Heterogeneity of photosystem II as it occurs in domain specific regions of the thylakoid membrane of spinach (spinacia oleracia L.)

Thylakoid membrane fractions were prepared from specific regions of thylakoid membranes of spinach (Spinacia oleracea). These fractions, which include grana (83), stroma (T3), grana core (8S), margins (Ma) and purified stroma (Y100) were prepared using a non-detergent method including a mild sonication and aqueous two-phase partitioning. The significance of PSlla and PSII~ centres have been described extensively in the literature. Previous work has characterized two types of PSII centres which are proposed to exist in different regions of the thylakoid membrane. a-centres are suggested to aggregate in stacked regions of grana whereas ~-centres are located in unstacked regions of stroma lamellae. The goal of this study is to characterize photosystem II from the isolated membrane vesicles representing different regions of the higher plant thylakoid membrane. The low temperature absorption spectra have been deconvoluted via Gaussian decomposition to estimate the relative sub-components that contribute to each fractions signature absorption spectrum. The relative sizes of the functional PSII antenna and the fluorescence induction kinetics were measured and used to determine the relative contributions of PSlla and PSII~ to each fraction. Picosecond chlorophyll fluorescence decay kinetics were collected for each fraction to characterize and gain insight into excitation energy transfer and primary electron transport in PSlla and PSII~ centres. The results presented here clearly illustrate the widely held notions of PSII/PS·I and PSlIa/PSII~ spatial separation. This study suggests that chlorophyll fluorescence decay lifetimes of PSII~ centres are shorter than those of PSlIa centres and, at FM, the longer lived of the two PSII components renders a larger yield in PSlIa-rich fractions, but smaller in PSIlr3-rich fractions.

Localization of the mechanism of pH-dependent non- photochemical fluorescence quenching in thylakoid membranes

Higher plants have evolved a well-conserved set of photoprotective mechanisms, collectively designated Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence (qN), to deal with the inhibitory absorption of excess light energy by the photosystems. Their main contribution originates from safe thermal deactivation of excited states promoted by a highly-energized thylakoid membrane, detected via lumen acidification. The precise origins of this energy- or LlpH-dependent quenching (qE), arising from either decreased energy transfer efficiency in PSII antennae (~ Young & Frank, 1996; Gilmore & Yamamoto, 1992; Ruban et aI., 1992), from alternative electron transfer pathways in PSII reaction centres (~ Schreiber & Neubauer, 1990; Thompson &Brudvig, 1988; Klimov et aI., 1977), or from both (Wagner et aI., 1996; Walters & Horton, 1993), are a source of considerable controversy. In this study, the origins of qE were investigated in spinach thylakoids using a combination of fluorescence spectroscopic techniques: Pulse Amplitude Modulated (PAM) fluorimetry, pump-probe fluorimetry for the measurement of PSII absorption crosssections, and picosecond fluorescence decay curves fit to a kinetic model for PSII. Quenching by qE (,..,600/0 of maximal fluorescence, Fm) was light-induced in circulating samples and the resulting pH gradient maintained during a dark delay by the lumenacidifying capabilities of thylakoid membrane H+ ATPases. Results for qE were compared to those for the addition of a known antenna quencher, 5-hydroxy-1,4naphthoquinone (5-0H-NQ), titrated to achieve the same degree of Fm quenching as for qE. Quenching of the minimal fluorescence yield, F0' was clear (8 to 130/0) during formation of qE, indicative of classical antenna quenching (Butler, 1984), although the degree was significantly less than that achieved by addition of 5-0H-NQ. Although qE induction resulted in an overall increase in absorption cross-section, unlike the decrease expected for antenna quenchers like the quinone, a larger increase in crosssection was observed when qE induction was attempted in thylakoids with collapsed pH gradients (uncoupled by nigericin), in the absence of xanthophyll cycle operation (inhibited by DTT), or in the absence of quenching (LlpH not maintained in the dark due to omission of ATP). Fluorescence decay curves exhibited a similar disparity between qE-quenched and 5-0H-NQ-quenched thylakoids, although both sets showed accelerated kinetics in the fastest decay components at both F0 and Fm. In addition, the kinetics of dark-adapted thylakoids were nearly identical to those in qEquenched samples at F0' both accelerated in comparison with thylakoids in which the redox poise of the Oxygen-Evolving Complex was randomized by exposure to low levels of background light (which allowed appropriate comparison with F0 yields from quenched samples). When modelled with the Reversible Radical Pair model for PSII (Schatz et aI., 1988), quinone quenching could be sufficiently described by increasing only the rate constant for decay in the antenna (as in Vasil'ev et aI., 1998), whereas modelling of data from qE-quenched thylakoids required changes in both the antenna rate constant and in rate constants for the reaction centre. The clear differences between qE and 5-0H-NQ quenching demonstrated that qE could not have its origins in the antenna alone, but is rather accompanied by reaction centre quenching. Defined mechanisms of reaction centre quenching are discussed, also in relation to the observed post-quenching depression in Fm associated with photoinhibition.

