domains of FLU in the inactivation of ALA synthesis.

The complexity of all biomolecules in existence today can be attributed to the variation of the amino acid repertoire. In nature, 20 canonical amino acids are translated to form these biomolecules, however, many of these amino acids have revealed posttranslational modifications (i.e. acetylation, methylation) after incorporation. Amino acids that exhibit PTM are known for their involvement in cellular processes such as DNA repair and DNA replication; these PTMs are commonly found on histones within the chromatin complex. Utilization of in vivo site-specific incorporation has recently reported functionality of post-translationally modified amino acids.1 xii Here we report the synthesis and in vivo site-specific incorporation of the histone PTM, 2-hydroxyisobutyrl lysine (Khib), with the pyrrolysyl tRNA/ RNA synthetase system. This translational machine can better serve to probe Khib for functional benefits. Additionally, this thesis focuses much of its attention on the development of unnatural amino acids (UAA) with optogenetic characteristics. These UAAs, if site-specifically incorporated, can be used to control enzymes and proteins through rapid light perturbation (365nm UV light). Furthermore, discussed is the synthesis of photo-caged threonine and photo-caged serine as potential substrates for the pyrrolysyl translational machinery.

La méthylation de l’adénine en position 58 des ARNt (m1A58) est présente dans les trois domaines de vie et joue un rôle crucial chez plusieurs organismes. Sa formation est catalysée par la méthyltransférase SAM-dépendante TrmI. Alors que chez les eucaryotes et les bactéries, TrmI est site-spécifique pour l’adénine en position 58, chez l’archée Pyrococcus abyssi, TrmI est région-spécifique puisqu’elle catalyse également la méthylation de l’adénine en position 57. Nous nous sommes intéressés à cette enzyme, PabTrmI, pour comprendre cette différence de spécificité par rapport à ses homologues eucaryotes et bactériens.La structure cristallographique de l'enzyme, en complexe avec son cofacteur SAM ainsi qu’avec le produit de la réaction, la SAH, nous a conduit à construire différents mutants de la protéine et de son substrat ARNt. Nous avons ainsi montré que His78, située à l’entrée du site actif, est mobile et est importante pour l’efficacité catalytique de PabTrmI. L’analyse des positions de méthylation par spectrométrie de masse, simple et en tandem, montre qu’une partie de la région-spécificité de l’enzyme pour certains ARNt de P. abyssi, est liée à la présence de trois adénines consécutives, PabTrmI ne méthylant que la première adénine d’une séquence AA.En vue d’étudier les cinétiques rapides du mécanisme de retournement de la base de l’ARNt par l’enzyme région-spécifique PabTrmI et l’enzyme bactérienne site-spécifique TthTrmI de T. thermophilus, nous avons vérifié dans un premier temps, par spectrométrie de masse, qu’un mini-ARNt, constitué de la tige acceptrice et de la tige-boucle T, est substrat de TrmI. / The methylation of adenine 58 in the T-loop of tRNAs (m1A58) is a modification present in all three domains of life. An important biological role for m1A58 has been demonstrated in different organisms. Its formation is catalyzed by the SAM-dependent methyltransferase TrmI. In contrast to bacterial and eukaryotic tRNA m1A58 methyltransferases that are site-specific, the homologous archaeal enzyme from Pyrococcus abyssi is region-specific, since it catalyzes the formation of m1A also at the adjacent position 57. A structural and biochemical study of this enzyme, PabTrmI, was undertaken to shed light on the origin of the multisite recognition mechanism.First, we determined the crystal structure of PabTrmI in complex with its cofactor SAM and the reaction product SAH. These structures enabled us to construct both protein and tRNA mutants. We show that His78, which lies near the active site, is mobile and important for catalytic efficiency of PabTrmI. The analysis of the méthylation positions, by mass spectrometry, shows that at least part of the enzyme region-specificity for several P. abyssi tRNAs, is related to the presence of three consecutive adenines, with the enzyme modifying the first adenine of an AA sequence.To investigate the mechanism of tRNA base flipping by the region-specific enzyme PabTrmI and the site-specific bacterial enzyme TthTrmI of T. thermophilus, we checked, as a first step, by mass spectrometry, that a mini-tRNA, formed from the acceptor stem and the T-arm, was substrate of TrmI.

