Optimisation de la cryo microscopie électronique pour les études des minicercles d'ADN

RESUME : Bien que les propriétés physiques de la structure de l'ADN aient été intensivement étudiées pendant plus de 50 ans il y a encore beaucoup de questions importantes qui attendent des réponses. Par exemple, qu'arrive-t-il à la structure de la double hélice d'ADN nue (sans protéines liées) lorsqu'elle est fortement courbée, de la même manière que dans les nucléosomes? Cet ADN nu est-il facilement plié (il reste dans le régime élastique) ou réduit-il la contrainte de flexion en formant des sites hyperflexibles «kinks» (il sort du régime élastique en cassant l'empilement des paires de bases à certains endroits) ? La microscopie électronique peut fournir une réponse à cette question par visualisation directe des minicercles d'ADN de la longueur d'un tour de nucléosome (environ 90 paires de bases). Pour que la réponse soit scientifiquement valide, on doit observer les molécules d'ADN lorsqu'elles sont en suspension dans la solution d'intérêt et sans que des colorations, produits chimiques ou fixatifs n'aient été ajoutés, étant donné que ceux-ci peuvent changer les propriétés de l'ADN. La technique de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) développée par le groupe de Jacques Dubochet au début des années 80, permet la visualisation directe des molécules d'ADN suspendues dans des couche minces vitrifiées de solutions aqueuses. Toutefois, le faible contraste qui caractérise la cryo-EM combinée avec la très petite taille des minicercles d'ADN rendent nécessaire l'optimisation de plusieurs étapes, aussi bien dans la préparation des échantillons que dans le processus d'acquisition d'images afin d'obtenir deux clichés stéréo qui permettent la reconstruction 3-D des minicercles d'ADN. Dans la première partie de ma thèse, je décris l'optimisation de certains paramètres pour la cryoEM et des processus d'acquisition d'image utilisant comme objets de test des plasmides et d'autres molécules d'ADN. Dans la deuxième partie, je .décris comment j'ai construit les minicercles d'ADN de 94 bp et comment j'ai introduit des modifications structurelles comme des coupures ou des lacunes. Dans la troisième partie, je décris l'analyse des reconstructions des rninicercles d'ADN. Cette analyse, appuyée par des tests biochimiques, indique fortement que des molécules d'ADN sont capables de former de petites molécules circulaires de 94 bp sans dépasser les limites d'élasticité, indiquant que les minicercles adoptent une forme circulaire régulière où la flexion est redistribuée le long la molécule. ABSTRACT : Although physical properties of DNA structure have been intensively studied for over 50 years there are still many important questions that need to be answered. For example, what happens to protein-free double-stranded DNA when it is strongly bent, as in DNA forming nucleosomes? Is such protein-free DNA smoothly bent (i.e. it remains within elastic limits of DNA rigidity) or does it release its bending stress by forming sharp kinks (i.e. it exits the elastic regime and breaks the stacking between neighbouring base-pairs in localized regions)? Electron microscopy can provide an answer to this question by directly visualizing DNA minicircles that have the size of nucleosome gyres (ca 90 bp). For the answer to be scientifically valid, one needs to observe DNA molecules while they are still suspended in the solution of interest and no staining chemicals or fixatives have been added since these can change the properties of the DNA. CryoEM techniques developed by Jacques Dubochet's group beginning in the 1980's permit direct visualization of DNA molecules suspended in cryo-vitrified layers of aqueous solutions. However, a relatively weak contrast of cryo-EM preparations combined with the very small size of the DNA minicircles made it necessary to optimize many of the steps and parameters of the cryo-EM specimen preparation and image acquisition processes in order to obtain stereo-pairs of images that permit the 3-D reconstruction of the observed DNA minicircles. In the first part of my thesis I describe the optimization of the cryo-EM preparation and the image acquisition processes using plasmid size DNA molecules as a test object. In the second part, I describe how I formed the 94 by DNA minicircles and how I introduced structural modifications like nicks or gaps. In the third part, I describe the cryo-EM analysis of the constructed DNA minicircles. That analysis, supported by biochemical tests, strongly indicates that DNA minicircles as small as 94 by remain within the elastic limits of DNA structure, i.e. the minicircles adopt a regular circular shape where bending is redistributed along the molecules.