The measurement of the optical absorption cross section of photosystem 1 and photosystem 2 from whole live cells of porphyridium cruentum, in light state 1 and light state 2

The optical cross section of PS I in whole cells of Porphyridium cruentum (UTEX 161), held in either state 1 or state 2, was determined by measuring the change in absorbance at 820nm, an indication of P700+; the X-section of PS2 was determined by measuring the variable fluorescence, (Fv-Fo)/Fo, from PS2. Both cross-sections were 7 determined by fitting Poisson distribution equations to the light saturation curves obtained with single turnover laser flashes which varied in intensity from zero to a level where maximum yield occurred. Flash wavelengths of 574nm, 626nm, and 668nm were used, energy absorbed by PBS, by PBS and chla, and by chla respectively. There were two populations of both PSi and PS2. A fraction of PSi is associated with PBS, and a fraction of PS2 is free from PBS. On the transition S1->S2, only with PBS-absorbed energy (574nm) did the average X-section of PSi increase (27%), and that of PS2 decrease (40%). The fraction of PSi associated with PBS decreased, from 0.65 to 0.35, and the Xsection of this associated PS 1 increased, from 135±65 A2 to 400±300A2. The cross section of PS2 associated with PBS decreased from 150±50 A2 to 85±45 A2, but the fraction of PS2 associated with PBS, approximately 0.75, did not change significantly. The increase in PSi cross section could not be completely accounted for by postulating that several PSi are associated with a single PBS and that in the transition to state2, fewer PSi share the same number of PBS, resulting in a larger X-section. It is postulated that small changes occur in the attachment of PS2 to PBS causing energy to be diverted to the attached PSi. These experiments support neither the mobile-PBS model of state transitions nor that of spillover. From cross section changes there was no evidence of energy transfer from PS2 to PSi with 668nm light. The decrease in PS2 fluorescence which occurred at this wavelength cannot be explained by energy transfer; another explanation must be sought. No explanation was found for an observed decrease in PSi yield at high flash intensities.

A time-resolved electron paramagnetic resonance spectroscopy study of paramagnetic porphyrins /

There is considerable interest in intramolecular energy transfer, especially in complexes which absorb visible light, because it is crucial to the better understanding of photoharvesting systems in photosynthetic organisms and for utilizing solar energy as well. Porphyrin dimers represent one of the best systems for the exploration of light-induced intramolecular energy transfer. Many kinds of porphyrins and porphyrin dimers have been studied over the past decade, however little attention has been paid to the influence of paramagnetic metals on the behavior of their excited states. In this thesis, Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy (EPR) is used to study such compounds. After light irradiation, porphyrins easily produce a variety of excited states, which are spin polarized and can be detected by the time-resolved (TR) EPR technique. The spin polarized results for vanadyl porphyrins, their electrostatically-coupled dimers, a covalently-linked copper porphyrin-free base porphyrin dimer, and free base porphyrins are presented in this thesis. From these results we can conclude that the spin polarization patterns of vanadyl porphyrins come primarily from the trip-quartet state generated by intersystem crossing (lSC) from the excited sing-doublet state through the trip-doublet state. The spin polarization pattern of electrostatically-coupled vanadyl porphyrin-free base porphyrin dimer is produced by the triplet state of the free base porphyrin half which is coupled to the unpaired electron on the vanadyl ion.