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1), est un rétrovirus dont le génome est composé de deux molécules d’ARN simple brin. La transcriptase inverse codée par le VIH-1 utilise l’ARNt3Lys de la cellule hôte pour amorcer la réplication de son génome ARN en ADN proviral. L’ARNt3Lys est encapsidé dans les virions lors de l’assemblage; la lysyl-ARNt synthétase (LysRS) cellulaire est impliquée dans ce mécanisme et sert de co-transporteur à l’ARNt3Lys.Chez l’homme, il existe deux formes de LysRS, une forme cytoplasmique (cLysRS) et une forme mitochondriale (pmLysRS) qui donnera la forme mature (mLysRS) après translocation dans la mitochondrie. Les deux LysRS sont issues d’un même gène par épissage alternatif. Il a été démontré que seule la forme mitochondriale est présente dans les particules virales.Nous avons établi un modèle des interactions protéine-protéine impliquées dans la formation du complexe d’encapsidation de l’ARNt3Lys. En recherchant les interactions des précurseurs Gag et GagPol avec les LysRS et leurs domaines, nous avons démontré que seul le domaine Pol du précurseur GagPol a la capacité de s’associer à la LysRS. Ce sont les sous-domaines transframe TF et intégrase IN du domaine Pol qui permettent l’association entre LysRS et GagPol. Cette association se fait via le domaine catalytique de l’enzyme. La sélectivité de l'encapsidation de la forme mitochondriale de LysRS aux dépens de sa forme cytoplasmique pourrait résider dans la stricte compartimentation cellulaire de ces deux formes enzymatiques. Nous avons voulu établir à quel stade l’encapsidation de la LysRS mitochondriale a lieu, soit avant sa translocation mitochondriale sous forme de précurseur pmLysRS, soit après sous forme mLysRS maturée. Nous avons déterminé le site de maturation du précurseur pmLysRS puis caractérisé les deux formes mitochondriales de la LysRS, en déterminant leurs paramètres cinétiques et leur affinité pour l’ARNt3Lys. Alors que la forme pmLysRS ne forme pas de complexe stable avec l’ARNt, la forme maturée mLysRS est la plus apte à interagir avec l’ARNt3Lys. Ce serait donc la mLysRS qui serait impliquée dans le transport de l’ARNt3Lys dans les particules virales lors du bourgeonnement.Comme l'interaction GagPol:LysRS n'est pas spécifique in vitro de la forme mLysRS qui est la seule espèce de LysRS encapsidée, nous avons recherché si d’autres protéines virales pouvaient intervenir dans la formation du complexe d’encapsidation et conférer la spécificité pour la seule mLysRS. Nous avons montré que les protéines auxiliaires Rev et Vpr ont la capacité à s’associer à la LysRS sans distinction d'origine, mais ne peuvent interagir dans le contexte du complexe d'encapsidation GagPol:mLysRS:ARNt3Lys. Les différentes formes de LysRS pourraient ainsi réguler l'activité de Vpr et Rev à d'autres étapes du cycle viral. / The Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) is a retrovirus with a genome composed of two molecules of single stranded RNA. The reverse transcriptase encoded by HIV-1 uses the cellular tRNA3Lys to prime the replication of its RNA genome into a proviral DNA. The tRNA3Lys is packaged into the viral particles during their assembly; the cellular lysyl-tRNA synthetase (LysRS) is involved in this mechanism as a co-carrier of tRNA3Lys.In human, there are two forms of LysRS, a cytoplasmic form (cLysRS) and a mitochondrial form (pmLysRS) that will be maturated into mLysRS after translocation into the mitochondrion. Both LysRS arise from the same gene by alternative splicing. It was demonstrated that only the mitochondrial species is present in the viral particles.We established a model of the protein-protein interactions which are implied in the formation of the packaging complex of tRNA3Lys. By searching for interactions of the viral precursors Gag and GagPol with the LysRS species and their domains, we demonstrated that only the Pol domain of the GagPol precursor has the capacity to interact with LysRS. The transframe (TF) and integrase (IN) domains of the Pol region of the polyprotein GagPol are required for association of LysRS with GagPol. This