Molecular mechanisms implicated in NF-κB activation and antiviral defense

SUMMARY Nuclear factor kappa B (NF-κB) transcription factors control many aspects of cell fate through induction of inflammatory, immune or survival molecules. We have identified two novel proteins, named receptor interacting protein (RIP)-4 and caspase recruitment domain (CARD) adaptor inducing interferon-β (Cardif), which activate NF-κB. Further, we have found that Cardif plays a prominent antiviral function. Antiviral innate immunity is mounted upon recognition by the host of virally associated structures like double-stranded (ds) RNA, which constitutes a viral replication product of many viruses within infected cells. dsRNA, depending on its subcellular localization, can be sensed by two separate arms of host defense. Firstly, Toll-like receptor (TLR)-3, a member of the type I transmembrane TLR family, recognizes endosomally-located dsRNA. Secondly, cytoplasmic dsRNA is detected by the recently identified RNA helicase retinoic acid inducible gene I (RIG-I). Triggering of TLR3- and RIG-I-dependent pathways results in the activation of the transcription factors NF-κB and Interferon regulatory factor (IRF)-3, which cooperatively transduce antiviral immune responses. We have demonstrated that RIP1, a kinase previously shown to be required for TNF signaling, transmits TLR3-dependent NF-κB activation. Further we have identified and characterized Cardif as an essential adaptor transmitting RIG-I-mediated antiviral responses, including activation of NF-κB and IRF3. In addition, we showed that Cardif is cleaved and inactivated by a serine protease of hepatitis C virus, and therefore may represent an attractive target for this virus to escape innate immune responses. RESUME Les facteurs de transcription "nuclear factor kappa B" (NF-κB) contrôlent divers aspects du devenir cellulaire à travers l'induction de molécules inflammatoires, immunitaires ou de survie. Nous avons identifié deux nouvelles protéines, nommées "receptor interacting protein" (RIP)-4 et "caspase recruitment domain (CARD) adaptor inducing interferon-β" (Cardif), qui activent NF-κB. En outre, nous avons trouvé que Cardif joue un rôle antiviral crucial. L'immunité innée antivirale s'établit au moment de la reconnaissance par l'hôte de structures virales, comme l'ARN double brin, qui constitue un produit de réplication de beaucoup de virus à l'intérieur de cellules infectées. L'ARN double brin, dépendant de sa localisation subcellulaire, peut être détecté par deux branches de défense distinctes. Premièrement, le récepteur transmembranaire "Toll-like" (TLR), TLR3, reconnaît l'ARN double brin lorsque localisé dans les endosomes. Deuxièmement, l'ARN double brin cytoplasmique est reconnu par l'ARN hélicase récemment décrite "retinoic acid inducible gene I" (RIG-I). Le déclenchement de voies dépendantes de TLR3 et RIG-I active les facteurs de transcription NF-κB et IRF3, qui coopèrent afin de transduire des réponses immunitaires antivirales. Nous avons démontré que RIP1, une kinase décrite précédemment dans le signalement du TNF, transmet l'activation de NF-κB dépendante de TLR3. De plus, nous avons identifié et caractérisé Cardif comme un adapteur essentiel transmettant les réponses antivirales médiées par RIG-I, qui incluent l'activation de NF-κB et IRF3. De surcroît, Cardif est clivé et inactivé par une sérine protéase du virus de l'hépatite C, et ainsi pourrait représenter une cible attractive pour ce virus afin d'échapper aux réponses immunitaires innées.

Molecular genetic approaches to the biology of the moss "Physcomitrella patens"