Competing demands for a complex system : photosystem II repair, photoprotection and quantum yield

Photosynthesis in general is a key biological process on Earth and Photo system II (PSII) is an important component of this process. PSII is the only enzyme capable of oxidizing water and is largely responsible for the primordial build-up and present maintenance of the oxygen in the atmosphere. This thesis endeavoured to understand the link between structure and function in PSII with special focus on primary photochemistry, repair/photodamage and spectral characteristics. The deletion of the PsbU subunit ofPSII in cyanobacteria caused a decoupling of the Phycobilisomes (PBS) from PSII, likely as a result of increased rates of PSII photodamage with the PBS decoupling acting as a measure to protect PSII from further damage. Isolated fractions of spinach thylakoid membranes were utilized to characterize the heterogeneity present in the various compartments of the thylakoid membrane. It was found that the pooled PSIILHCII pigment populations were connected in the grana stack and there was also a progressive decrease in the reaction rates of primary photochemistry and antennae size of PSII as the sample origin moved from grana to stroma. The results were consistent with PSII complexes becoming damaged in the grana and being sent to the stroma for repair. The dramatic quenching of variable fluorescence and overall fluorescent yield of PSII in desiccated lichens was also studied in order to investigate the mechanism by which the quenching operated. It was determined that the source of the quenching was a novel long wavelength emitting external quencher. Point mutations to amino acids acting as ligands to chromophores of interest in PSII were utilized in cyanobacteria to determine the role of specific chromophores in energy transfer and primary photochemistry. These results indicated that the Hl14 ligated chlorophyll acts as the 'trap' chlorophyll in CP47 at low temperature and that the Q130E mutation imparts considerable changes to PSII electron transfer kinetics, essentially protecting the complex via increased non-radiative charge Photosynthesis in general is a key biological process on Earth and Photo system II (PSII) is an important component of this process. PSII is the only enzyme capable of oxidizing water and is largely responsible for the primordial build-up and present maintenance of the oxygen in the atmosphere. This thesis endeavoured to understand the link between structure and function in PSII with special focus on primary photochemistry, repair/photodamage and spectral characteristics. The deletion of the PsbU subunit ofPSII in cyanobacteria caused a decoupling of the Phycobilisomes (PBS) from PSII, likely as a result of increased rates of PSII photodamage with the PBS decoupling acting as a measure to protect PSII from further damage. Isolated fractions of spinach thylakoid membranes were utilized to characterize the heterogeneity present in the various compartments of the thylakoid membrane. It was found that the pooled PSIILHCII pigment populations were connected in the grana stack and there was also a progressive decrease in the reaction rates of primary photochemistry and antennae size of PSII as the sample origin moved from grana to stroma. The results were consistent with PSII complexes becoming damaged in the grana and being sent to the stroma for repair. The dramatic quenching of variable fluorescence and overall fluorescent yield of PSII in desiccated lichens was also studied in order to investigate the mechanism by which the quenching operated. It was determined that the source of the quenching was a novel long wavelength emitting external quencher. Point mutations to amino acids acting as ligands to chromophores of interest in PSII were utilized in cyanobacteria to determine the role of specific chromophores in energy transfer and primary photochemistry. These results indicated that the Hl14 ligated chlorophyll acts as the 'trap' chlorophyll in CP47 at low temperature and that the Q130E mutation imparts considerable changes to PSII electron transfer kinetics, essentially protecting the complex via increased non-radiative charge.