Study of conformational changes of ASIC1a by voltage-clamp fluorometry

Le fonctionnement du système nerveux est sensible aux variations de la concentration d'acide. Une acidification des tissus peut se produire pendant une activité neuronale intense ou dans des situations physiopathologiques telles que l'inflammation ou les lésions cérébrales. Les canaux ioniques sensibles à l'acide (ASIC) sont activés par acidification et jouent un rôle important dans la détection des changements d'acide. Les ASICs contribuent à la dégénérescence neuronale après une lésion cérébrale, puisque leur inhibition limite la lésion neuronale. L'acidification induite par une inflammation du tissu nerveux conduit à des stimuli de douleur, qui sont détectés par ces canaux. En effet, les toxines qui bloquent spécifiquement les ASICs montrent des effets analgésiques dans des modèles animaux. La structure 3D d'ASIC peut être comparée à une main qui tient une boule entre son pouce et le doigt. Les différents domaines d'ASIC sont appelés doigt, pouce, jointure, boule-ß et paume. Les domaines transmembranaires représentent le poignet de cette main. Mon projet de thèse vise à décrire les mouvements survenant sur ce canal pendant son activité. A cet effet, j'ai utilisé une technique combinée qui permet la mesure des mouvements en temps réel durant l'activité du canal. J'ai montré les réarrangements des domaines extracellulaires pendant l'activité ASIC. Ces mouvements sont transmis au pore du canal, ou ils contrôlent sa fermeture et ouverture. La direction de ces mouvements a été évaluée pour les domaines doigt et jointure, et nous avons montré qu'ils s'éloignent de la boule-ß lors de l'acidification. J'ai également été en mesure de décrire les mouvements qui se produisent dans la poche acidique, une zone qui est considérée comme importante, car elle représente le site de liaison de certaines toxines de venin qui agissent sur les ASICs. J'ai ainsi pu montrer que les domaines doigt et le pouce qui forment la poche acidique se rapprochent l'un de l'autre pendant l'activation du canal. Ces résultats sont en accord avec des observations précédentes réalisées sur les ASICs par d'autres chercheurs. Enfin, cette analyse approfondie permet d'améliorer les connaissances sur le contrôle de l'activité ASIC; de plus, les mécanismes trouvés ici sont probablement partagés entre les canaux de la famille à laquelle appartiennent les ASICs. -- Les acid-sensing ion channels (ASICs) sont des canaux sodiques ouverts par les protons et principalement exprimés dans le système nerveux. Ils sont impliqués dans la détection des protons dans de nombreux états physiologiques et pathologiques comme l'ischémie et la perception de la douleur. La structure cristalline de l'isoforme ASIC1 de poulet a été déterminée dans l'état désensibilisé et ouvert. Les études fonctionnelles indiquent que la protonation des résidus clés dans la boucle extracellulaire déclenche des changements de conformation conduisant à l'ouverture du canal. Cependant, les mécanismes moléculaires qui relient la protonation à l'ouverture et la fermeture du canal n'ont pas encore été clarifiés. Dans cette étude, nous avons utilisé la voltage-clamp fluorimétrie (VCF) pour révéler les mouvements de l'activité associée qui se produisent dans les différents domaines de l'ASICla. Les fluorophores positionnés dans le pouce, la paume, le doigt, l'articulation et dans les domaines de l'entrée du pore extracellulaire ont montré des signaux de VCF liés à des changements de conformation au cours de l'activité du canal. La synchronisation des changements de fluorescence indique une séquence complexe de mouvements en fonction du pH. La cinétique de la fluorescence et des signaux de courant ont été comparés les uns aux autres afin de déterminer si le mouvement détecté par le signal de fluorescence correspond à une transition fonctionnelle définie du canal. Certains des résidus testés se sont révélés être étroitement liés à la désensibilisation du canal ou au rétablissement après la désensibilisation. En outre, nous avons trouvé qu'un tryptophane endogène de la boule-ß diminue le signal de fluorescence des sondes positionnées dans les domaines doigt et jointure. L'augmentation observée de ces signaux indique que ces domaines s'éloignent à une distance à partir de la boucle de la boule-ß. Sur la base de ce principe, nous avons généré des paires Trp-Cys « quencher», dans lequel le Cys est utilisé comme site d'ancrage pour attacher le fluorophore. Ensuite, nous avons évalué les changements de conformation qui se produisent au niveau de la poche acide, une zone importante pour la fonction et la régulation d'ASIC. Les signaux de fluorescence indiquent un mouvement de l'hélice supérieure du pouce vers le doigt et une rotation de la boule-ß dans le sens horaire. L'analyse de la cinétique indique que les mouvements des sous-domaines qui composent la poche acide se produisent pendant la désensibilisation du canal. Mon projet de doctorat représente la première analyse approfondie des changements conformationnels dépendants de l'activité des ASICs et fournit des informations sur les mécanismes de contrôle de l'activité du canal qui sont probablement partagés avec d'autres canaux proches.