Application des librairies de codons dégénérés à l'étude du mécanisme de repliement et de la stabilisation de la structure du domaine liant ras de Raf

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Étude du mécanisme de repliement de l'ubiquitine de levure par l'introduction de contraintes conformationnelles dans son état dénaturé

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude du rôle de la calnexine de Schizosaccharomyces pombe dans le repliement et la sécrétion de protéines

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude du mécanisme de repliement de l'ubiquitine de levure par l'introduction de contraintes conformationnelles dans son état dénaturé

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude du rôle de la calnexine de Schizosaccharomyces pombe dans le repliement et la sécrétion de protéines

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Caractérisation du repliement en temps réel du riborégulateur adénine

Vers la fin des années 1990 et au début des années 2000, l’idée que l’ARN puisse interagir directement avec de petits métabolites pour contrôler l’expression de certains gènes devient de plus en plus acceptée. Des recherches menées à cette époque ont permis la découverte de plusieurs structures d’ARN hautement conservées nommées riborégulateurs. La structure de ces ARN leur permet de reconnaître spécifiquement un ligand. La reconnaissance du ligand entraîne ensuite un changement de conformation dans l’ARN responsable du contrôle de l’expression génétique. Le but de cette thèse est d’étudier la structure et les changements de conformation du riborégulateur associé au gène add liant l’adénine chez Vibrio vulnificus. Ce riborégulateur étant relativement simple, les informations recueillies lors de cette étude pourront servir à comprendre le fonctionnement de riborégulateurs plus complexes. Dans l’introduction, la découverte des riborégulateurs sera décrite en plus des caractéristiques particulières et de l’importance de ces ARN. Par la suite, quelques exemples démontrant l’importance des structures d’ARN seront abordés. Ensuite, les techniques de fluorescence utilisées pour étudier les structures d’ARN au cours de cette thèse seront présentées. Enfin, les recherches effectuées sur les riborégulateurs adénine seront détaillées afin d’aider le lecteur à bien comprendre le type de riborégulateur au centre de cette thèse. Le chapitre 1 traite du repliement de l’aptamère suite à la liaison avec l’adénine. Dans ce chapitre, il est démontré que l’aptamère peut adopter trois conformations. Une modification de la séquence de l’aptamère de type sauvage a permis d’isoler ces trois conformations. Il a ensuite été possible d’identifier les caractéristiques propres à chacun des états. Le chapitre 2 s’intéresse à une région précise du riborégulateur adénine. Dans ce chapitre, la conformation du cœur de l’aptamère est étudiée plus en profondeur. Il y est possible de constater que le repliement du cœur de l’aptamère influence l’interaction boucle-boucle en présence de magnésium et de ligand. De plus, la présence de ligand, en concentration suffisante, permet le repliement du cœur et favorise le rapprochement des tiges P2 et P3 dans un aptamère muté pour empêcher la formation de l’interaction boucle-boucle. Il semble donc que le repliement du cœur de l’aptamère influence la structure globale de l’aptamère. Finalement, les travaux présentés dans les chapitres 1 et 2 seront mis en contexte avec la littérature scientifique disponible. Cette discussion tentera de réconcilier certaines observations contradictoires. Il sera ensuite question de l’impact que les travaux présentés dans cette thèse peuvent avoir dans le domaine de l’ARN. Enfin, quelques études à réaliser en continuité avec ces travaux seront proposées.

ASIC1a oligomerization structure-function of its extracellular vestibule and functional characterization of αS243Pβɣ ENaC