association is mediated by the catalytic domain of the enzyme. The selectivity of the packaging of the mitochondrial species of LysRS but not of its cytoplasmic species would rest on the cellular compartmentalization of these two enzyme forms. To establish at which step the mitochondrial LysRS is packaged, either as the pmLysRS precursor before its mitochondrial translocation, or after as the mature mLysRS, we determined the site of maturation of the pmLysRS precursor, then we characterized both mitochondrial forms of LysRS, by determining their kinetic parameters and their affinity for tRNA3Lys. Whereas the pmLysRS species did not form a stable complex with tRNA, the mature pmLysRS species did. Thus, mLysRS is the only LysRS species which could be implied in the transport of tRNA3Lys into the viral particles during the budding step. In vitro, the interaction GagPol:LysRS is not specific for the mLysRS species, but only the mitochondrial LysRS is packaged into the viral particles. We determined if another viral protein could impact the specificity of mLysRS packaging. We showed that the auxiliary proteins Rev and Vpr have the capacity to interact with LysRS but this intercation is not recovered in the context of the GagPol:mLysRS:tRNA3Lys packaging complex. These data suggest that the different forms of LysRS might regulate the activity of Vpr and Rev at other steps of the viral cycle.

Les ARN de transfert, éléments centraux de la traduction, présentent une grande variété de nucléosides modifiés dérivés des nucléosides canoniques (A, U, G et C), qui modulent la stabilité, la capacité de décodage et l’identité de ces molécules. t6A (thréonylcarbamoyl-N6-Adénosine) est un nucléoside hypermodifié retrouvé en position 37 (adjacent à l’anticodon) au niveau de tous les ARNt qui s’apparient aux codons de la forme ANN. Il joue un rôle essentiel dans la fidélité de traduction à travers deux fonctions principales : (i) il intervient dans le maintien de la bonne conformation de la boucle anticodon ; (ii) il facilite l’appariement codon/anticodon afin d’éviter le décalage de cadre de lecture durant la synthèse protéique. Ce nucléoside modifié est universel, présent chez les Archées, les Bactéries, les Eucaryotes, mais également chez les organites (mitochondries et chloroplastes), ce qui suggère que son apparition représente une acquisition évolutive importante et très ancienne, probablement antérieure au dernier ancêtre commun universel (LUCA). Pourtant, la voie de biosynthèse de t6A est restée inconnue pendant près de quarante ans.Récemment, des études de génétique ont montré que deux protéines universelles, Sua5/YrdC et Kae1/YgjD, sont nécessaires à sa synthèse chez Saccharomyces cerevisiae et Escherichia coli. Chez les Bactéries, la synthèse in vitro de t6A requiert la présence de deux autres protéines spécifiques à ce domaine du vivant : YeaZ et YjeE. Chez les Archées et les Eucaryotes, Kae1 (l’orthologue de YgjD) fait partie d’un complexe protéique conservé appelé KEOPS (pour Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), aux côtés de trois autres protéines : Bud32, Cgi121 et Pcc1, qui n’ont pas d’homologues chez les Bactéries. Depuis sa découverte en 2006 chez S.cerevisiae, ce complexe a été impliqué dans plusieurs processus cellulaires (homéostasie des télomères, maintien du génome, régulation de la transcription), sans que sa fonction ne soit clairement élucidée.Nous avons entrepris de caractériser et de comparer par une approche biochimique in vitro les machineries de biosynthèse de t6A issues des trois domaines du vivants, en utilisant comme organismes modèles l’Archée Pyrococcus abyssi, l’Eucaryote Saccharomyces cerevisiae et la Bactérie Escherichia coli. (i) Nous avons montré pour la première fois que le complexe KEOPS et la protéine Sua5 catalysent ensemble la synthèse de t6A chez les Archées et les Eucaryotes. Nos résultats nous ont permis d’élaborer un modèle de mécanisme catalytique, et nous avons montré par des expériences de complémentation in vitro que ce mécanisme est universel : les différents orthologues Sua5/YrdC sont interchangeables, et le