La mousse haplobiontique Physcomitrella patens est utilisée comme système génétique modèle pour l'étude du développement des plantes. Cependant, l'absence d'un protocole efficace de transformation a constitué jusqu'à présent un gros désavantage méthodologique pour le développement futur de ce système expérimental. Les résultats présentés dans le premier chapitre relatent la mise au point d'un protocole de transformation basé sur la technique de transfert direct de gènes dans des protoplastes par précipitation au PEG. Un essai d'expression transitoire de gènes a été mis au point. Ce protocole a été adapté afin de permettre l'introduction in vivo d'anticorps dans des protoplastes. Le protocole modifié permet d'introduire simultanément du DNA et des IgG dans les cellules, et nous avons démontré que ces anticorps peuvent inactiver spécifiquement le produit d'un gène co-introduit (GUS), ainsi que certaines protéines impliquées dans des processus cellulaires (tubuline). Cet essai, baptisé "essai transitoire d'immuno-inactivation in vivo", devrait être directement applicable à d'autres protoplastes végétaux, et permettre l'élaboration de nouvelles stratégies dans l'étude de processus cellulaires. Le second chapitre est consacré aux expériences de transformation de la mousse avec des gènes conférant une résistance à des antibiotiques. Nos résultats démontrent que l'intégration de gènes de résistance dans le génome de P. patens est possible, mais que cet événement est rare. Il s'agit là néanmoins de la première démonstration d'une transformation génétique réussie de cet organisme. L'introduction de gènes de résistance aux antibiotiques dans les protoplastes de P. patens génère à haute fréquence des clones résistants instables. Deux classes de clones instables ont été identifiés. La caractérisation phénotypique, génétique et moléculaire de ces clones suggère fortement que les séquences transformantes sont concaténées pour former des structures de haut poids moléculaire, et que ces structures sont efficacement répliquées et maintenues dans les cellules résistantes en tant qu'éléments génétiques extrachromosomaux. Ce type de transformation nous permet d'envisager des expériences permettant l'identification des séquences génomiques impliquées dans la replication de l'ADN de mousse. Plusieurs lignées transgéniques ont été retransformées avec des plasmides portant des séquences homologues aux séquences intégrées dans le génome, mais conférant une résistance à un autre antibiotique. Les résultats présentés dans le troisième chapitre montrent que les fréquences de transformation intégrative dans les lignées transgéniques sont 10 fois plus élevées que dans la lignée sauvage, et que cette augmentation est associée à une coségrégation des gènes de résistance dans la plupart des clones testés. Ces résultats génétiques indiquent que l'intégration de séquences d'ADN étranger dans le génome de P. patens a lieu en moyenne 10 fois plus fréquemment par recombinaison homologue que par intégration aléatoire. Ce rapport homologue/aléatoire est 10000 fois supérieur aux rapports obtenus avec d'autres plantes, et fournit l'outil indispensable à la réalisation d'expériences de génétique inverse dans cet organisme à haplophase dominante. THESIS SUMMARY The moss Physcomitrella patens is used as a model genetic system to study plant development, taking advantage of the fact that the haploid gametophyte dominates in its life cycle. But further development of this model system was hampered by the lack of a protocol allowing the genetic transformation of this plant. We have developed a transformation protocol based on PEG-mediated direct gene transfer to protoplasts. Our data demonstrate that this procedure leads to the establishment of an efficient transient gene expression assay. A slightly modified protocol has been developed allowing the in vivo introduction of antibodies in moss protoplasts. Both DNA and IgGs can be loaded simultaneously, and specific antibodies can immunodeplete the product of an expression cassette (GUS) as well as proteins involved in cellular processes (tubulins). This assay, named transient in vivo immunodepletion assay, should be applicable to other plant protoplasts, and offers new approaches to study cellular processes. Transformations have been performed with bacterial plasmids carrying antibiotic resistance expression cassette. Our data demonstrate that integrative transformation occurs, but at low frequencies. This is the first demonstration of a successful genetic transformation of mosses. Resistant unstable colonies are recovered at high frequencies following transformation, and two different classes of unstable clones have been identified. Phenotypical, genetic and molecular characterisation of these clones strongly suggests that bacterial plasmids are concatenated to form high molecular arrays which are efficiently replicated and maintained as extrachromosomal elements in the resistant cells. Replicative transformation in P. patens should allow the design of experiments aimed at the identification of genomic sequences involved in moss DNA replication. Transgenic strains have been retransformed with bacterial plasmids carrying sequences homologous to the integrated transloci, but conferring resistance to another antibiotic. Our results demonstrate an order of magnitude increase of integrative transformation frequencies in transgenic strains as compared to wild-type, associated with cosegregation of the resistance genes in most of these double resistant transgenic strains. These observations provide strong genetic evidence that gene targeting occurs about ten times more often than random integration in the genome of P. patens. Such ratio of targeted to random integration is about 10 000 times higher than previous reports of gene targeting in plants, and provides the essential requirement for the development of efficient reverse genetics in the haplodiplobiontic P. patens.

