Laboratory Investigation of Concrete Beam-End Treatments, RB08-013, 2015

The ends of prestressed concrete beams under expansion joints are often exposed to moisture and chlorides. Left unprotected, the moisture and chlorides come in contact with the ends of the prestressing strands and/or the mild reinforcing, resulting in corrosion. Once deterioration begins, it progresses unless some process is employed to address it. Deterioration can lead to loss of bearing area and therefore a reduction in bridge capacity. Previous research has looked into the use of concrete coatings (silanes, epoxies, fiber-reinforced polymers, etc.) for protecting prestressed concrete beam ends but found that little to no laboratory research has been done related to the performance of these coatings in this specific type of application. The Iowa Department of Transportation (DOT) currently specifies coating the ends of exposed prestressed concrete beams with Sikagard 62 (a high-build, protective, solvent-free, epoxy coating) at the precast plant prior to installation on the bridge. However, no physical testing of Sikagard 62 in this application has been completed. In addition, the Iowa DOT continues to see deterioration in the prestressed concrete beam ends, even those treated with Sikagard 62. The goals of this project were to evaluate the performance of the Iowa DOT-specified beam-end coating as well as other concrete coating alternatives based on the American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) T259-80 chloride ion penetration test and to test their performance on in-service bridges throughout the duration of the project. In addition, alternative beam-end forming details were developed and evaluated for their potential to mitigate and/or eliminate the deterioration caused by corrosion of the prestressing strands on prestressed concrete beam ends used in bridges with expansion joints. The alternative beam-end details consisted of individual strand blockouts, an individual blockout for a cluster of strands, dual blockouts for two clusters of strands, and drilling out the strands after they are flush cut. The goal of all of the forming alternatives was to offset the ends of the prestressing strands from the end face of the beam and then cover them with a grout/concrete layer, thereby limiting or eliminating their exposure to moisture and chlorides.

Regulation of the AKAP-LBC signaling complex : molecular characterization and functional implications

RÉSUMÉ Les protéines d'ancrage de la protéine kinase A (AKAPs) constituent une grande famille de protéines qui ciblent la protéine kinase A (PKA) à proximité de ses substrats physiologiques pour assurer leur régulation. Une nouvelle protéine de cette famille, appelée AKAP-Lbc, a été récemment caractérisée et fonctionne comme un facteur d'échange de nucléotides guanine (GEF) pour la petite GTPase Rho. AKAP-Lbc est régulée par différents signaux qui activent et désactivent son activité Rho-GEF. Son activation est assurée par la sous-unité alpha de la protéine G hétérotrimérique G12, tandis que son inhibition dépend de son interaction avec la PKA et 14-3-3. AKAP-Lbc est principalement exprimée dans le coeur et pourrait réguler des processus importants tels que l'hypertrophie et la différenciation des cardiomyocytes. Ainsi, il est crucial d'élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de son activité Rho-GEF. Le but général de ce travail de thèse est la caractérisation de deux nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de l'activité de AKAP-Lbc. Le premier mécanisme consiste en la régulation de l'activité de AKAP-Lbc par son homo-oligomérisation. Mes travaux montrent que l'homo-oligomérisation maintient AKAP-Lbc inactive, dans une conformation permettant à la PKA ancrée et à 14-3-3 d'exercer leur effet inhibiteur sur l'activité de AKAP-Lbc. Le second mécanisme concerne la régulation de l'activité de AKAP-Lbc via une nouvelle interaction entre AKAP-Lbc et la protéine LC3. LC3 joue un rôle crucial dans l'autophagie, un processus cellulaire qui adresse les protéines cytoplasmiques au lysosome pour leur dégradation. Ce mécanisme est particulièrement important pour le survie des cardiomyocytes durant les périodes d'absence de nutriments. Mes travaux mettent en évidence que LC3 inhibe l'activité Rho-GEF de AKAP-Lbc, ce qui suggère que, au-delà son rôle bien établi dans l'autophagie, LC3 participerait à la régulation de la signalisation de Rho. Prises ensembles, ces études contribuent à comprendre comment le complexe de signalisation formé par AKAP-Lbc régule la signalisation de Rho dans les cellules. Au-delà de leur intérêt au niveau biochimique, ces travaux pourraient aussi contribuer à élucider les réseaux de signalisation qui régulent des phénomènes physiologiques dans le coeur. ABSTRACT A-kinase anchoring proteins (AKAPs) are a group of functionally related proteins, which target the cAMP dependent protein kinase A (PKA) in close proximity to its physiological substrates for ensuring their regulation. A novel PKA anchoring protein, termed AKAP-Lbc, has been recently characterized, which also functions as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for the small GTPase Rho. AKAP-Lbc is regulated in a bi-directional manner by signals which activate or deactivate its Rho-GEF activity. Activation is mediated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12, whereas inhibition occurs following its interaction with PKA and 14-3-3. AKAP-Lbc is predominantly expressed in the heart and might regulate important processes such as hypertrophy and differentiation of cardiomyocytes. Therefore ít is crucial to elucidate the molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The general aim of the present thesis work is the characterization of two novel molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The first mechanism consists of the. regulation of AKAP-Lbc activity through its homooligomerization. I report here that homo-oligomerization maintains AKAP-Lbc inactive, under a conformation suitable for ensuring the inhibitory effect of anchored PKA and 14-33 on AKAP-Lbc activity. The second mechanism concerns the regulation of AKAP-Lbc activity through a novel interaction between AKAP-Lbc and ubiquitin-like protein LC3. LC3 is a key mediator of autophagy, which is a cellular process that targets cytosolic proteins to the lysosome for degradation. This process is particularly important for cardiomyocyte survival during conditions of nutrient starvation. Here, I show that LC3 is a negative regulator of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc, which suggests that, beyond its well established role in autophagy, LC3 can participate in the regulation of Rho signaling in cells. Overall, these findings contribute to understand how the AKAP-Lbc signaling complex can regulate the Rho signaling in cells. Beyond its interest at the biochemical level, this work might also contribute to elucidate the signaling network that regulate physiological events in the heart.