Quatre cristaux du canal ASIC1a ont été publiés et soutiennent une stoechiométrie trimérique. Cependant, ces données contredisant de précédentes analyses fonctionnelles effectuées sur des canaux de la même famille, notre intérêt fut porté sur l'oligomérisation d'ASIC1a. Dans ce sens, un nouvel essai couplant la méthode d'analyse par substitution de cystéines (SCAM) avec l'utilisation de réactifs sulfhydryls bifonctionnels (crosslinkers) a été mis en place. Le but étant de stabiliser, puis sélectionner les canaux fonctionnels, pour ensuite les séparer selon leur taille par SDS-PAGE. Grâce à cette technique, nous avons démontré que le complexe stabilisé a une taille coïncidant avec une organisation tétramérique. En plus de son oligomérisation, le chemin emprunté par les ions pour traverser le canal n'est pas clairement défini dans ces structures. De ce fait, utilisant une approche électrophysiologique, nous avons étudié le lien entre la structure et la fonction du vestibule extracellulaire d'ASIC1a. Dans ce but, nous nous sommes intéressés l'accessibilité de cystéines spécifiques localisées dans ce vestibule pour des réactifs méthanethiosulfonates (MTS). Ainsi, nous avons pu corréler les cinétiques de modification de ces cystéines par les MTS avec les effets sur le courant sodique, et donc avoir des informations supplémentaires sur la voie empruntée par les ions. De plus, la simulation informatique de liaison de ces réactifs illustre le remplissage total de ce vestibule. Fonctionnellement, cette interaction ne perturbe pas le passage de ions, c'est pourquoi il nous apparaît probable que le vestibule présente une taille plus large que celle illustrée par les cristaux. Dans un deuxième temps, notre intérêt fut porté sur ENaC. Ce canal est composé des trois sous-unités (a, ß et y) et est exprimé dans divers épithéliums, dont les tubules des reins. Il participe à l'homéostasie sodique et est essentiellement régulé par voie hormonale via l'aldostérone et la Vasopressine, mais également par des sérines protéases ou le Na+. Nous avons étudié la répercussion fonctionnelle de la mutation aS243P, découverte chez un nouveau-né prématuré atteint de pseudohypoaldostéronisme de type 1. Cette maladie autosomale récessive se caractérise, généralement, par une hyponatrémie liée à d'importantes pertes de sel dans les urines, une hyperkaliémie, ainsi qu'un niveau élevé d'aldostérone. Tout d'abord aucune des expériences biochimiques et électrophysiologiques n'a pu démontrer un défaut d'expression ou une forte diminution de l'activité soutenant les données cliniques. Cependant, en challengeant aS243PßyENaC avec une forte concentration de Na+ externe, une hypersensibilité de canal fut observée. En effet, ni les phénomènes régulateurs de « feedback inhibition » ou de « Na+ self-inhibition » n'étaient semblables au canal sauvage. De ce fait, ils apparaissaient exacerbés en présence de la mutation, amenant ainsi à une diminution de la réabsorption de Na+. Ceci corrobore entièrement l'hyponatrémie diagnostiquée. Le rein d'un prématuré étant immature, la quantité de Na+ atteignant la partie distale du néphron est plus élevée, du fait que les autres mécanismes de réabsorption en amont ne sont probablement pas encore en place. Cette hypothèse est renforcée par l'existence d'un frère présentant la même mutation, mais qui, né à terme, ne présentait aucun signe d'hyponatrémie. - The main topic of my thesis is the structure-function relationship of the ENaC/Deg family of ion channels, namely the Acid-Sensing Ion Channel ASIC1a and the Epithelial Na Channel ENaC. The primary part of this research is dedicated to the structure of ASIC1a. Four channel crystals have been published, which support a trimeric stoichiometry, although these data contradict previous functional experiments on other ENaC/Deg members. We are therefore interested in ASIC1a oligomerization and have set up a new assay combining the Substituted- Cysteine Accessibility Method (SCAM) with Afunctional sulfhydryl reagents (crosslinkers) allowing its study. The aim was to first stabilize the channels, then select those that are functional and then resolve them according to their size on SDS-PAGE. We demonstrated that the stabilized complex has a molecular weight corresponding to a tetrameric stoichiometry. In addition to our interest in the oligomerization of the ENaC/Deg family of ion channels, we also wanted to investigate the thus far undefined way of permeation for these channels. Therefore, taking the advantage of a more electrophysiological approach, we studied the accessibility of specific cysteines for methanethiosulfonate reagents (MTS) and were able to correlate the MTS association kinetics on cysteine residues with Na+ currents. These results have given us an insight into ion permeation and our functional evidence indicates that the extracellular is larger than that depicted by the crystal structures. As a side project, we focused on ENaC, which is made up of three subunits (a, ß and y) and is expressed in various epithelia, especially in the distal nephron of the kidneys. It plays a role in Na+ homeostasis and is essentially regulated by hormones via aldosterone and vasopressin, but also by serine proteases or Na+. We have studied the functional impact of the aS243P mutation, discovered in a premature baby suffering from pseudohypoaldosteronism of type 1. This autosomal recessive disease is characterized by hyponatremia, hyperkalemia and high aldosterone levels. Firstly, neither biochemical nor electrophysiological experiments indicated an expression defect or a strong decrease in activity. However, challenging aS243PßyENaC with increased external Na+ concentration showed channel hypersensitivity. Indeed, both the "feedback inhibition" and the "Na+ self-inhibition" regulatory mechanisms are impaired, leading to a decrease in Na+ reabsorption, entirely supports the diagnosis. The kidneys in preterm infants are immature and Na+ levels reaching the distal nephron are higher than normally observed. We hypothesize that the upstream reabsorption machinery is unlikely to be sufficiently matured and this assumption is supported by an asymptomatic sibling carrying the same mutation, but born at term. - La cellule, unité fonctionnelle du corps humain, est délimitée par une membrane plasmique servant de barrière biologique entre les milieux intra et extracellulaires. Une communication entre cellules est indispensable pour un fonctionnement adéquat. Sa survie dépend, entre autres, du maintien de la teneur en ions dans chacun des milieux qui doivent pouvoir être réabsorbés, ou sécrétés, selon les besoins. Les protéines insérées dans la membrane forment un canal et sont un moyen de communication permettant spécifiquement à des ions tel que le sodium (Na+) de traverser. Le Na+ se trouve dans la plupart des aliments et le sel, et est spécifiquement réabsorbé au niveau des reins grâce au canal sodique épithélial ENaC. Cette réabsorption se fait de l'urine primaire vers l'intérieur de la cellule, puis est transporté vers le sang. Pour maintenir un équilibre, une régulation de ce canal est nécessaire. En effet, des dysfonctionnements impliquant la régulation ou l'activité d'ENaC lui-même sont à l'origine de maladies telles que la mucoviscidose, l'hypertension ou encore, le pseudohypoaldostéronisme (PHA). Cette maladie est caractérisée, notamment, par d'importantes pertes de sel dans les urines. Des pédiatres ont diagnostiqué un PHA chez un nouveau-né, ce dernier présentant une modification du canal ENaC, nous avons recréé cette protéine afin d'étudier l'impact de ce changement sur son activité. Nous avons démontré que la régulation d'ENaC était effectivement perturbée, conduisant ainsi à une forte réduction de la réabsorption sodique. Afin de développer des molécules capables de moduler l'activité de protéines. Il est nécessaire d'en connaître la structure. Celle du canal sodique sensible à l'acidification ASIC1, un canal cousin d'ENaC, est connue. Ces données structurales contredisant cependant les analyses fonctionnelles, nous nous sommes penchés une nouvelle fois sur ASIC1. Une protéine est une macromolécule biologique composée d'une chaîne d'acides aminés (aa). De l'enchaînement d'aa à la protéine fonctionnelle, quatre niveaux de structuration existent. Chaque aa donne une indication quant au repliement et plus particulièrement la cystéine. Arborant un groupe sulfhydryle (SH) capable de former une liaison spécifique et stable avec un autre SH, celle-ci est souvent impliquée dans la structure tridimensionnelle de la protéine. Ce type de liaison intervient également dans la stabilisation de la structure quaternaire, qui est l'association de plusieurs protéines identiques (homomère), ou pas (hétéromère). Dans cette partie, nous avons remplacé des aa par des cystéines à des endroits spécifiques. Le but était de stabiliser plusieurs homomères d'ASICl ensemble avec des réactifs créant des ponts entre deux SH. Ainsi, nous avons pu déterminer le nombre de protéines ASIC1 participant à la formation d'un canal fonctionnel. Nos résultats corroborent les données fonctionnelles soutenant un canal tétramérique. Nous avons également étudié l'accessibilité de ces nouvelles cystéines afin d'obtenir des informations supplémentaires sur la structure du chemin emprunté par le Na+ à travers ASIC1 et plus particulièrement du vestibule extracellulaire.