Protein-ligand binding free energy estimation using molecular mechanics and continuum electrostatics. Application to HIV-1 protease inhibitors.

A method is proposed for the estimation of absolute binding free energy of interaction between proteins and ligands. Conformational sampling of the protein-ligand complex is performed by molecular dynamics (MD) in vacuo and the solvent effect is calculated a posteriori by solving the Poisson or the Poisson-Boltzmann equation for selected frames of the trajectory. The binding free energy is written as a linear combination of the buried surface upon complexation, SASbur, the electrostatic interaction energy between the ligand and the protein, Eelec, and the difference of the solvation free energies of the complex and the isolated ligand and protein, deltaGsolv. The method uses the buried surface upon complexation to account for the non-polar contribution to the binding free energy because it is less sensitive to the details of the structure than the van der Waals interaction energy. The parameters of the method are developed for a training set of 16 HIV-1 protease-inhibitor complexes of known 3D structure. A correlation coefficient of 0.91 was obtained with an unsigned mean error of 0.8 kcal/mol. When applied to a set of 25 HIV-1 protease-inhibitor complexes of unknown 3D structures, the method provides a satisfactory correlation between the calculated binding free energy and the experimental pIC5o without reparametrization.

From protein sequences to 3D-structures and beyond: the example of the UniProt knowledgebase.

With the dramatic increase in the volume of experimental results in every domain of life sciences, assembling pertinent data and combining information from different fields has become a challenge. Information is dispersed over numerous specialized databases and is presented in many different formats. Rapid access to experiment-based information about well-characterized proteins helps predict the function of uncharacterized proteins identified by large-scale sequencing. In this context, universal knowledgebases play essential roles in providing access to data from complementary types of experiments and serving as hubs with cross-references to many specialized databases. This review outlines how the value of experimental data is optimized by combining high-quality protein sequences with complementary experimental results, including information derived from protein 3D-structures, using as an example the UniProt knowledgebase (UniProtKB) and the tools and links provided on its website ( http://www.uniprot.org/ ). It also evokes precautions that are necessary for successful predictions and extrapolations.

Structural investigations into the interaction of hemoglobin and part structures with bacterial endotoxins.

An understanding of details of the interaction mechanisms of bacterial endotoxins (lipopolysaccharide, LPS) with the oxygen transport protein hemoglobin is still lacking, despite its high biological relevance. Here, a biophysical investigation into the endotoxin:hemoglobin interaction is presented which comprises the use of various rough mutant LPS as well as free lipid A; in addition to the complete hemoglobin molecule from fetal sheep extract, also the partial structure alpha-chain and the heme-free sample are studied. The investigations comprise the determination of the gel-to-liquid crystalline phase behaviour of the acyl chains of LPS, the ultrastructure (type of aggregate structure and morphology) of the endotoxins, and the incorporation of the hemoglobins into artificial immune cell membranes and into LPS. Our data suggest a model for the interaction between Hb and LPS in which hemoglobins do not react strongly with the hydrophilic or with the hydrophobic moiety of LPS, but with the complete endotoxin aggregate. Hb is able to incorporate into LPS with the longitudinal direction parallel to the lipid A double-layer. Although this does not lead to a strong disturbance of the LPS acyl chain packing, the change of the curvature leads to a slightly conical molecular shape with a change of the three-dimensional arrangement from unilamellar into cubic LPS aggregates. Our previous results show that cubic LPS structures exhibit strong endotoxic activity. The property of Hb on the physical state of LPS described here may explain the observation of an increase in LPS-mediating endotoxicity due to the action of Hb.