Mycobacterium tuberculosis subverts innate immunity to evade specific effectors.

The macrophage is the niche of the intracellular pathogen Mycobacterium tuberculosis. Induction of macrophage apoptosis by CD4(+) or CD8(+) T cells is accompanied by reduced bacterial counts, potentially defining a host defense mechanism. We have already established that M. tuberculosis-infected primary human macrophages have a reduced susceptibility to Fas ligand (FasL)-induced apoptosis. To study the mechanisms by which M. tuberculosis prevents apoptotic signaling, we have generated a cell culture system based on PMA- and IFN-gamma-differentiated THP-1 cells recapitulating the properties of primary macrophages. In these cells, nucleotide-binding oligomerization domain 2 or TLR2 agonists and mycobacterial infection protected macrophages from apoptosis and resulted in NF-kappaB nuclear translocation associated with up-regulation of the antiapoptotic cellular FLIP. Transduction of a receptor-interacting protein-2 dominant-negative construct showed that nucleotide-binding oligomerization domain 2 is not involved in protection in the mycobacterial infection system. In contrast, both a dominant-negative construct of the MyD88 adaptor and an NF-kappaB inhibitor abrogated the protection against FasL-mediated apoptosis, showing the implication of TLR2-mediated activation of NF-kappaB in apoptosis protection in infected macrophages. The apoptosis resistance of infected macrophages might be considered as an immune escape mechanism, whereby M. tuberculosis subverts innate immunity signaling to protect its host cell against FasL(+)-specific cytotoxic lymphocytes.

Protein oligomers studied by solid-state NMR the case of the full-length nucleoid-associated protein histone-like nucleoid structuring protein

Members of the histone-like nucleoid structuring protein (H-NS) family play roles both as architectural proteins and as modulators of gene expression in Gram-negative bacteria. The H-NS protein participates in modulatory processes that respond to environmental changes in osmolarity, pH, or temperature. H-NS oligomerization is essential for its activity. Structural models of different truncated forms are available. However, high-resolution structural details of full-length H-NS and its DNA-bound state have largely remained elusive. We report on progress in characterizing the biologically active H-NS oligomers with solid-state NMR. We compared uniformly ((13)C,(15)N)-labeled ssNMR preparations of the isolated N-terminal region (H-NS 1-47) and full-length H-NS (H-NS 1-137). In both cases, we obtained ssNMR spectra of good quality and characteristic of well-folded proteins. Analysis of the results of 2D and 3D (13)C-(13)C and (15)N-(13)C correlation experiments conducted at high magnetic field led to assignments of residues located in different topological regions of the free full-length H-NS. These findings confirm that the structure of the N-terminal dimerization domain is conserved in the oligomeric full-length protein. Small changes in the dimerization interface suggested by localized chemical shift variations between solution and solid-state spectra may be relevant for DNA recoginition.