complexe KEOPS est l’analogue fonctionnel du trio de protéines YgjD/YeaZ/YjeE Bactérien. (ii) Nous avons alors étudié le rôle de chacune des sous-unités du complexe KEOPS de Pyrococcus abyssi dans la synthèse de t6A. Ainsi, nous avons montré que Kae1 est le seul composant catalytique stricto sensus et que les trois autres partenaires ont des fonctions distinctes dans la régulation de l’activité catalytique. (iii) Enfin, nous avons étudié la synthèse de t6A chez la mitochondrie de S.cerevisiae, et avons montré que Sua5 et la protéine Qri7, l’orthologue mitochondrial de Kae1/YgjD, catalysent ensemble la synthèse de t6A et constituent ainsi un système minimaliste à deux composants.Ces résultats ouvrent la voie à une compréhension détaillée du mécanisme de biosynthèse de t6A dans les trois domaines du vivant, et permettent de proposer des scénarii évolutifs concernant l’histoire de la machinerie de synthèse de ce nucléoside modifié universel. / Transfer RNA are central elements of the translational system and carry a large diversity of modified nucleosides (derived from canonical nucleosides A, U, G, and C), which tune the stability, the decoding capacity and the identity of these oligonucleotides. t6A (threonylcarbamoyl-N6- adenosine) is a hypermodified nucleoside found at the position 37 (next to the anticodon) in all tRNA decoding ANN codons. It plays an essential role in the fidelity of translation through two main functions: (i) it ensures a correct conformation of the anticodon loop; (ii) it enhances codon/anticodon pairing to prevent frameshifting during translation. This nucleoside is universal, found in Archaea, Bacteria, Eukarya and also in organites such as mitochondria, which suggests that it appeared early in the evolution, probably before the last universal common ancestor (LUCA). Despite the importance of t6A and its distribution, its biosynthetic pathway has remained unknown for almost 40 years.Recently, genetic studies have shown that two universal proteins, Sua5/YrdC and Kae1/YgjD, are both necessary for synthesis of t6A in Saccharomyces cerevisiae and Escherichia coli. In Bacteria, the in vitro synthesis of t6A requires two other bacterial specific proteins called YeaZ and YjeE. In Archaea and Eukarya, Kae1 (the YgjD orthologue) is a part of a conserved protein complex called KEOPS (for Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), with three other proteins Bud32, Cgi121 and Pcc1, that have no bacterial homologues. Since its discovery in 2006 in yeast, this complex has been involved in several cellular processes (telomere homeostasis, genome maintenance, transcription regulation), but its real function remained unclear.Using an in vitro biochemical approach we aimed to characterize and compare the t6A biosynthesis systems from the three domains of life, using as model organisms Pyrococcus abyssi (Archaea) Saccharomyces cerevisiae (Eukarya), and Escherichia coli (Bacteria). We have reconstituted for the first time an in vitro system for t6A modification in Archaea and Eukarya, using purified KEOPS and Sua5. This allowed us to propose a model for the catalytic mechanism, and using in vitro complementation experiments we demonstrated that this mechanism is universal: Sua5/YrdC orthologues are interchangeable, and the KEOPS complex is the functional analogue of the bacterial trio YeaZ/YgjD/YjeE. In the second part of this work we have studied the role of each sub unit in the synthesis of t6A. Using KEOPS from P. abyssi as model we demonstrated that Kae1 is the only catalytic component while the three other partners have distinct functions in dimerization, tRNA binding and allosteric regulation. Finally, we have focused on the t6A synthesis in the mitochondria of S.cerevisiae, and shown that Sua5 and Qri7, the mitochondrial orthologue of Kae1/YgjD, catalyze together the synthesis of t6A and so represent a minimal two-component system.Overall these findings shed light on the reaction mechanism of t6A synthesis in the three domains of life, and allowed proposing a scenario concerning the history of the t6A synthesis machinery and its evolution.