Defining molecular components of symbiotic phosphate uptake in rice

Phosphate (Pi) acquisition of crops via arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis acquires increasing importance due to the limited rock Pi reserves and the demand for environmentally sustainable agriculture. However, the symbiotic Pi uptake machinery has not been characterized in any monocotyledonous plant species. Among these, rice is the primary staple food for more than half of the human population and thus central for future food security. However, the relevance of the AM symbiosis for rice Pi nutrition is presently unclear. Here, we show that 70% of the overall Pi acquired by rice is delivered via the symbiotic route. To better understand this pathway we combined genetic, molecular and physiological approaches to determine the specific functions of the two rice Pi transporters, PT11 and PT13, which are expressed only during AM symbiosis. The PT11 lineage of proteins is present in mono- and dicotyledons whereas PT13, while found across the Poaceae, is absent from dicotyledons. Surprisingly, mutations in either PT11 or PT13 affected fungal colonization and arbuscule formation demonstrating that both genes are essential for AM symbiosis between rice and Glomus intra.rad.ices. Importantly, for symbiotic Pi uptake, only PT11 is necessary and sufficient. We found that mycorrhizal rice, remarkably, received almost all Pi via the symbiotic route. Such dominating mycorrhizal Pi uptake was found in plants grown under controlled conditions as well as in field soils, suggesting that the AM symbiosis is relevant for the Pi nutrition of field grown rice. Development of smaller arbuscules in PT11 mutants suggested that symbiotic Pi signaling is required for fungal nourishment by the plant. However, co-culture of mutant with wild type nurse plants did not restore normal arbuscule size in mutant roots, indicating that other factors than malnutrition accounted for the altered arbuscule phenotype. Surprisingly, the loss of PT13 did not affect symbiotic Pi uptake although it impacted arbuscule morphology, suggesting that PT13 is involved in signaling during arbuscule development. However, induction of PT13 was not only monitored in arbusculated cells but also in inner cortex cells of non-inoculated roots of plants grown under high Pi fertilization conditions. According to preliminary observations, PT13 localized at the tonoplast in arbusculated and non-arbusculated cells, suggesting that it might be involved in transporting Pi into the vacuole, possibly for maintaining cellular Pi homeostasis. The further investigation showed that fungal colonization level was significantly affected in the crown roots of two ptlS mutant alleles, but not in large lateral roots, implying the possible role of PT13 for maintaining Pi homeostasis in the crown roots. - L'acquisition de phosphate (Pi) par les plantes cultivées s'effectue grâce à une symbiose mycorhizienne arbasculaire (AM). L'étude de cette symbiose devient fondamentale puisque d'une part, les réserves en phosphate minéral sont limitées, et, d'autre part, la demande pour une agriculture écologiquement soutenable se renforce. La machinerie d'absorption symbiotique du phosphate n'est cependant pas encore élucidée chez les plantes monocotylédones. Parmi celles-ci, le riz occupe une place primordiale. Aliment de base pour plus de la moitié de la population mondiale, il revêt de ce fait une dimension essentielle en termes de sécurité alimentaire. Pourtant, l'importance de la symbiose AM chez le riz dans le processus d'acquisition du phosphate n'est, encore de nos jours, que peu comprise. Dans cette étude, nous montrons que 70% du phosphate acquis par le riz est mis à disposition de la plante grâce à la symbiose AM. Afin de mieux comprendre ce mécanisme, nous avons employé des approches physiologiques et génétiques nous permettant de déterminer les fonctions spécifiques de deux transporteurs de Pi, PT11 et PT13, présents chez le riz et exprimés uniquement durant la symbiose AM. La famille de gènes à laquelle appartient PT11 est présente chez les monocotylédones ainsi que chez les dicotylédones tandis que PT13, bien que retrouvé au sein des Poaceae, est absent chez les dicotylédones. Etonnamment, des versions mutées de PT11 ou de PT13 affectent la colonisation par le champignon endo-mycorhizien ainsi que la formation d'arbuscules, démontrant l'importance de ces deux gènes dans la symbiose AM entre le riz et Glomus intraradices. Il est à noter que seul PT11 se révèle nécessaire et suffisant pour l'apport de Pi grâce à la symbiose. Nous avons observé que la presque totalité du phosphate dont dispose le riz lors d'une symbiose AM provient du champignon. De telles proportions ont été observées tant chez