Protection of pancreatic beta-cells by high density lipoproteins

SUMMARYThe incidence of type 2 diabetes (T2D) is increasing worldwide and is linked to the enhancement of obesity. The principal cause of T2D development is insulin resistance, which lead to the increase of insulin production by the pancreatic beta-cells. In a pathological environment, namely dyslipidaemia, hyperglycaemia and inflammation, beta-cell compensation will fail in more vulnerable cells and diabetes will occur. High Density Lipoproteins (HDLs), commonly named "good cholesterol" are known to be atheroprotective. Low levels of HDLs are associated with increased prevalence of cardiovascular disease but are also an independent risk factor for the development of T2D. HDLs were demonstrated to protect pancreatic beta-cells against several stresses. However the molecular mechanisms of the protection are unknown and the objectives of this work were to try to elucidate the way how HDLs protect. The first approach was a broad screening of genes regulated by the stress and HDLs. A microarray analysis was performed on beta-cells stressed by serum deprivation and rescued by HDLs. Among the genes regulated, we focused on 4E-BP1, a cap-dependent translational inhibitor. In addition, HDLs were also found to protect against several other stresses.Endoplasmic reticulum (ER) stress is a mechanism that may play a role in the onset of T2D. The unfolded protein response (UPR) is a physiological process that aims at maintaining ER homeostasis in conditions where the protein folding and secretion is perturbed. Specific signalling pathways are involved in the increase of folding, export and degradation capacity of the ER. However, in case where the stress is prolonged, this mechanism turns to be pathological, by inducing cell death effector pathways, leading to beta-cell apoptosis. In our study, we discovered that HDLs were protective against ER stress induced by drugs and physiological stresses such as saturated free fatty acids. HDLs protected beta-cells by promoting ER homeostasis via the improvement of the folding and trafficking od proteins from the ER to the Golgi apparatus.Altogether our results suggest that HDLs are important for beta-cell function and survival, by protecting them from several stresses and acting on ER homeostasis. This suggests that attempt in keeping normal HDLs levels or function in patients is crucial to lessen the development of T2D.RÉSUMÉL'incidence du diabète de type 2 est en constante augmentation et est fortement liée à l'accroissement du taux d'obésité. La cause principale du diabète de type 2 est la résistance à l'insuline, qui entraîne une surproduction d'insuline par les cellules bêta pancréatiques. Dans un environnement pathologique associé à l'obésité (dyslipidémie, hyperglycémie et inflammation), les cellules bêta les plus vulnérables ne sont plus capables de compenser en augmentant leur production d'insuline, dysfonctionnent, ce qui conduit à leur mort par apoptose. Les lipoprotéines de hautes densités (HDLs), communément appelées (( bon cholestérol », sont connues pour leurs propriétés protectrices contre l'athérosclérose. Des niveaux bas de HDLs sanguins sont associés au risque de développer un diabète de type 2. Les HDLs ont également montré des propriétés protectrices contre divers stresses dans la cellule bêta. Cependant, les mécanismes de protection restent encore inconnus et l'objectif de ce travail a été d'investiguer les mécanismes moléculaires de protection des HDLs. La première approche choisie a été une étude du profil d'expression génique par puce à ADN afin d'identifier les gènes régulés par le stress et les HDLs. Parmi les gènes régulés, notre intérêt s'est porté sur 4E-BP1, un inhibiteur de la traduction coiffe- dépendante, dont l'induction par le stress était corrélée avec une augmentation de l'apoptose. Suite à cette étude, les HDLs ont également montrés un rôle protecteur contre d'autres stresses. Il s'agit particulièrement du stress du réticulum endoplasmique (RE), qui est un mécanisme qui semble jouer un rôle clé dans le développement du diabète. L'UPR (« Unfolded Protein Response ») est un processus physiologique tendant à maintenir l'homéostasie du réticulum endoplasmique, organelle prépondérante pour la fonction des cellules sécrétrices, notamment lorsqu'elle est soumise à des conditions extrêmes telles que des perturbations de la conformation tertiaire des protéines ou de la sécrétion. Dans ces cas, des voies de signalisation moléculaires sont activées, ce qui mène à l'exportation des protéines mal repliées, à leur dégradation et à l'augmentation de l'expression de chaperonnes capables d'améliorer le repliement des protéines mal formées. Toutefois, en cas de stress persistant, ce mécanisme de protection s'avère être pathologique. En induisant des voies de signalisation effectrices de l'apoptose, il conduit finalement au développement du diabète. Dans cette étude, nous avons démontré que les HDLs étaient capables de protéger la cellule bêta contre le stress du RE induits par des inhibiteurs (thapsigargine, tunicamycine) ou des stresses physiologiques tels que les acides gras libres. Les HDLs ont la capacité d'améliorer l'homéostasie du RE, notamment en favorisant le repliement et le transfert des protéines du RE à l'appareil de Golgi.En résumé, ces données suggèrent que les HDLs sont bénéfiques pour la survie des cellules bêta soumises à des stresses impliqués dans le développement du diabète, notamment en restaurant l'homéostasie du RE. Ces résultats conduisent à soutenir que le maintien des taux de cholestérol joue un rôle important dans la limitation de l'incidence du diabète.