Intracellular ATP Decrease Mediates NLRP3 Inflammasome Activation upon Nigericin and Crystal Stimulation.

Activation of the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family, pyrin domain-containing 3 (NLRP3) inflammasome initiates an inflammatory response, which is associated with host defense against pathogens and the progression of chronic inflammatory diseases such as gout and atherosclerosis. The NLRP3 inflammasome mediates caspase-1 activation and subsequent IL-1β processing in response to various stimuli, including extracellular ATP, although the roles of intracellular ATP (iATP) in NLRP3 activation remain unclear. In this study, we found that in activated macrophages artificial reduction of iATP by 2-deoxyglucose, a glycolysis inhibitor, caused mitochondrial membrane depolarization, leading to IL-1β secretion via NLRP3 and caspase-1 activation. Additionally, the NLRP3 activators nigericin and monosodium urate crystals lowered iATP through K(+)- and Ca(2+)-mediated mitochondrial dysfunction, suggesting a feedback loop between iATP loss and lowering of mitochondrial membrane potential. These results demonstrate the fundamental roles of iATP in the maintenance of mitochondrial function and regulation of IL-1β secretion, and they suggest that maintenance of the intracellular ATP pools could be a strategy for countering NLRP3-mediated inflammation.

Caracterização de amostras petroquímicas e derivados utilizando cromatografia gasosa bidimensional abrangente (GCxGC)

The goal of this article is to discuss the application of comprehensive two-dimensional gas chromatography (GCxGC) to petrochemical samples. The use of GCxGC for petroleum and petroleum derivatives characterization, through group type analysis, or BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes), total aromatic hydrocarbons, polyaromatic hydrocarbons, sulfur-containing, oxygen-containing, and nitrogen-containing compounds is presented. The capability of GCxGC to provide additional specific chemical information regarding petroleum processing steps, such as dehydrogenation of linear alkanes, the Fischer-Tropsch process, hydrogenation and oligomerization is also described. In addition, GCxGC analyses of petrochemical biomarkers and environmental pollutants derived from petrochemicals are reported.

Iron(III) as Lewis acid catalyst in organosilicon and carbonyl chemistry

Iron is one of the most common elements in the earth’s crust and thus its availability and economic viability far exceed that of metals commonly used in catalysis. Also the toxicity of iron is miniscule, compared to the likes of platinum and nickel, making it very desirable as a catalyst. Despite this, prior to the 21st century, the applicability of iron in catalysis was not thoroughly investigated, as it was considered to be inefficient and unselective in desired transformations. In this doctoral thesis, the application of iron catalysis in combination with organosilicon reagents for transformations of carbonyl compounds has been investigated together with insights into iron catalyzed chlorination of silanes and silanols. In the first part of the thesis, the synthetic application of iron(III)-catalyzed chlorination of silanes (Si-H) and the monochlorination of silanes (SiH2) using acetyl chloride as the chlorine source is described. The reactions proceed under ambient conditions, although some compounds need to be protected from excess moisture. In addition, the mechanism and kinetics of the chlorination reaction are briefly adressed. In the second part of this thesis a versatile methodology for transformation of carbonyl compounds into three different compound classes by changing the conditions and amounts of reagents is discussed. One pot reductive benzylation, reductive halogenation and reductive etherification of ketones and aldehydes using silanes as the reducing agent, halide source or cocatalyst, were investigated. Also the reaction kinetics and mechanism of the reductive halogenation of acetophenone are briefly discussed.

Hydrosilylation and hydroboration catalyzed by imido-hydride complexes of molybdenum (IV)