des plantes cultivées en conditions contrôlées que chez des plantes cultivées dans les champs. Cela suggère l'importance de la symbiose AM dans le processus d'acquisition du Pi chez le riz cultivé à l'extérieur. Le développement d'arbuscules plus petits chez le mutant PT11 tend à montrer qu'une voie signalétique impliquant le Pi symbiotique est nécessaire pour l'entretien du champignon par la plante. Toutefois, une co-culture du mutant avec des plantes sauvages ne permet pas de restaurer des arbuscules de taille normale dans les racines du mutant. Ce résultat indique le rôle de facteurs autres que la malnutrition aboutissant à la formation d'arbuscules altérés. Si la perte de PT13 n'affecte pas l'acquisition de phosphate symbiotique, la morphologie de l'arbuscule est, quant à elle, modifiée. Ceci suggère un rôle de PT13 durant le développement de l'arbuscule. Or, l'induction de PT13 est non seulement détectée dans des cellules contenant des arbuscules mais également dans des cellules du cortex, ceci chez des plantes cultivées sans champignon mais dans des conditions de fortes concentrations en engrais phosphaté. En accord avec des observations précédentes, PT13 est localisé au niveau du tonoplaste des cellules contenant ou non des arbuscules. Ceci suggère que PT13 pourrait être impliqué dans le transport du Pi vers la vacuole, éventuellement pour maintenir une certaine homéostasie du phosphate. Dans cette étude, nous démontrons également que le niveau de colonisation par le champignon est affecté de manière significative dans les racines principales des deux allèles du mutants ptl3, mais pas dans les grosses racines latérales. Cela impliquerait un rôle possible de PT13 dans le maintien de l'homéostasie du phosphate dans les racines principales. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC Le phosphate (Pi), l'un des éléments minéraux essentiel au développement des plantes, se trouve généralement en faible quantité dans le sol, limitant ainsi la croissance des plantes. Le rendement de la production agricole dépend dès lors de l'addition d'engrais contenant du phosphate inorganique (Pi), obtenu à partir de ressources minières riches en phosphate. Or, ces ressources devraient être épuisées d'ici la fin du siècle. Les racines des plantes possèdent des transporteurs de phosphate efficaces leur permettant d'acquérir rapidement le Pi présent dans le sol. Comme le Pi s'avère immobile dans le sol, l'absorption rapide par les racines crée des zones pauvres en Pi autour des systèmes racinaires. Pour surmonter cet obstacle, les plantes ont développé une symbiose avec des champignons endomycorhiziens, la symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM). Cette association leur donne accès à d'autres ressources en phosphate puisque le mycélium de ces champignons se développe sur une surface 100 fois supérieure à celle des racines. Cela augmente considérablement la surface de nutrition, dépassant ainsi la zone appauvrie en Pi. Le phosphate, transporté grâce au champignon jusqu'à l'intérieur des racines, est fourni à la plante par le biais de structures établies à l'intérieur des cellules végétales, appelées arbuscules. De leur côté, les plantes possèdent des transporteurs spécifiques afin de recevoir le Pi fourni par les champignons. A l'heure actuelle, la machinerie nécessaire à cette absorption a été uniquement décrite chez des plantes dicotylédones. Or, comprendre l'apport de phosphate par les champignons mycorhiziens s'avère particulièrement pertinent dans le cas des espèces monocotylédones cultivées telles que les céréales. Ces dernières constituent en effet la majeure partie de l'alimentation humaine. Parmi les céréales, le riz demeure l'aliment de base de la population mondiale, d'où son importance en terme de sécurité alimentaire. Durant mon travail de thèse, j'ai identifié et caractérisé le transporteur du riz impliqué dans l'apport de phosphate par ce type de symbiose AM. J'ai également démontré que le riz, lorsqu'il vit en symbiose, bénéficie de la presque totalité du Pi transporté par le champignon. Environ 40% de la production globale de riz est cultivée dans des conditions permettant la symbiose avec des mycorhizes arbusculaires. Les variétés de riz adaptées à ces conditions aérobiques deviennent des alternatives favorables aux cultivars actuels nécessitant une forte irrigation. Elles se révèlent en effet plus tolérantes aux pénuries d'eau et permettent l'utilisation de pratiques agricoles moins intensives. Les données présentées dans cette étude enrichissent nos connaissances concernant l'absorption du phosphate chez le riz grâce à la symbiose AM. Ces connaissances peuvent s'avérer décisives pour le développement de cultivars du riz plus adaptés à une agriculture écologiquement soutenable.

