Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Les β-lactamases sont le principal mécanisme bactérien de défense contre les β-lactamines. Elles catalysent l’inactivation de ces antibiotique par le clivage de leur noyau β-lactame. Les β-lactamases les plus communes sont celles de la classe A, qui rassemble une grande variété d’enzymes aux spécificités de substrat variées. Ces protéines ont été l’objet de nombreuses recherches expérimentales et théoriques. Plusieurs études de dynamique par spectroscopie RMN ont été réalisées dans notre laboratoire sur les enzymes modèles TEM-1 et PSE-4. Le présent projet continue l’investigation de ces deux β-lactamases par des méthodes théoriques. Un protocole de simulation de DM a été établi et validé par comparaison avec des données de relaxation RMN. Une nouvelle technique d’analyse conjointe DM/RMN a également été développée, permettant de limiter les problèmes de sous et sur-ajustement présents dans l’analyse « model-free ». Pour comparer la dynamique des β-lactamases de classe A en présence et en absence de leur substrat, un potentiel pour les β-lactamines a été développé, en tenant compte de la géométrie et du potentiel chimique particuliers du noyau β-lactame. Ce champ de forces est transférable, permettant la construction d’une variété d’antibiotiques. Nos simulations, couplées aux précédentes études par RMN, démontrent qu’il existe une dualité dynamique dans les β-lactamases de classe A : elles sont hautement structurées à l’échelle ps-ns, mais aussi le siège de mouvements lents (µs-ms) aux abords du site actif et particulièrement dans la boucle qui borde le site catalytique. La rigidité ps-ns favorise un positionnement optimal des résidus du site actif pour une catalyse efficace, et permet la tolérance de mutations potentiellement déstabilisantes. Les mouvements à l’échelle µs-ms les plus intéressants sont localisés dans la boucle Ω et confirment son rôle régulatoire : elle permet l’ouverture du site actif pour l’entrée du substrat et le largage du produit. La liaison du substrat a des effets à longue portée rigidifiant TEM-1. On observe également un mouvement accru de la boucle Ω dans TEM-1 et PSE-4. Les interactions spécifiques menant à cette plus grande flexibilité varient toutefois d’une enzyme à l’autre : il y conservation des propriétés dynamiques. / β-Lactamases are the main bacterial mechanism of resistance against β-lactams. They inactivate these antibiotics by cleaving their β-lactam ring. Class A enzymes are the most prevalent, with a broad variety of substrate specificities. These proteins were studied by numerous experimental and theoretical studies. NMR spectroscopy measurements were performed in our laboratory on model enzymes TEM-1 and PSE-4. This project continues the investigation of the dynamic properties of these two β- lactamases using theoretical methods. An MD simulation protocol was established and validated using NMR relaxation data. A new joint MD/NMR analysis technique was developped, allowing a reduction of under- and over-fitting problems in model-free analysis. To compare class A β-lactamase dynamics in presence and absence of substrate, a potential was developped to describe β-lactams, taking into account the particular geometry and chemical potential of the β-lactam cycle. This force field is transferable, allowing the construction of a variety of antibiotics. Our simulations, along with past NMR studies, prove the existence of a dynamical duality in class A β-lactamases : they are highly structured on the ps-ns timescale, but also subjected to slow motions (µs-ms) in the vicinity of the active site, particularly in the Ω loop that borders the catalytic site. Ps-ns rigidity favors an optimal positioning of active site residues for an efficient catalysis, and allows the protein to tolerate potentially destabilizing mutations. The most interesting µs-ms motions are located in the Ω loop, confirming its regulatory role : it opens the active site for substrate entry and product release. Substrate binding has structuring long-range effects on TEM-1. Increased loop motions are also observed in both TEM-1 and PSE-4. However, specific interactions responsible for this higher flexibility vary between the two enzymes : protein dynamics properties are conserved.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/23975 |
| Date | 19 April 2018 |
| Creators | Fisette, Olivier |
| Contributors | Lagüe, Patrick, Gagné, Stéphane |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | xxv, 238 p., application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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