Mécanisme moléculaire de protection des HDLs contre le stress du réticulum endoplasmique dans la cellule beta pancréatique. [Molecular mechanisms of HDLs to protect against the endoplasmic reticulum stress in pancreatic beta cell.]

Introduction: Les particules de HDL (High Density Lipoproteins) ont des fonctions très diverses notamment anti-inflamatoires, anti-apoptotiques ou anti-oxydatives. Chez les patients diabétiques, les niveaux de HDLs sont bas, les prédisposants ainsi à un risque élévé à développer une maladie cardiovasculaire. Sachant que le s HDLs ont également un effet protecteur sur la cellule beta, le but de cette étude est dinvestigué les mécanismes moléculaires de cette protection contre le stress du réticulum, stress qui contriubue au développement du diabéte de type 2. Résultats: La thapsigargine et la tunicamycine induisent lapoptose en induisant un stress dans le réticulum endoplasmique (RE) par un mauvais repliement des protéines dans le RE, ainsi que l'activation de l'UPR (Unfolded Protein Respons) avec trois voies communes de signalisation intracellulaire (IRE1, PREK et ATF6). Ces voix veillent tout d'abord à augmenter la capacité de repliement des protéines et le cas échéant à lapoptose. Nos résultats montrent que les HDLs sont capable d'inhuber lapoptose induite par la thapsigargine et la tunicamycine dans les MIN6. Dans le cas du traitement avec la thapsigargine, plusieurs marqueurs des voix UPR sont bloqués en présence des HDLs, suggérant que l'effet anti-apoptotiques des HDLs s'exerce au niveau ou en amont du RE. Les HDLS par contre ne bloquent par la sortie de calcium du RE induite par la thapsigargine ce qui indique que les HDLs n'interfèrent pas avec l'action de cette drogue sur sa cible (SERCA). Dans le cas de la la tunicamycine, les HDLs ne bloquent pas, ou très légèrement, l'activation des voix de l'UPR. La protection induite par les HDLs contre la mort engendrée par la tunicamycine s'sexerce dont apparement en aval de l'UPR et reste à être déterminer. Conclusions: Nos données suggérent que les HDLs sont capable de protéger la cellule beta contre le stress du réticulum mais apparement de façon différente selon les modalités d'inductions de ce stress.