The Fast Regulation of Photosynthesis in Diatoms: an inquiry into the physiological and physical origins of non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching.

Diatoms are renowned for their robust ability to perform NPQ (Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence) as a dissipative response to heightened light stress on photosystem II, plausibly explaining their dominance over other algal groups in turbulent light environs. Their NPQ mechanism has been principally attributed to a xanthophyll cycle involving the lumenal pH regulated reversible de-epoxidation of diadinoxanthin. The principal goal of this dissertation is to reveal the physiological and physical origins and consequences of the NPQ response in diatoms during short-term transitions to excessive irradiation. The investigation involves diatom species from different originating light environs to highlight the diversity of diatom NPQ and to facilitate the detection of core mechanisms common among the diatoms as a group. A chiefly spectroscopic approach was used to investigate NPQ in diatom cells. Prime methodologies include: the real time monitoring of PSII excitation and de-excitation pathways via PAM fluorometry and pigment interconversion via transient absorbance measurements, the collection of cryogenic absorbance spectra to measure pigment energy levels, and the collection of cryogenic fluorescence spectra and room temperature picosecond time resolved fluorescence decay spectra to study excitation energy transfer and dissipation. Chemical inhibitors that target the trans-thylakoid pH gradient, the enzyme responsible for diadinoxanthin de-epoxidation, and photosynthetic electron flow were additionally used to experimentally manipulate the NPQ response. Multifaceted analyses of the NPQ responses from two previously un-photosynthetically characterised species, Nitzschia curvilineata and Navicula sp., were used to identify an excitation pressure relief ‘strategy’ for each species. Three key areas of NPQ were examined: (i) the NPQ activation/deactivation processes, (ii) how NPQ affects the collection, dissipation, and usage of absorbed light energy, and (iii) the interdependence of NPQ and photosynthetic electron flow. It was found that Nitzschia cells regulate excitation pressure via performing a high amplitude, reversible antenna based quenching which is dependent on the de-epoxidation of diadinoxanthin. In Navicula cells excitation pressure could be effectively regulated solely within the PSII reaction centre, whilst antenna based, diadinoxanthin de-epoxidation dependent quenching was implicated to be used as a supplemental, long-lasting source of excitation energy dissipation. These strategies for excitation balance were discussed in the context of resource partitioning under these species’ originating light climates. A more detailed investigation of the NPQ response in Nitzschia was used to develop a comprehensive model describing the mechanism for antenna centred non-photochemical quenching in this species. The experimental evidence was strongly supportive of a mechanism whereby: an acidic lumen triggers the diadinoxanthin de-epoxidation and protonation mediated aggregation of light harvesting complexes leading to the formation of quencher chlorophyll a-chlorophyll a dimers with short-lived excited states; quenching relaxes when a rise in lumen pH triggers the dispersal of light harvesting complex aggregates via deprotonation events and the input of diadinoxanthin. This model may also be applicable for describing antenna based NPQ in other diatom species.

Optimizing Computational Frameworks to Study the Influence of the Protein Environment on the Individual Site Energies of Chromophores in Photosystem II of Photosynthesis

Photosynthesis is a process in which electromagnetic radiation is converted into chemical energy. Photosystems capture photons with chromophores and transfer their energy to reaction centers using chromophores as a medium. In the reaction center, the excitation energy is used to perform chemical reactions. Knowledge of chromophore site energies is crucial to the understanding of excitation energy transfer pathways in photosystems and the ability to compute the site energies in a fast and accurate manner is mandatory for investigating how protein dynamics ef-fect the site energies and ultimately energy pathways with time. In this work we developed two software frameworks designed to optimize the calculations of chro-mophore site energies within a protein environment. The first is for performing quantum mechanical energy optimizations on molecules and the second is for com-puting site energies of chromophores in a fast and accurate manner using the polar-izability embedding method. The two frameworks allow for the fast and accurate calculation of chromophore site energies within proteins, ultimately allowing for the effect of protein dynamics on energy pathways to be studied. We use these frame-works to compute the site energies of the eight chromophores in the reaction center of photosystem II (PSII) using a 1.9 Å resolution x-ray structure of photosystem II. We compare our results to conflicting experimental data obtained from both isolat-ed intact PSII core preparations and the minimal reaction center preparation of PSII, and find our work more supportive of the former.