L'agrégation toxique des protéines: une forme de "delinquance moléculaire" activement combattue dans la cellule par les chaperones moléculaires et les protéases [The toxic aggregation of proteins: a kind of "molecular delinquency" actively fought in the cell by molecular chaperones and proteases]

Under various stresses, mutation-sensitised proteins may spontaneously convert into inactive, aggregation-prone structures, which may be cytotoxic and infectious. In the cell, this new kind of "molecular criminality" is actively fought against by a network of molecular chaperones that can specifically identify, isolate and unfold damaged (delinquent) proteins and favour their subsequent native refolding. Irreversibly damaged molecules unable to natively refold are preferentially "executed" and recycled by proteases. Failing that, they are "imprisoned" within compact amyloids, or "evicted" from the cell. Thus, striking parallels, although of questionable ethical value, exist between protein and human criminality, and between the cellular and social responses to these different types of criminality. Fundamental differences also exist. Whereas programmed death (apoptosis) is the preferred solution chosen by aged and aggregation-stressed cells, collective suicide is seldom an option chosen by lawless human societies. More significantly, there is no clear cellular equivalent for the role of the family and the education system, which are so essential to the proper shaping of functional individuals in the society, and give rise to humanism, that favours crime prevention, reeducation and reinsertion programs over capital punishment. To the cardiologist and transplantation surgeon, the interest of molecular chaperones, in particular of Hsp70, Hsp90 and Hsp27, lays in their ability to inhibit the signalling pathway of programmed cell death. Their induction before and during ischemia, by various treatments and drugs could significantly reduce damages from the post ischemic reperfusion of organs.

Crystal structures of two closely related but antigenically distinct HLA-A2/melanocyte-melanoma tumor-antigen peptide complexes.

We have determined high-resolution crystal structures of the complexes of HLA-A2 molecules with two modified immunodominant peptides from the melanoma tumor-associated protein Melan-A/Melanoma Ag recognized by T cells-1. The two peptides, a decamer and nonamer with overlapping sequences (ELAGIGILTV and ALGIGILTV), are modified in the second residue to increase their affinity for HLA-A2. The modified decamer is more immunogenic than the natural peptide and a candidate for peptide-based melanoma immunotherapy. The crystal structures at 1.8 and 2.15 A resolution define the differences in binding modes of the modified peptides, including different clusters of water molecules that appear to stabilize the peptide-HLA interaction. The structures suggest both how the wild-type peptides would bind and how three categories of cytotoxic T lymphocytes with differing fine specificity might recognize the two peptides.

Mechanistic insights into cytosolic molecular chaperones in protein unfolding and disaggregation