Canine distemper virus : persistence and pathology in the central nervous system

Résumé : Le virus de la maladie de Carré (en anglais: canine distemper virus, CDV) qui est pathogène pour les chiens et autres carnivores, est très semblable au virus de la rougeole humaine (en anglais MV). Ces deux virus font partie du genre des Morbillivirus qui appartient à la famille des Paramyxoviridae. Ils induisent des complications dans le système nerveux central (SNC). Au stade précoce et aigu de l'infection du SNC, le CDV induit une démyélinisation (1). Ce stade évolue dans certains cas vers une infection chronique avec progression de la démyélinisation. Pendant le stade précoce, qui suit en général de trois semaines les premiers symptômes, le processus de démyélinisation est associé à la réplication du virus et n'est pas considéré comme inflammatoire (1). Par contre, au stade chronique, la progression des plaques de démyélinisation semble être plutôt liée à des processus immunogènes caractéristiques (2), retrouvés également dans la sclérose en plaques (SEP) chez les humains. Pour cette raison, le CDV est considéré comme un modèle pour la SEP humaine et aussi pour l'étude des maladies et complications induites par les Morbillivirus en général (3). Dans notre laboratoire, nous avons utilisé la souche A75/17-CDV, qui est considérée comme le modèle des souches neurovirulentes de CDV. Nous avons cherché en premier lieu à établir un système robuste pour infecter des cultures neuronales avec le CDV. Nous avons choisi les cultures primaires de l'hippocampe du nouveau-né de rat (4), que nous avons ensuite infecté avec une version modifiée du A75/17, appelée rgA75/17-V (5). Dans ces cultures, nous avons prouvé que le CDV infecte des neurones et des astrocytes. Malgré une infection qui se diffuse lentement entre les cellules, cette infection cause une mort massive aussi bien des neurones infectés que non infectés. En parallèle, les astrocytes perdent leur morphologie de type étoilé pour un type polygonal. Finalment, nous avons trouvé une augmentation importante de la concentration en glutamate dans le milieu de culture, qui laisse présumer une sécrétion de glutamate par les cultures infectées (6). Nous avons ensuite étudié le mécanisme des effets cytopathiques induits par le CDV. Nous avons d'abord démontré que les glycoprotéines de surface F et H du CDV s'accumulent massivement dans le réticulum endoplasmique (RE). Cette accumulation déclenche un stress du RE, qui est caractérisé par une forte expression du facteur de transcription proapoptotique CHOP/GADD 153 et de le la calreticuline (CRT). La CRT est une protéine chaperonne localisée dans le RE et impliquée dans l'homéostasie du calcium (Ca2+) et dans le repliement des protéines. En transfectant des cellules de Vero avec des plasmides codant pour plusieurs mutants de la glycoprotéine F de CDV, nous avons démontré une corrélation entre l'accumulation des protéines virales dans le RE et l'augmentation de l'expression de CRT, le stress du RE et la perte de l'homéostasie du Ca2+. Nous avons obtenu des résultats semblables avec des cultures de cellules primaires de cerveau de rat. Ces résultats suggèrent que la CRT joue un rôle crucial dans les phénomènes neurodégénératifs pendant l'infection du SNC, notamment par le relazgage du glutamate via le Ca2+. De manière intéressante, nous démontrons également que l'infection de CDV induit une fragmentation atypique de la CRT. Cette fragmentation induit une re-localisation et une exposition sélective de fragments amino-terminaux de la CRT, connus pour êtres fortement immunogènes à la surface des cellules infectées et non infectées. A partir de ce résultat et des résultats précédents, nous proposons le mécanisme suivant: après l'infection par le CDV, la rétention dans le RE des protéines F et H provoque un stress du RE et une perte de l'homéostasie du Ca2+. Ceci induit la libération du glutamate, qui cause une dégénération rapide du SNC (sur plusieurs jours ou semaines) correspondant à la phase aiguë de la maladie chez le chien. En revanche, les fragments amino-terminaux de la CRT libérés à la surface des cellules infectées peuvent avoir un rôle important dans l'établissement d'une démyélinisation d'origine immunogène, typique de la phase chronique de l'infection de CDV. Summary : The dog pathogen canine distemper virus (CDV), closely related to the human pathogen measles virus (MV), belongs to the Morbillivirus genus of the Paramyxoviridae family. Both CDV and NIV induce complications in the central nervous system (CNS). In the acute early stage of the infection in CNS, the CDV infection induces demyelination. This stage is sometimes followed by a late persistent stage of infection with a progression of the demyelinating lesions (1). The acute early stage occurs around three weeks after the infection and demyelinating processes are associated with active virus replication and are not associated to inflammation (1). In contrast during late persistent stage, the demyelination plaque progression seems to be mainly due to an immunopathological process (2), which characteristics are shared in many aspects with the human disease multiple sclerosis (MS). For these reasons, CDV is considered as a model for human multiple sclerosis, as well as for the study of Morbillivirus-mediated pathogenesis (3). In our laboratory, we used the A75/17-CDV strain that is considered to be the prototype of neurovirulent CDV strain. We first sought to establish a well characterized and robust model for CDV infection of a neuronal culture. We chose primary cultures from newborn rat hippocampes (4) that we infected with a modified version of A75/17, called rgA75/17-V (5). In these cultures, we showed that CDV infects both neurons and astrocytes. While the infection spreads only slowly to neighbouring cells, it causes a massive death of neurons, which includes also non-infected neurons. In parallel, astrocytes undergo morphological changes from the stellate type to the polygonal type. The pharmacological blocking of the glutamate receptors revealed an implication of glutamatergic signalling in the virus-mediated cytopathic effect. Finally, we found a drastic increase concentration of glutamate in the culture medium, suggesting that glutamate was released from the cultured cells (6). We further studied the mechanism of the CDV-induced cytopathic effects. We first demonstrated that the CDV surface glycoprotein F and H markedly accumulate in the endoplasmic reticulum (ER). This accumulation triggers an ER stress, which is characterized by increased expression of the proapoptotic transcription factor CHOP/GADD 153 and calreticulin (CRT). CRT is an ER resident chaperon involved in the Ca2+ homeostasis and in the response to misfolded proteins. Transfections of Vero cells with plasmids encoding various CDV glycoprotein mutants reveal a correlation between accumulation of viral proteins in the ER, CRT overexpression, ER stress and alteration of ER Ca2+ homeostasis. Importantly, similar results are also obtained in primary cell cultures from rat brain. These results suggest that CRT plays a crucial role in CNS infection, particularly due to CRT involvement in Ca2+ mediated glutamate releases, and subsequent neurodegenerative disorders. Very intriguingly, we also demonstrated that CDV infection induces an atypical CRT fragmentation, with relocalisation and selective exposure of the highly immunogenic CRT N-terminal fragments at the surface of infected and neighbouring non-infected cells. Altogether our results combined with previous findings suggest the following scenario. After CDV infection, F and H retention alter Ca2+ homeostasis, and induce glutamate release, which in turn causes rapid CNS degeneration (within days or a week) corresponding to the acute phase of the disease in dogs. In contrast, the CRT N-terminal fragments released at the surface of infected cells may rather have an important role in the establishment of the autoimmune demyelination in the late stage of CDV infection.