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Assemblage oligomérique des récepteurs couplés aux protéines G avec les RAMPs

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) constituent la plus grande classe de récepteurs membranaires impliqués dans la transmission des signaux extracellulaires. Traditionnellement, la transmission de la signalisation par les RCPGs implique l’activation d’une protéine G hétéro-trimérique qui pourra à son tour moduler l’activité de divers effecteurs intracellulaires. Ce schéma classique de signalisation s’est complexifié au fils des années et l’on sait maintenant qu’en plus d’interagir avec les protéines G, les RCPGs s’associent avec une panoplie d’autres protéines afin de transmettre adéquatement les signaux extracellulaires. En particulier, la découverte d’une famille de protéines transmembranaires modulant la fonction des RCPGs, baptisées protéines modifiant l’activité des récepteurs (« receptor activity-modifying proteins » ; RAMPs), a changé la façon de concevoir la signalisation par certains RCPGs. Dans le cas du récepteur similaire au récepteur de la calcitonine (« calcitonin-like receptor » ; CLR), l’association avec les RAMPs permet l’acheminement à la surface cellulaire du récepteur tout en modulant ses propriétés pharmacologiques. Lorsqu’il est associé avec RAMP1, le CLR fonctionne comme un récepteur du peptide relié au gène de la calcitonine (« calcitonin gene-related peptide » ; CGRP), alors qu’il devient un récepteur de l’adrénomedulline lorsqu’il interagit avec RAMP2 ou RAMP3. D’autre part, en plus d’interagir avec des protéines accessoires transmembranaires telles les RAMPs, les RCPGs peuvent aussi s’associer entre eux pour former des oligomères de récepteurs. Dans cette thèse, nous nous sommes penchés sur les interactions entre les RCPGs et les RAMPs, et plus particulièrement sur l’interrelation entre ce type d’association RCPG/RAMP et l’assemblage en oligomères de récepteurs, en utilisant le récepteur du CGRP comme modèle d’étude. Une première étude nous a tout d’abord permis de confirmer l’interaction entre le récepteur CLR et RAMP1, dans un contexte de cellules vivantes. Nous avons démontré que ce complexe CLR/RAMP1 active la protéine G et recrute la protéine de signalisation -arrestine suite à une stimulation par le CGRP. Ensuite, nous avons déterminé que même s’il doit obligatoirement former un hétéro-oligomère avec les RAMPs pour être actif, le CLR conserve malgré tout sa capacité à interagir avec d’autres RCPGs. En plus d’observer la présence d’homo-oligomère de CLR, nous avons constaté que tout comme les RCPGs, les RAMPs peuvent eux-aussi s’associer entre eux pour former des complexes oligomériques pouvant comprendre différents sous-types (RAMP1/RAMP2 et RAMP1/RAMP3). Cette observation de la présence d’homo-oligomères de CLR et de RAMP1, nous a amené à nous questionner sur la stœchiométrie d’interaction du complexe CLR/RAMP1. Dans une deuxième étude ayant pour but d’établir la composition moléculaire du récepteur CGRP1 in vivo, nous avons développé une nouvelle approche permettant l’étude de l’interaction entre trois protéines dans un contexte de cellules vivantes. Cette technique baptisée BRET/BiFC, est basée sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence entre un donneur luminescent, la Renilla luciférase, et un accepteur fluorescent, la protéine fluorescente jaune (YFP), reconstituée suite au ré-assemblage de ces deux fragments. En utilisant cette approche, nous avons pu déterminer que le récepteur CGRP1 est constitué d’un homo-oligomère de CLR interagissant avec un monomère de RAMP1. En démontrant un assemblage oligomérique asymétrique pour le récepteur CGRP1 à partir d’une nouvelle approche biophysique, nous croyons que les travaux présentés dans cette thèse ont contribué à élargir nos connaissances sur le fonctionnement de la grande famille des RCPGs, et seront utile à la poursuite des recherches sur les complexes protéiques impliqués dans la signalisation.