Under optimal non-physiological conditions of low concentrations and low temperatures, proteins may spontaneously fold to the native state, as all the information for folding lies in the amino acid sequence of the polypeptide. However, under conditions of stress or high protein crowding as inside cells, a polypeptide may misfold and enter an aggregation pathway resulting in the formation of misfolded conformers and fibrils, which can be toxic and lead to neurodegenerative illnesses, such as Alzheimer's, Parkinson's or Huntington's diseases and aging in general. To avert and revert protein misfolding and aggregation, cells have evolved a set of proteins called molecular chaperones. Here, I focussed on the human cytosolic chaperones Hsp70 (DnaK) and HspllO, and co-chaperone Hsp40 (DnaJ), and the chaperonin CCT (GroEL). The cytosolic molecular chaperones Hsp70s/Hspll0s and the chaperonins are highly upregulated in bacterial and human cells under different stresses and are involved both in the prevention and the reversion of protein misfolding and aggregation. Hsp70 works in collaboration with Hsp40 to reactivate misfolded or aggregated proteins in a strict ATP dependent manner. Chaperonins (CCT and GroEL) also unfold and reactivate stably misfolded proteins but we found that it needed to use the energy of ATP hydrolysis in order to evict over- sticky misfolded intermediates that inhibited the unfoldase catalytic sites. Ill In this study, we initially characterized a particular type of inactive misfolded monomeric luciferase and rhodanese species that were obtained by repeated cycles of freeze-thawing (FT). These stable misfolded monomeric conformers (FT-luciferase and FT-rhodanese) had exposed hydrophobic residues and were enriched with wrong ß-sheet structures (Chapter 2). Using FT-luciferase as substrate, we found that the Hsp70 orthologs, called HspllO (Sse in yeast), acted similarly to Hsp70 as were bona fide ATP- fuelled polypeptide unfoldases and was much more than a mere nucleotide exchange factor, as generally thought. Moreover, we found that HspllO collaborated with Hsp70 in the disaggregation of stable protein aggregates in which Hsp70 and HspllO acted as equal partners that synergistically combined their individual ATP-consuming polypeptide unfoldase activities to reactivate the misfolded/aggregated proteins (Chapter 3). Using FT-rhodanese as substrate, we found that chaperonins (GroEL and CCT) could catalytically reactivate misfolded rhodanese monomers in the absence of ATP. Also, our results suggested that encaging of an unfolding polypeptide inside the GroEL cavity under a GroES cap was not an obligatory step as generally thought (Chapter 4). Further, we investigated the role of Hsp40, a J-protein co-chaperone of Hsp70, in targeting misfolded polypeptides substrates onto Hsp70 for unfolding. We found that even a large excess of monomeric unfolded a-synuclein did not inhibit DnaJ, whereas, in contrast, stable misfolded a-synuclein oligomers strongly inhibited the DnaK-mediated chaperone reaction by way of sequestering the DnaJ co-chaperone. This work revealed that DnaJ could specifically distinguish, and bind potentially toxic stably aggregated species, such as soluble a-synuclein oligomers involved in Parkinson's disease, and with the help of DnaK and ATP convert them into from harmless natively unfolded a-synuclein monomers (chapter 5). Finally, our meta-analysis of microarray data of plant and animal tissues treated with various chemicals and abiotic stresses, revealed possible co-expressions between core chaperone machineries and their co-chaperone regulators. It clearly showed that protein misfolding in the cytosol elicits a different response, consisting of upregulating the synthesis mainly of cytosolic chaperones, from protein misfolding in the endoplasmic reticulum (ER) that elicited a typical unfolded protein response (UPR), consisting of upregulating the synthesis mainly of ER chaperones. We proposed that drugs that best mimicked heat or UPR stress at increasing the chaperone load in the cytoplasm or ER respectively, may prove effective at combating protein misfolding diseases and aging (Chapter 6).  - Dans les conditions optimales de basse concentration et de basse température, les protéines vont spontanément adopter un repliement natif car toutes les informations nécessaires se trouvent dans la séquence des acides aminés du polypeptide. En revanche, dans des conditions de stress ou de forte concentration des protéines comme à l'intérieur d'une cellule, un polypeptide peu mal se replier et entrer dans un processus d'agrégation conduisant à la formation de conformères et de fibrilles qui peuvent être toxiques et causer des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson ou la chorée de Huntington. Afin d'empêcher ou de rectifier le mauvais repliement des protéines, les cellules ont développé des protéines appelées chaperonnes. Dans ce travail, je me suis intéressé aux chaperonnes cytosoliques Hsp70 (DnaK) et HspllO, la co-chaperones Hsp40 (DnaJ), le complexe CCT/TRiC et GroEL. Chez les bactéries et les humains, les chaperonnes cytosoliques Hsp70s/Hspl 10s et les « chaperonines» sont fortement activées par différentes conditions de stress et sont toutes impliquées dans la prévention et la correction du mauvais repliement des protéines et de leur agrégation. Hsp70 collabore avec Hsp40 pour réactiver les protéines agrégées ou mal repliées et leur action nécessite de 1ATP. Les chaperonines (GroEL) déplient et réactivent aussi les protéines mal repliées de façon stable mais nous avons trouvé qu'elles utilisent l'ATP pour libérer les intermédiaires collant et mal repliés du site catalytique de dépliage. Nous avons initialement caractérisé un type particulier de formes stables de luciférase et de rhodanese monomériques mal repliées obtenues après plusieurs cycles de congélation / décongélation répétés (FT). Ces monomères exposaient des résidus hydrophobiques et étaient plus riches en feuillets ß anormaux. Ils pouvaient cependant être réactivés par les chaperonnes Hsp70+Hsp40 (DnaK+DnaJ) et de l'ATP, ou par Hsp60 (GroEL) sans ATP (Chapitre 2). En utilisant la FT-Luciferase comme substrat nous avons trouvé que HspllO (un orthologue de Hsp70) était une authentique dépliase, dépendante strictement de l'ATP. De plus, nous avons trouvé que HspllO collaborait avec Hsp70 dans la désagrégation d'agrégats stables de protéines en combinant leurs activités dépliase consommatrice d'ATP (Chapitre 3). En utilisant la FT-rhodanese, nous avons trouvé que les chaperonines (GroEL et CCT) pouvaient réactiver catalytiquement des monomères mal repliés en absence d'ATP. Nos résultats suggérèrent également que la capture d'un polypeptide en cours de dépliement dans la cavité de GroEL et sous un couvercle du complexe GroES ne serait pas une étape obligatoire du mécanisme, comme il est communément accepté dans la littérature (Chapitre 4). De plus, nous avons étudié le rôle de Hsp40, une co-chaperones de Hsp70, dans l'adressage de substrats polypeptidiques mal repliés vers Hsp70. Ce travail a révélé que DnaJ pouvait différencier et lier des polypeptide mal repliés (toxiques), comme des oligomères d'a-synucléine dans la maladie de Parkinson, et clairement les différencier des monomères inoffensifs d'a-synucléine (Chapitre 5). Finalement une méta-analyse de données de microarrays de tissus végétaux et animaux traités avec différents stress chimiques et abiotiques a révélé une possible co-expression de la machinerie des chaperonnes et des régulateurs de co- chaperonne. Cette meta-analyse montre aussi clairement que le mauvais repliement des protéines dans le cytosol entraîne la synthèse de chaperonnes principalement cytosoliques alors que le mauvais repliement de protéines dans le réticulum endoplasmique (ER) entraine une réponse typique de dépliement (UPR) qui consiste principalement en la synthèse de chaperonnes localisées dans l'ER. Nous émettons l'hypothèse que les drogues qui reproduisent le mieux les stress de chaleur ou les stress UPR pourraient se montrer efficaces dans la lutte contre le mauvais repliement des protéines et le vieillissement (Chapitre 6).