"In vitro" study of the molecular mechanism of the "E.Coli" Hsp 70/Hsp40/NEF chaperone system and its interactions with ?-sinuclein

SUMMARY Under stressful conditions, mutant or post-translationally modified proteins may spontaneously misfold and form toxie species, which may further assemble into a continuum of increasingly large and insoluble toxic oligomers that may further condense into less toxic, compact amyloids in the cell Intracellular accumulation of aggregated proteins is a common denominator of several neurodegenerative diseases. To cope with the cytotoxicity induced by abnormal, aggregated proteins, cells have evolved various defence mechanisms among which, the molecular chaperones Hsp70. Hsp70 (DnaK in E. coii) is an ATPase chaperone involved in many physiological processes in the cell, such as assisting de novo protein folding, dissociating native protein oligomers and serving as pulling motors in the import of polypeptides into organelles. In addition, Hsp70 chaperones can actively solubilize and reactivate stable protein aggregates, such as heat- or mutation-induced aggregates. Hsp70 requires the cooperation of two other co-chaperones: Hsp40 and NEF (Nucleotide exchange factor) to fulfil its unfolding activity. In the first experimental section of this thesis (Chapter II), we studied by biochemical analysis the in vitro interaction between recombinant human aggregated α-synuclein (a-Syn oligomers) mimicking toxic a-Syn oligomers species in PD brains, with a model Hsp70/Hsp40 chaperone system (the E. coii DnaK/DnaJ/GrpE). We found that chaperone-mediated unfolding of two denatured model enzymes were strongly affected by α-Syn oligomers but, remarkably, not by monomers. This in vitro observed dysfunction of the Hsp70 chaperone system resulted from the sequestration of the Hsp40 proteins by the oligomeric α-synuclein species. In the second experimental part (Chapter III), we performed in vitro biochemical analysis of the co-chaperone function of three E. coii Hsp40s proteins (DnaJ, CbpA and DjlA) in the ATP-fuelled DnaK-mediated refolding of a model DnaK chaperone substrate into its native state. Hsp40s activities were compared using dose-response approaches in two types of in vitro assays: refolding of heat-denatured G6PDH and DnaK-mediated ATPase activity. We also observed that the disaggregation efficiency of Hsp70 does not directly correlate with Hsp40 binding affinity. Besides, we found that these E. coii Hsp40s confer substrate specificity to DnaK, CbpA being more effective in the DnaK-mediated disaggregation of large G6PDH aggregates than DnaJ under certain conditions. Sensibilisées par différents stress ou mutations, certaines protéines fonctionnelles de la cellule peuvent spontanément se convertir en formes inactives, mal pliées, enrichies en feuillets bêta, et exposant des surfaces hydrophobes favorisant l'agrégation. Cherchant à se stabiliser, les surfaces hydrophobes peuvent s'associer aux régions hydrophobes d'autres protéines mal pliées, formant des agrégats protéiques stables: les amyloïdes. Le dépôt intracellulaire de protéines agrégées est un dénominateur commun à de nombreuses maladies neurodégénératives. Afin de contrer la cytotoxicité induite par les protéines agrégées, les cellules ont développé plusieurs mécanismes de défense, parmi lesquels, les chaperonnes moléculaires Hsp70. Hsp70 nécessite la collaboration de deux autres co-chaperonnes : Hsp40 et NEF pour accomplir son activité de désagrégation. Hsp70 (DnaK, chez E. coli) est impliquée par ailleurs dans d'autres fonctions physiologiques telles que l'assistanat de protéines néosynthétisées à la sortie du ribosome, ou le transport transmembranaire de polypeptides. Par ailleurs, les chaperonnes Hsp70 peuvent également solubiliser et réactiver des protéines agrégées à la suite d'un stress ou d'une mutation. Dans la première partie expérimentale de cette thèse (Chapter II), nous avons étudié in vitro l'interaction entre les oligomères d'a-synucleine, responsables entre autres, de la maladie de Parkinson, et le système chaperon Hsp70/Hsp40 (système Escherichia coli DnaK/DnaJ/GrpE). Nous avons démontré que contrairement aux monomères, les oligomères d'a-synucleine inhibaient le système chaperon lors du repliement de protéines agrégées. Cette dysfonction du système chaperon résulte de la séquestration des chaperonnes Hsp40 par les oligomères d'a-synucleine. La deuxième partie expérimentale (Chapitre III) est consacrée à une étude in vitro de la fonction co-chaperonne de trois Hsp40 d'is. coli (DnaJ, CbpA, et DjlA) lors de la désagrégation par DnaK d'une protéine pré-agrégée. Leurs activités ont été comparées par le biais d'une approche dose-réponse au niveau de deux analyses enzymatiques: le repliement de la protéine agrégée et l'activité ATPase de DnaK. Par ailleurs, nous avons mis en évidence que l'efficacité de désagrégation d'Hsp70 et l'affinité des chaperonnes Hsp40 vis-à-vis de leur substrat n'étaient pas corrélées positivement. Nous avons également montré que ces trois chaperonnes Hsp40 étaient directement impliquées dans la spécificité des fonctions accomplies par les chaperonnes Hsp70. En effet, DnaK en présence de CbpA assure la désagrégation de large agrégats protéiques avec une efficacité nettement plus accrue qu'en présence de DnaJ.