Effet de chaperones pharmacologiques sur les formes mutantes du récepteur mélanocortine de type 4 responsables de l'obésité morbide précoce

Le récepteur mélanocortine de type 4 (MC4R) est un récepteur couplé aux protéines G impliqué dans la régulation de la prise alimentaire et de l’homéostasie énergétique. Quatre-vingt pour cent des mutants du MC4R reliés à l’obésité morbide précoce (OMP) sont retenus à l’intérieur de la cellule. Le système de contrôle de qualité (SCQ) est probablement responsable de cette rétention, par la reconnaissance d’une conformation inadéquate des mutants. Le rétablissement de l’expression à la surface cellulaire et de la fonctionnalité de ces mutants est donc d’intérêt thérapeutique. Dans cette optique, des composés lipophiles spécifiques pour le MC4R ont été sélectionnés sur la base de leur sélectivité. Nous avons démontré qu’ils agissent à titre de chaperone pharmacologique (CP) en rétablissant l’expression à la surface cellulaire et la fonctionnalité des récepteurs mutants S58C et R165W, et qu’ils favorisent leur N-glycosylation complexe (maturation). Le suivi par BRET du site d’action des CP du MC4R suggère une action en aval de l’interaction calnexine-MC4R. De manière générale, une CP peut avoir un effet différent selon le mutant traité en induisant des conformations distinctes du récepteur plus ou moins aptes à se dissocier du SCQ et à activer la voie de signalisation, et un mutant peut répondre différemment selon la CP utilisée par des différences d’affinité pour le ligand, la CP et les effecteurs. Une meilleure compréhension du mode d’action des CP pourrait aider au développement de nouvelles approches thérapeutiques non seulement pour l’OMP, mais aussi pour d’autres maladies conformationnelles causées par le mauvais repliement de protéines.

Rôle du dimère Gbetagamma dans l’organisation des systèmes de signalisation cellulaire

Selon le modèle classique, le signal reçu par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) se propage suite à des interactions transitoires et aléatoires entre les RCPGs, les protéines G et leurs effecteurs. Par les techniques de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), de complémentation bimoléculaire de protéines fluorescentes (BiFC) et de co-immunoprécipitation, nous avons observé que les récepteurs, les protéines G et les effecteurs forment un complexe stable, avant et après l’activation des récepteurs. L’interaction entre l’effecteur Kir3 et le dimère Gbetagamma se produit initialement au réticulum endoplasmique et est sensible à un agoniste liposoluble des récepteurs beta2-adrénergiques. Bien que peu de spécificité pour les nombreux isoformes des sous-unités Gbetagamma ait été observée pour l’activation du canal Kir3, les interactions précoces au RE sont plus sensibles aux différentes combinaisons de Gbetagamma présentes. En plus de son rôle dans la régulation des effecteurs, le dimère Gbetagamma peut interagir avec de nombreuses protéines possédant des localisations cellulaires autres que la membrane plasmique. Nous avons identifié une nouvelle classe de protéines interagissant avec la sous-unité Gbeta, autant en système de surexpression que dans des extraits de cerveaux de rats, soit les protéines FosB et cFos, qui forment le complexe de transcription AP-1, suite à leur dimérisation avec les protéines de la famille des Jun. La coexpression du dimère Gbetagamma réduit l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1 induit par le phorbol 12-,myristate 13-acetate (PMA), sans toutefois interférer avec la formation du complexe Fos/Jun ou son interaction avec l’ADN. Toutefois, le dimère Gbetagamma colocalise au noyau avec le complexe AP-1 et recrute les protéines histones déacétylases (HDAC) afin d’inhiber l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1.