This thesis describes the synthesis, structural studies, stoichiometric and catalytic reactivity of novel Mo(IV) imido hydride complexes (Cp)(ArN)Mo(H)(PMe3) (1) and (Tp )(ArN)Mo(H)(PMe3) (2). Both 1 and 2 catalyze hydrosilylation of a variety of carbonyls. Detailed kinetic and DFT studies found that 1 reacts by an unexpected associative mechanism, which does not involve Si-H addition either to the imido group or the metal. Despite 1 being a d2 complex, its reaction with PhSiH3 proceeds via a a-bond metathesis mechanism giving the silyl derivative (Cp )(ArN)Mo(SiH2Ph)(PMe3). In the presence of BPh3 reaction of 1 with PhSiH3 results in formation of (Cp)(ArN)Mo(SiH2Ph)(H)2 and (Cp)(ArN)Mo(SiH2Ph)2(H), the first examples ofMo(VI) silyl hydrides. AI: 1 : 1 reaction between 2, PhSiD3 and carbonyl substrate established that hydrosilylation is not accompanied by deuterium incorporation into the hydride position of the catalyst, thus ruling out the conventional mechanism based on carbonyl insertion carbonyl. As 2 is nomeactive to both the silane and ketone, the only mechanistic alternative we are left with is that the metal center activates the carbonyl as a Lewis acid. The analogous nonhydride mechanism was observed for the catalysis by (ArN)Mo(H)(CI)(PMe3), (Ph3P)2(I)(O)Re(H)(OSiMe2Ph) and (PPh3CuH)6. Complex 2 also catalyzes hydroboration of carbonyls and nitriles. We report the first case of metal-catalyzed hydroboration of nitriles as well as hydroboration of carbonyls at very mild conditions. Conversion of carbonyl functions can be performed with high selectivities in the presence of nitrile groups. This thesis also reports the first case of the HlH exchange between H2 and Si-H of silanes mediated by Lewis acids such as Mo(IV) , Re(V) , Cu(I) , Zn(II) complexes, B(C6Fs)3 and BPh3.

Half-sandwich silane complexes of ruthenium and iron : synthesis, structure and application to catalysis

The present thesis describes syntheses, structural studies, and catalytic reactivity of new non-classical silane complexes of ruthenium and iron. The ruthenium complexes CpRu(PPri3)CI(T]2-HSiR3) (1) (SiR3 = SiCh (a), SiClzMe (b), SiCIMe2 (c), SiH2Ph (d), SiMe2Ph (e» were prepared by reactions of the new unsaturated complex CpRu(PPri3)CI with silanes. According to NMR studies and X-ray analyses, the complexes la-c exhibit unusual simultaneous Si··· H and Si··· CI-Ru interactions. The complex CpRu(PPri3)CI was also used for the preparation of the first examples of late transition metal agostic silylamido complexes CpRu(PPri3)(N(T]2-HSiMe2)R) (2) (R= Ar or But), which were characterized by NMR spectroscopy. The iron complexes CpFe(PMePri2)H2(SiR3) (3) (SiR3 = SiCh (a), SiClzMe (b), SiCIMe2 (c), SiH2Ph (d), SiMe2Ph (e» were synthesized by the reaction of the new borohydride iron complex CpFe(PMePri2)(B~) with silanes in the presence NEt3. The complexes 3 exhibit unprecedented two simultaneous and equivalent Si··· H interactions, which was confirmed by X-ray analyses and DFT calculations. A series of cationic ruthenium complexes [CpRu(PR3)(CH3CN)(112-HSiR'3)]BAF (PR3 = PPri 3 (4), PPh3 (5); SiR'3 = SiCh (a), SiClzMe (b), SiClMe2 (c), SiH2Ph (d), SiMe2Ph (e» was obtained by substitution of one of the labile acetonitrile ligands in [CpRu(PR3)(CH3CNh]BAF with sHanes. Analogous complexes [TpRu(PR3)(CH3CN)(T]2 -HSiR' 3)]BAF (5) were obtained by the reaction of TpRu(PR3)(CH3CN)CI with LiBAF in the presence of silanes. The complexes 4-5 were characterized by NMR spectroscopy, and the observed coupling constants J(Si-H) allowed us to estimate the extent of Si-H bond activation in these compounds. The catalytic activity in hydrosilylation reactions of all of the above complexes was examined. The most promising results were achieved with the cationic ruthenium precatalyst [CpRu(PPri3)(CH3CN)2t (6). Complex 6 shows good to excellent catalytic activity in the hydrosilylation of carbonyls, dehydrogenative coupling of silanes with alcohols, amines, acids, and reduction of acid chlorides. We also discovered very selective reduction of nitriles and pyridines into the corresponding N-silyl imines and l,4-dihydropyridines, respectively, at room temperature with the possibility of catalyst recycling. These chemoselective catalytic methods have no analogues in the literature. The reactions were proposed to proceed via an ionic mechanism with intermediate formation of the silane a-complexes 4.