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).

The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Study of biomacromolecule conformational changes by Scanning Force Microscopy

L?objectif de ce travail de thèse est l?étude des changements conformationels des biomacromolecules à l?échelle d?une molécule unique. Pour cela on a utilisé la Microscopie à Force Atomique (AFM) appliqué à l?étude des protéines et des acides nucléiques déposés sur une surface. Dans ce type de microscopie, une pointe très fine attachée à l?extrémité d?un levier est balayée au dessus d?une surface. L?interaction de la pointe avec la surface de l?échantillon induit la déflection du levier et ce phénomène permet de reconstruire la topographie de l?échantillon. Très importante dans cette technique est la possibilité de travailler en liquide. Cela permet de étudier les biomolécules en conditions quasi-physiologiques sans qu?elles perdent leur activité. On a étudié GroEL, la chaperonin de E.coli, qui est un homo oligomère avec une structure à double anneau qui joue un rôle très important dans le repliement des protéines dénaturées et celles qui viennent d?être synthétisées. En particulier on a focalisé notre attention sur la stabilité mécanique et sur les changements conformationels qui ont lieu pendant l?activité de GroEL. Une analyse détaillée des changements dans la stabilité mécanique et des effets produits par la liaison et l?hydrolyse de l?ATP est présentée dans ce travail. On a montré que le point le plus faible dans la structure de GroEL est l?interface entre les deux anneaux et que l?étape critique dans l?affaiblissement de la structure est l?hydrolyse de l?ATP. En ce qui concerne le changement conformationel, le passage d?une surface hydrophobe à hydrophile, induit par l?hydrolyse de l?ATP, a été montré. Ensuite on a étudié le changement dans la conformation et dans la topologie de l?ADN résultant de l?interaction avec des molécules spécifiques et en réponse à l?exposition des cellules de E.coli à des conditions de stress. Le niveau de surenroulement est un paramètre très sensible, de façon variée, à tous ces facteurs. Les cellules qui ont crus à de températures plus élevées que leur température optimale ont la tendance à diminuer le nombre de surenroulements négatif pour augmenter la stabilité thermique de leur plasmides. L?interaction avec des agents intercalant induit une transition d?un surenroulement négatif à un surenroulement positif d?une façon dépendante de la température. Finalement, l?effet de l?interaction de l?ADN avec des surfaces différentes a été étudié et une application pratique sur les noeuds d?ADN est présentée.<br/><br/>The aim of the present thesis work is to study the conformational changes of biomacromolecules at the single molecule level. To that end, Atomic Force Microcopy (AFM) imaging was performed on proteins and nucleic acids adsorbed onto a surface. In this microcopy technique a very sharp tip attached at the end of a soft cantilever is scanned over a surface, the interaction of the tip with the sample?s surface will induce the deflection of the cantilever and thus it will make possible to reconstruct the topography. A very important feature of AFM is the possibility to operate in liquid, it means with the sample immersed in a buffer solution. This allows one to study biomolecules in quasi-physiological conditions without loosing their activity. We have studied GroEL, the chaperonin of E.coli, which is a double-ring homooligomer which pays a very important role in the refolding of unfolded and newly synthetized polypeptides. In particular we focus our attention on its mechanical stability and on the conformational change that it undergoes during its activity cycle. A detailed analysis of the change in mechanical stability and how it is affected by the binding and hydrolysis of nucleotides is presented. It has been shown that the weak point of the chaperonin complex is the interface between the two rings and that the critical step to weaken the structure is the hydrolysis of ATP. Concerning the conformational change we have directly measured, with a nanometer scale resolution, the switching from a hydrophobic surface to a hydrophilic one taking place inside its cavity induced by the ATP hydrolysis. We have further studied the change in the DNA conformation and topology as a consequence of the interaction with specific DNA-binding molecules and the exposition of the E.coli cells to stress conditions. The level of supercoiling has been shown to be a very sensitive parameter, even if at different extents, to all these factors. Cells grown at temperatures higher than their optimum one tend to decrease the number of the negative superhelical turns in their plasmids in order to increase their thermal stability. The interaction with intercalating molecules induced a transition from positive to negative supercoiling in a temperature dependent way. The effect of the interaction of the DNA with different surfaces has been investigated and a practical application to DNA complex knots is reported.<br/><br/>Observer les objets biologiques en le touchant Schématiquement le Microscope a Force Atomique (AFM) consiste en une pointe très fine fixée a l?extrémité d?un levier Lors de l?imagerie, la pointe de l?AFM gratte la surface de l?échantillon, la topographie de celui-ci induit des déflections du levier qui sont enregistrées au moyen d?un rayon laser réfléchi par le levier. Ces donnés sont ensuit utilisés par un ordinateur pour reconstituer en 3D la surface de l?échantillon. La résolution de l?instrument est fonction entre autre de la dureté, de la rugosité de l?échantillon et de la forme de la pointe. Selon l?échantillon et la pointe utilisée la résolution de l?AFM peut aller de 0.1 A (sur des cristaux) a quelque dizaine de nanomètres (sur des cellules). Cet instrument est particulierment intéressant en biologie en raison de sa capacité à imager des échantillons immergés dans un liquide, c?est à dire dans des conditions quasiphysiologiques. Dans le cadre de ce travail nous avons étudié les changements conformationels de molécules biologiques soumises à des stimulations externes. Nous avons essentielment concentré notre attention sur des complexes protéiques nommé Chaperons Moléculaires et sur des molécules d?ADN circulaire (plasmides). Les Chaperons sont impliqués entre autre dans la résistance des organismes vivants aux stress thermiques et osmotiques. Leur activité consiste essentielment à aider les autres protéines à être bien pliés dans leur conformation finale et, en conséquence, à eviter que ils soient dénaturées et que ils puissent s?agréger. L?ADN, quant à lui est la molécule qui conserve, dans sa séquence, l?information génétique de tous les organismes vivants. Ce travail a spécifiquement concerné l?étude des changements conformationels des chaperonins suit a leur activation par l?ATP. Ces travaux ont montrés a l?échelle de molécule unique la capacité de ces protéines de changer leur surface de hydrophobique a hydrophilique. Nous avons également utilisé l?AFM pour étudier le changement du nombre des surenroulements des molécules d?ADN circulaire lors d?une exposition à un changement de température et de force ionique. Ces travaux ont permis de montrer comment la cellule regle le nombre de surenroulements dans ces molécules pour répondre et contrôler l?expression génétique même dans de conditions extrêmes. Pour les deux molécules en général, c?était très important d?avoir la possibilité de observer leur transitions d?une conformation a l?autre directement a l?échelle d?une seul molécule et, surtout, avec une résolution largement au dessous des la longueur d?onde de la lumière visible que représente le limite pour l?imagerie optique.