Étude moléculaire de la formation de complexes protéiques impliqués dans la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G

La communication cellulaire est un phénomène important pour le maintien de l’homéostasie des cellules. Au court des dernières années, cette sphère de recherche sur la signalisation cellulaire a connue des avancées importantes au niveau de l’identification des acteurs principaux impliqués dans la reconnaissance extracellulaire des signaux, ainsi que la compréhension des voies de signalisation engagées par les cellules pour répondre aux facteurs extracellulaires. Malgré ces nouvelles informations, les diverses interrelations moléculaires entre les acteurs ainsi que les voies de signalisation cellulaire, demeurent mal comprises. Le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) permet la mesure d’interactions protéiques et peut être utilisé dans deux configurations, le BRET480-YFP (connu aussi comme le BRET1) et le BRET400-GFP (connu aussi en tant que BRET2). Suite à l’oxydation de son substrat, la luciférase de renilla peut transférer son énergie à une protéine fluorescente, uniquement si elles sont à proximité l’une de l’autre (≤100Å). La combinaison dans un seul essai des BRET480-YFP et BRET400-GFP, a permis de suivre trois paires d’interactions, sur une même population cellulaire. Par contre, l’utilisation de deux substrats pour la réaction de bioluminescence rend impossible la mesure simultanée des différents signaux de BRET, pour ce trois nouvelles configurations de BRET ont été mises au point en utilisant des nouvelles protéines fluorescentes. Ainsi deux des nouvelles couleurs de BRET ayant des émissions résolues, le BRET400-BFP et le BRET400mAmetrine ont pu être combinées pour mesurer l’engagement par un RCPG d’une protéine G, ainsi que l’accumulation du second messager. La combinaison de ces BRET a également permis de révéler la formation d’un complexe entre le récepteur α2A adrénergique (α2AAR), Gαi1, le dimère Gβγ ainsi que la kinase des récepteurs couplés aux protéines G (GRK2), suite à l’activation du récepteur. De plus, seule l’entrée de GRK2 semble être en mesure de causer la désensibilisation du α2AAR, en s’intercalant entre Gαi1 et Gβγ. Par contre, la stabilisation de l’interaction entre α2AAR et la β-arrestine2 semble nécessiter l’activité kinase de GRK2. Une autre étude a révélé l’importance de différentes Gα pour la mobilisation du calcium, suite à l’activation du récepteur aux opioïdes de type delta (DOR). Suite à la surexpression de Gα de la famille Gαq, il a été possible de mesurer une influence de ces Gα sur la mobilisation du calcium. Toutefois, cette réponse calcique mesurée en présence des Gαq demeure sensible aux prétraitements à la toxine de Bordetella pertussis, qui inhibe sélectivement l’activité des Gαi. De plus, la co-expression de Gαi et Gαq permet de potentialiser la mobilisation de calcium, démontrant une interrelation entre ces deux familles de protéine Gα, pour la signalisation du DOR. Afin de démontrer l’interrelation directe, des expériences de BRET ont été réalisées entre différentes Gα. En plus de montrer la formation de complexes sélectifs entre les Gα, les expériences de BRET réalisées en parallèle d’analyses de séquences de Gα, ont également mis à jour un site de sélectivité d’interaction entre les Gα, l’hélice α4. Suite à la transposition de cette hélice α4 de Gα12 sur Gαi1, qui normalement n’interagissent pas, il a été possible de forcer l’interaction entre Gα12 et Gαi1, confirmant ainsi que cette hélice α contient l’information permettant une sélectivité d’interaction. Au cours de cette thèse, il a été possible de générer de nouvelles méthodes de mesure d’interactions protéiques qui permettent de multiplexer différents signaux, ce qui a permis de mettre à jour de nouvelles interactions entre divers effecteurs de la signalisation de RCGP