Cela fait plus de quarante ans que la plupart des modifications des ARNt ont été découvertes mais ce n’est que récemment que les gènes correspondants ont pu être identifié. La modification N6-threonylcarbamoyl adénosine (t6A) est universelle et se trouve à la position 37, adjacente de l’anticodon, dans de nombreux ARNt. Les quatre gènes responsables de la synthèse de cette modification chez les bactéries furent découverts par des approches de génomique comparative mais uniquement deux de ces gènes sont universels, TsaC/Sua5 et TsaD/Kae1/Qri7. Des travaux récents ont révélé qu'il existait différentes voies enzymatiques pour la synthèse de cette modification selon domaine de la vie, les organelles et les espèces considérés. L'étude de ces variations est toujours en cours de caractérisation.Ce travail a identifié quatre autres protéines requises pour la synthèse de t6A dans les ARNt cytoplasmiques de levure (Bud32, Pcc1, Cgi121 et Gon7) et établi que seuls Sua5 et Qri7 sont requis pour modifier les ARNt mitochondriaux. La même enzyme, Sua5, effectue la première étape de la synthèse de t6A à la fois dans le cytoplasme et les mitochondries. Cette protéine peut être localisée dans les deux compartiments grâce à l’utilisation de sites d’initiation de la traduction différents. Cette étude a montré qu’une machinerie de synthèse minimale est requise pour la synthèse de t6A dans les mitochondries, potentiellement similaire à la machinerie présente dans le dernier ancêtre commun. Les rôles de cette modification complexe in vivo semblent également varier. Par exemple, t6A est indispensable chez les procaryotes, mais pas dans la levure. Les causes des phénotypes pléïotropes observés lors de la diminution ou l'absence de t6A ne sont pas encore entièrement comprises. Nous avons pu élucider certains des rôles joués par la modification t6A, en effectuant une analyse globale des erreurs de traduction observées en absence de cette modification par analyse des profils ribosomaux. Par exemple, il semble que la présence de t6A permet aux ARNt rares de concurrencer plus efficacement les ARNt abondants. La complexité et la diversité des voies de synthèse combiné à l’importance fonctionnelle et évolutive de cette modification ont fait de t6A une “décoration” des ARNt particulièrement fascinante à étudier. / The modification of tRNA has a rich literature of biochemical analysis going back more than 40 years; however, the genes responsible for the modifications have only been recently identified. Comparative genomic analysis has allowed for the identification of the genes in bacteria, and subsequent characterization of the enzymes, responsible for the modification N6-threonylcarbamoyladenosine (t6A) located at position 37, adjacent to the anticodon of tRNAs. While the modification is present in all domains of life, only two of the four enzymes responsible for biosynthesis machinery are conserved. In Eukaryotes, both cytoplasmic and mitochondrial tRNAs are modified with t6A, and previously only the two universally conserved members of the cytoplasmic t6A synthesis pathway, TsaC/Sua5 and TsaD/KaeI/Qri7 were known. Recent progress on deciphering the t6A synthesis pathways has revealed that different solutions have been adopted in different kingdoms, species, and organelles, and these variant pathways are still being characterized.This investigation identified the other four proteins required for cytoplasmic synthesis (Bud32, Pcc1, Cgi121, Gon7), and determined that only Sua5 and Qri7 are required for mitochondrial synthesis of t6A in yeast. The same enzyme, Sua5, performs the first step of t6A synthesis in both the cytoplasm and the mitochondria. It is targeted to both the cytoplasm and the mitochondria through the use of alternative, in-frame AUG translational start sites. This study showed that a minimum synthesis machinery is responsible for mitochondrial t6A, implicating a core set of enzymes from the LUCA.The roles of this complex modification in vivo also seem to vary. For example, t6A is essential in prokaryotes, but not in yeast. The causes of the observed pleiotropic phenotypes triggered by the reduction or absence of t6A synthesis enzymes are not yet fully understood. This work used ribosome profiling to map all translation errors occurring when t6A was absent. By examining ribosomal occupancy of every codon, this work indicates that t6A is helping rare tRNAs compete with high copy tRNAs. The complexity and diversity of the t6A pathway combined with the functional and evolutionary importance of this modification have made t6A a particularly fascinating “decoration” of tRNA to study.