La calnexine: un élément clé dans l'apoptose chez la levure Schizosaccharomyces pombe.

La mort cellulaire programmée (PCD pour Programmed Cell Death) est un processus essentiel aux cellules. Le PCD a d’abord été caractérisé dans le développement cellulaire et peut être divisé en plusieurs groupes selon les caractéristiques observées. L’apoptose, un sous-groupe du PCD, est caractérisé par plusieurs distinctions morphologiques et signalétiques attribué tout d’abord aux organismes complexes pour son rôle dans le développement et dans le maintien de l’intégrité tissulaire. Depuis la dernière décennie, de nombreuses études font état de l’existence d’un programme apoptotique dans des organismes unicellulaires comme les levures. Ce programme apoptotique a surtout été étudié chez les levures Saccharomyces cerevisiae et Schizosaccharomyces pombe et partage certaines caractéristiques avec l’apoptose des mammifères. Par contre, l’apoptose associé aux levures est distinct à certains égards entre autre par l’absence de certains homologues présents chez les mammifères. L’intérêt au niveau de l’étude du phénomène apoptotique chez les levures est sans cesse grandissant par la facilité avec laquelle les levures peuvent être utilisées comme système modèle. L’apoptose peut être induit dans les cellules de différentes façons en réponse à des stimuli internes ou externes. L’accumulation de protéines mal repliées au niveau du réticulum endoplasmique (RE) causant un stress est un inducteur bien caractérisé de la voie apoptotique. La signalisation de l’apoptose dans un cas de stress au RE fait appel aux transducteurs des signaux de la voie du UPR ( Unfolded Protein Response). Récemment, il a été montré que la calnexine, une chaperone transmembranaire du RE connue et caractérisée surtout pour ses fonctions d’aide au repliement des protéines et au contrôle de qualité, joue un rôle dans la transduction du signal apoptotique en réponse au stress du RE chez mammifères. Le rôle de la calnexine dans ce cas consiste principalement en l’échafaudage pour le clivage par la caspase 8 de la protéine apoptotique Bap31. Nous avons tout d’abord démontré que le stress du RE et que la déficience en inositol, un précurseur essentiel de nombreuses molécules signalétiques, sont deux inducteurs de l’apoptose chez la levure S. pombe. Ces deux voies semblent induire l’apoptose par deux voies distinctes puisque seule la voie de la déficience en inositol induit l’apoptose de façon dépendante à la métacaspase Pca1p. La calnexine, essentielle à la viabilité chez la levure S. pombe, est impliquée dans ces deux phénomènes apoptotiques. L’apoptose induit par le stress du RE nécessite une version de la calnexine ancrée à la membrane du RE pour être optimal. De façon opposée, l’apoptose induit par une déficience en inositol nécessite la présence de la queue cytosolique ancrée à la membrane de la calnexine pour être retardé. Ces deux actions différentes imputables à une même protéine laisse croire à une double fonction pro et anti-apoptotique de celle-ci. Suite à la découverte de l’existence d’un clivage endogène de la calnexine en situation normale de croissance, un modèle a été élaboré expliquant les rôles distincts de la calnexine dans ces deux voies apoptotiques. Ce modèle fait état d’un rôle associé au clivage de la calnexine dans l’apoptose.