Molecular mechanism of a green-shifted, pH-dependent red fluorescent protein mKate variant.

Fluorescent proteins that can switch between distinct colors have contributed significantly to modern biomedical imaging technologies and molecular cell biology. Here we report the identification and biochemical analysis of a green-shifted red fluorescent protein variant GmKate, produced by the introduction of two mutations into mKate. Although the mutations decrease the overall brightness of the protein, GmKate is subject to pH-dependent, reversible green-to-red color conversion. At physiological pH, GmKate absorbs blue light (445 nm) and emits green fluorescence (525 nm). At pH above 9.0, GmKate absorbs 598 nm light and emits 646 nm, far-red fluorescence, similar to its sequence homolog mNeptune. Based on optical spectra and crystal structures of GmKate in its green and red states, the reversible color transition is attributed to the different protonation states of the cis-chromophore, an interpretation that was confirmed by quantum chemical calculations. Crystal structures reveal potential hydrogen bond networks around the chromophore that may facilitate the protonation switch, and indicate a molecular basis for the unusual bathochromic shift observed at high pH. This study provides mechanistic insights into the color tuning of mKate variants, which may aid the development of green-to-red color-convertible fluorescent sensors, and suggests GmKate as a prototype of genetically encoded pH sensors for biological studies.

Toward on-the-fly quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) docking: development and benchmark of a scoring function.

We address the challenges of treating polarization and covalent interactions in docking by developing a hybrid quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) scoring function based on the semiempirical self-consistent charge density functional tight-binding (SCC-DFTB) method and the CHARMM force field. To benchmark this scoring function within the EADock DSS docking algorithm, we created a publicly available dataset of high-quality X-ray structures of zinc metalloproteins ( http://www.molecular-modelling.ch/resources.php ). For zinc-bound ligands (226 complexes), the QM/MM scoring yielded a substantially improved success rate compared to the classical scoring function (77.0% vs 61.5%), while, for allosteric ligands (55 complexes), the success rate remained constant (49.1%). The QM/MM scoring significantly improved the detection of correct zinc-binding geometries and improved the docking success rate by more than 20% for several important drug targets. The performance of both the classical and the QM/MM scoring functions compare favorably to the performance of AutoDock4, AutoDock4Zn, and AutoDock Vina.