Comparaison de l’ubiquitylation de différentes protéines à domaine SH3 impliquées dans l’endocytose suite à leur interaction avec la ligase de l’ubiquitine Itch

Itch est la seule ligase de l'ubiquitine de type C2-WW-HECT capable d'interagir avec les protéines à domaine SH3. Ce domaine est particulièrement représenté parmi les protéines régulatrices de l'endocytose. Les travaux présentés ici visaient à examiner la capacité d'Itch à interagir avec plusieurs protéines endocytiques. Nous avons utilisé la technique du BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) pour examiner quelques protéines candidates. Nous avons ensuite confirmé les résultats obtenus par BRET avec des tests d'interaction in vitro, puis déterminé la capacité d'Itch à ubiquityler les protéines liées via leurs domaines SH3. Nous avons ainsi découvert deux nouveaux partenaires d'interaction et substrats d'Itch parmi les protéines endocytiques, amphyphisine et pacsine. De plus, Itch interagit avec les domaines SH3 isolés d'intersectine, mais pas avec la protéine complète, suggérant que cette dernière n'est pas un substrat d'Itch. Itch est donc bien positionnée pour exercer un rôle régulateur de l'endocytose en ubiquitylant ses substrats.

Évaluation de l'effet des antagonistes synthétiques du récepteur de chimiokine, CXCR4 sur CXCR7

Le récepteur de chimiokine CXCR7 a été récemment identifié comme liant la chimiokine SDF-1, anciennement considérée comme ligand exclusif du récepteur CXCR4. Ces deux récepteurs sont exprimés majoritairement dans les mêmes types cellulaires et, ainsi, la découverte de CXCR7 incite à réévaluer les effets respectifs de SDF-1 sur CXCR4. Étant donné son rôle dans le cancer, CXCR4 est une cible de choix pour le développement de molécules thérapeutiques. Également, CXCR7 semble être impliqué dans la croissance tumorale. AMD3100, un antagoniste «sélectif» pour CXCR4, est maintenant commercialisé. Cet antagoniste a été identifié comme liant lui aussi CXCR7. De plus, sur CXCR7, l’AMD3100 agit comme agoniste puisqu’il induit le recrutement de la β-arrestine, à l’opposé de son effet sur. En revanche, AMD3100 n’induit pas le recrutement de la β-arrestine à CXCR4. Basé sur ces résultats, il est nécessaire de revoir la sélectivité d’autres antagonistes synthétiques de CXCR4. À l’aide de la technique de BRET (Résonance d’un transfert d’énergie par bioluminescence), nos résultats montrent que le Tc14012, un autre antagoniste synthétique de CXCR4, et structurellement distinct de l’AMD3100, interagit avec CXCR7. Contrairement à CXCR4, les deux antagonistes de CXCR4 agissent comme agonistes sur CXCR7 en induisant le recrutement de la β-arrestine. Nos résultats suggèrent que l’organisation spatiale du corps du récepteur serait responsable de cet effet opposé. En conclusion, AMD3100 et Tc14012 ne sont pas sélectifs pour CXCR4, puisqu’ils interagissent avec CXCR7. Lors du développement de nouvelles molécules synthétiques ciblant CXCR4, il serait alors nécessaire d’en évaluer leur sélectivité, et leurs effets en les testant aussi sur CXCR7.

Polyoxométallates hybrides : vers des systèmes covalents photoactifs dans le visible

Réalisé en cotutelle, sous la direction du Pr. Bernold Hasenknopf, à l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI, France) et dans le cadre de l'Ecole Doctorale "Physique et Chimie des Matériaux" - Spécialité Chimie Inorganique (ED397).