<p>Research in the last few decades has revealed the great capacity of the RNA molecule. RNA, which previously was assumed to play a main role only as an intermediate in the translation of genes to proteins, is today known to play many important roles in the cell in addition to that as a messenger RNA and transfer RNA, including the ability to catalyze reactions and gene regulations at various levels.</p><p>This thesis investigates several computational aspects of RNA. We will discuss identification of novel RNAs and RNAs that are known to exist in related species, RNA secondary structure prediction, as well as more general tools for analyzing, visualizing and classifying RNA sequences.</p><p>We present two benchmark studies concerning RNA identification, both de novo identification/characterization of single RNA sequences and homology search methods.</p><p>We develope a novel algorithm for analysis of the RNA folding landscape that is based on the nearest neighbor energy model adopted in many secondary structure prediction programs. We implement this algorithm, which computes structural neighbors of a given RNA secondary structure, in the program RNAbor, which is accessible on a web server.</p><p>Furthermore, we combine a mutual information based structure prediction algorithm with a sequence logo visualization to create a novel visualization tool for analyzing an RNA alignment and identifying covarying sites.</p><p>Finally, we present extensions to sequence logos for the purpose of tRNA identity analysis. We introduce function logos, which display features that distinguish functional subclasses within a large set of structurally related sequences, as well as the inverse logos, which display underrepresented features. For the purpose of comparing tRNA identity elements between different taxa we introduce two contrasting logos, the information difference and the Kullback-Leibler divergence difference logos.</p>

Tuberculosis is a severe disease that causes about 2 million deaths every year. It is a worldwide threat and it is estimated that one-third of the world’s population carries the infection. The severe side effects of the present drugs, and the more than 6 months long treatment, in addition to the development of resistant bacterial strains, are the incentives for the intensified search for new drugs. In this work two potential mycobacterial drug targets have been studied: Caseinolytic protease 1 (ClpP1) from Mycobacterium tuberculosis (Mt) and Methionyl-tRNA synthetase (MetRS) from Mycobacterium smegmatis (Ms). The X-ray stucture of ClpP1 was determined to 3.0 Å resolution. The study gives details on the tetradecameric arrangement of the enzyme. Two hepameric discs assemble to form a chamber containing the catalytic activity mediated by each of the monomers. The chamber can be reached by two pores. Comparison with the human homologue reveals important structural differences. The X-ray studies on Ms MetRS were done to 2.3 Å and 2.8 Å resolution. The study gives details on the flexibility of the enzyme and how this is related to activity. Important findings are identification of an intermediate structure in which the methionine to be adenylated is bound in the catalytic site in a tight complex. The catalytic site and the anticodon recognizing domains are separated and the structural results indicate communication between the domains. The possibility to allosterically inhibit the enzyme is discussed.

Research in the last few decades has revealed the great capacity of the RNA molecule. RNA, which previously was assumed to play a main role only as an intermediate in the translation of genes to proteins, is today known to play many important roles in the cell in addition to that as a messenger RNA and transfer RNA, including the ability to catalyze reactions and gene regulations at various levels. This thesis investigates several computational aspects of RNA. We will discuss identification of novel RNAs and RNAs that are known to exist in related species, RNA secondary structure prediction, as well as more general tools for analyzing, visualizing and classifying RNA sequences. We present two benchmark studies concerning RNA identification, both de novo identification/characterization of single RNA sequences and homology search methods. We develope a novel algorithm for analysis of the RNA folding landscape that is based on the nearest neighbor energy model adopted in many secondary structure prediction programs. We implement this algorithm, which computes structural neighbors of a given RNA secondary structure, in the program RNAbor, which is accessible on a web server. Furthermore, we combine a mutual information based structure prediction algorithm with a sequence logo visualization to create a novel visualization tool for analyzing an RNA alignment and identifying covarying sites. Finally, we present extensions to sequence logos for the purpose of tRNA identity analysis. We introduce function logos, which display features that distinguish functional subclasses within a large set of structurally related sequences, as well as the inverse logos, which display underrepresented features. For the purpose of comparing tRNA identity elements between different taxa we introduce two contrasting logos, the information difference and the Kullback-Leibler divergence difference logos.