Triarylamminium radical-cation complexes: design and magnetic properties and Base-catalyzed hydrosilylation: mechanism and substrate scope

1. Triarylamminium radical-cation complexes. The detailed study of manganese, copper and nickel metal-radical complexes with triarylamminium ligands was conducted. Stable, neutral and pseudo-octahedral coordination monometallic complexes with simple monodentate 2,2`-bipyridine ligand containing a redox-active N,N`-(4,4`-dimethoxydiphenyl-amino) substituent were synthesized and fully characterized. The one-electron oxidation process and formation of persistent radical-cation complexes was observed by cyclic voltammetry and spectroelectrochemical measurements. Evans method measurements were performed with radical-cation complexes generated by chemical one-electron oxidation with NOPF6 in acetonitrile. The experimental results indicate ferromagnetic coupling between metal and triarylamminium cation in manganese (II) complex and antiferromagnetic coupling in nickel (II) complex. This data is supported by DFT calculations which also lend weight to the  spin polarization mechanism as an operative model for magnetic exchange coupling. Neutral bimetallic complexes with a new ditopic ligand were synthesized and fully characterized, including magnetic and electrochemical studies. Chemical oxidation of these precursor complexes did not generate radical-cations, but dicationic complexes, which was confirmed by UV-vis and EPR-experiments, as well as varied temperature magnetic measurements. DFT calculations for radical-cation complexes are included. A synthetic pathway for polytopic ligand with multiple redox-active triarylamine sites was developed. The structure of the ligand is presumably suitable for -spin polarization exchange model and allows for production of polymetallic complexes having high spin ground states. 2. Base-catalyzed hydrosilylation. A simple reductive base-catalyzed hydrosilation of aldehydes and ketones was adapted to the use of the cheap, safe, and non-toxic polymethylhydrosiloxane (PMHS) instead of the common PhSiH3 and (EtO)3SiH, which present significant cost and safety concerns, respectively. The conversion of silane into pentacoordinate silicate species upon addition of a base was studied in details for the cases of phenyl silane and PMHS and is believed to be essential for the hydrosilylation process. We discovered that nucleophiles (a base or fluoride-anion) induced the rearrangement of PMHS and TMDS into light silanes: MeSiH3 and Me2SiH2, respectively. The reductive properties of PMHS under basic conditions can be attributed to the formation of methyl silane and its conversion into a silicate species. A procedure for the generation of methyl silane and its use in further efficient reductions of aldehydes and ketones has been developed. The protocol was extended to the selective reduction of esters and tertiary amides into alcohols and aldimines into amines with good isolated yields and reduction of heterocyclic compounds was attempted.

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.

Étude structurale du mode de liaison des protéines Whirly de plantes à l’ADN monocaténaire

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus.

Étude des mécanismes moléculaires de formation des pores des toxines formeuses de pores par la spectroscopie de fluorescence

Les toxines formeuses de pore (PFTs) sont des protéines exogènes responsables d’un grand nombre de maladies infectieuses qui perméabilisent les membranes cellulaires de leur hôte. La formation des pores ou l’introduction d’une enzyme dans le cytoplasme peut entrainer l’apparition de symptômes de maladies connues (l’anthrax, le botulisme) et, dans le pire des cas, la mort. Les mécanismes d’infection et de destruction des cellules infectées sont bien caractérisés. Toutefois, l’aspect dynamique des changements de conformation durant le processus de perméabilisation reste à découvrir pour la majorité des toxines formeuses de pore. Le but de cette thèse est d’étudier les mécanismes d’oligomérisation des PFTs, ainsi que la formation des pores à la membrane lipidique grâce à la spectroscopie de fluorescence. Nous avons choisi la toxine Cry1Aa, un bio pesticide produit par le bacille de Thuringe et qui a été rigoureusement caractérisé, en tant que modèle d’étude. La topologie de la Cry1Aa à l’état actif et inactif a pu être résolue grâce à l’utilisation d’une technique de spectroscopie de fluorescence, le FRET ou transfert d’énergie par résonance entre un fluorophore greffé au domaine formeur de pore (D1) et un accepteur non fluorescent (le DPA ou dipicrylamine) localisé dans la membrane et qui bouge selon le potentiel membranaire. Le courant électrique, ainsi que la fluorescence provenant de la bicouche lipidique membranaire horizontale ont été enregistrés simultanément. De cette manière, nous avons pu localiser toutes les boucles reliant les hélices de D1 avant et après la formation des pores. Dans la forme inactive de la toxine, toutes ces boucles se trouvent du côté interne de la bicouche lipidique, mais dans sa forme active l’épingle α3-α4 traverse du côté externe, alors que toutes les autres hélices demeurent du côté interne. Ces résultats suggèrent que α3-α4 forment le pore. Nous avons découvert que la toxine change significativement de conformation une fois qu’elle se trouve dans la bicouche lipidique, et que la Cry1Aa attaque la membrane lipidique de l’extérieur, mais en formant le pore de l’intérieur. Dans le but de caractériser la distribution de toxines à chaque extrémité de la bicouche, nous avons utilisé une technique de double FRET avec deux accepteurs ayant des vitesses de translocation différentes (le DPA et l’oxonol) dans la membrane lipidique. De cette manière, nous avons déterminé que la toxine était présente des deux côtés de la bicouche lipidique durant le processus de perméabilisation. La dynamique d’oligomérisation de la toxine dans une bicouche lipidique sans récepteurs a été étudiée avec une technique permettant le compte des sauts de fluorescence après le photoblanchiment des fluorophore liés aux sous unités composant un oligomère présent dans la bicouche lipidique supportée. Nous avons confirmé de cette manière que la protéine formait ultimement des tétramères, et que cet état résultait de la diffusion des monomères de toxine dans la bicouche et de leur assemblage subséquent. Enfin nous avons voulu étudier le « gating » de la colicine Ia, provenant de la bactérie E.Coli, dans le but d’observer les mouvements que font deux positions supposées traverser la bicouche lipidique selon le voltage imposé aux bornes de la bicouche. Nos résultats préliminaires nous permettent d’observer un mouvement partiel (et non total) de ces positions, tel que le suggèrent les études de conductances du canal.

Étude numérique des premières étapes d'agrégation du peptide amyloïde GNNQQNY, impliqué dans une maladie à prion.

Les protéines amyloïdes sont impliquées dans les maladies neurodégénératives comme Alzheimer, Parkinson et les maladies à prions et forment des structures complexes, les fibres amyloïdes. Le mécanisme de formation de ces fibres est un processus complexe qui implique plusieurs espèces d’agrégats intermédiaires. Parmi ces espèces, des petits agrégats, les oligomères, sont reconnus comme étant l’espèce amyloïde toxique, mais leur mécanisme de toxicité et d’agrégation sont mal compris. Cette thèse présente les résultats d’une étude numérique des premières étapes d’oligomérisation d’un peptide modèle GNNQQNY, issu d’une protéine prion, pour des systèmes allant du trimère au 50-mère, par le biais de simulations de dynamique moléculaire couplée au potentiel gros-grain OPEP. Nous trouvons que le mécanisme d’agrégation du peptide GNNQQNY suit un processus complexe de nucléation, tel qu’observé expérimentalement pour plusieurs protéines amyloïdes. Nous observons aussi que plusieurs chemins de formation sont accessibles à l’échelle du 20-mère et du 50-mère, ce qui confère aux structures un certain degré de polymorphisme et nous sommes capable de reproduire, dans nos simulations, des oligomères protofibrillaires qui présentent des caractéristiques structurelles observées expérimentalement chez les fibres amyloïdes.

Études des premières étapes d’oligomérisation de la région Non-Aβ Component de l’a-synucléine et de Aβ1-40

Les protéines amyloïdes sont retrouvées sous forme de fibres dans de nombreuses maladies neurodégénératives. En tentant d’élucider le mécanisme de fibrillation, les chercheurs ont découvert que cette réaction se fait par un phénomène de nucléation passant par des oligomères. Il semblerait que ces espèces soient la principale cause de la toxicité observée dans les cellules des patients atteints d’amyloïdose. C’est pourquoi un intérêt particulier est donc porté aux premières étapes d’oligomérisation. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à une séquence d’acide aminé fortement hydrophobe de l’α-synucléine appelée composante non β -amyloïde (Non-Amyloid β Component ou NAC). Cette dernière est retrouvée sous forme de fibres dans les corps et les neurites de Lewy des patients atteints de la maladie de Parkinson. De plus, elle constitue une composante minoritaire des fibres impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons observé les changements structuraux qui ont lieu pour le monomère, le dimère et le trimère de la séquence NAC de l’α-synucléine. Nous nous sommes aussi intéressés aux conséquences structurelles observées dans des oligomères hétérogènes qui impliqueraient, Aβ1−40. Pour cela nous utilisons des dynamiques moléculaires, d’échange de répliques couplées au potentiel gros-grain, OPEP. Nous constatons une disparition des hélices α au profit des feuillets β , ainsi que le polymorphisme caractéristique des fibres amyloïdes. Certaines régions se sont démarquées par leurs capacités à former des feuillets β . La disparition de ces régions lorsque NAC est combinée à Aβ laisse entrevoir l’importance de l’emplacement des résidus hydrophobes dans des structures susceptibles de former des fibres amyloïdes.