Predicting function from structure: 3D structure studies of the mammalian golgi complex

3D electron tomography studies of the structure of the mammalian Golgi complex have led to four functional predictions (1). The sorting and exit site from the Golgi comprises two or three distinct trans-cisternae (2). The docking of vesicular-tubular clusters at the cis-face and the fragmentation of trans-cisternae are coordinated (3). The mechanisms of transport through, and exit from, the Golgi vary with physiological state, and in different cells and tissues (4). Specialized trans-ER functions in the delivery of ceramide to sphingomyelin synthase in the trans-Golgi membrane, for the regulated sorting via sphingolipid-cholesterol-rich domains. These structure-based predictions can now be tested using a variety of powerful cell and molecular tools.

Quantification de la relation séquence-activité de l’ARN par prédiction de structure tridimensionnelle

Dans un premier temps, nous avons modélisé la structure d’une famille d’ARN avec une grammaire de graphes afin d’identifier les séquences qui en font partie. Plusieurs autres méthodes de modélisation ont été développées, telles que des grammaires stochastiques hors-contexte, des modèles de covariance, des profils de structures secondaires et des réseaux de contraintes. Ces méthodes de modélisation se basent sur la structure secondaire classique comparativement à nos grammaires de graphes qui se basent sur les motifs cycliques de nucléotides. Pour exemplifier notre modèle, nous avons utilisé la boucle E du ribosome qui contient le motif Sarcin-Ricin qui a été largement étudié depuis sa découverte par cristallographie aux rayons X au début des années 90. Nous avons construit une grammaire de graphes pour la structure du motif Sarcin-Ricin et avons dérivé toutes les séquences qui peuvent s’y replier. La pertinence biologique de ces séquences a été confirmée par une comparaison des séquences d’un alignement de plus de 800 séquences ribosomiques bactériennes. Cette comparaison a soulevée des alignements alternatifs pour quelques unes des séquences que nous avons supportés par des prédictions de structures secondaires et tertiaires. Les motifs cycliques de nucléotides ont été observés par les membres de notre laboratoire dans l'ARN dont la structure tertiaire a été résolue expérimentalement. Une étude des séquences et des structures tertiaires de chaque cycle composant la structure du Sarcin-Ricin a révélé que l'espace des séquences dépend grandement des interactions entre tous les nucléotides à proximité dans l’espace tridimensionnel, c’est-à-dire pas uniquement entre deux paires de bases adjacentes. Le nombre de séquences générées par la grammaire de graphes est plus petit que ceux des méthodes basées sur la structure secondaire classique. Cela suggère l’importance du contexte pour la relation entre la séquence et la structure, d’où l’utilisation d’une grammaire de graphes contextuelle plus expressive que les grammaires hors-contexte. Les grammaires de graphes que nous avons développées ne tiennent compte que de la structure tertiaire et négligent les interactions de groupes chimiques spécifiques avec des éléments extra-moléculaires, comme d’autres macromolécules ou ligands. Dans un deuxième temps et pour tenir compte de ces interactions, nous avons développé un modèle qui tient compte de la position des groupes chimiques à la surface des structures tertiaires. L’hypothèse étant que les groupes chimiques à des positions conservées dans des séquences prédéterminées actives, qui sont déplacés dans des séquences inactives pour une fonction précise, ont de plus grandes chances d’être impliqués dans des interactions avec des facteurs. En poursuivant avec l’exemple de la boucle E, nous avons cherché les groupes de cette boucle qui pourraient être impliqués dans des interactions avec des facteurs d'élongation. Une fois les groupes identifiés, on peut prédire par modélisation tridimensionnelle les séquences qui positionnent correctement ces groupes dans leurs structures tertiaires. Il existe quelques modèles pour adresser ce problème, telles que des descripteurs de molécules, des matrices d’adjacences de nucléotides et ceux basé sur la thermodynamique. Cependant, tous ces modèles utilisent une représentation trop simplifiée de la structure d’ARN, ce qui limite leur applicabilité. Nous avons appliqué notre modèle sur les structures tertiaires d’un ensemble de variants d’une séquence d’une instance du Sarcin-Ricin d’un ribosome bactérien. L’équipe de Wool à l’université de Chicago a déjà étudié cette instance expérimentalement en testant la viabilité de 12 variants. Ils ont déterminé 4 variants viables et 8 létaux. Nous avons utilisé cet ensemble de 12 séquences pour l’entraînement de notre modèle et nous avons déterminé un ensemble de propriétés essentielles à leur fonction biologique. Pour chaque variant de l’ensemble d’entraînement nous avons construit des modèles de structures tertiaires. Nous avons ensuite mesuré les charges partielles des atomes exposés sur la surface et encodé cette information dans des vecteurs. Nous avons utilisé l’analyse des composantes principales pour transformer les vecteurs en un ensemble de variables non corrélées, qu’on appelle les composantes principales. En utilisant la distance Euclidienne pondérée et l’algorithme du plus proche voisin, nous avons appliqué la technique du « Leave-One-Out Cross-Validation » pour choisir les meilleurs paramètres pour prédire l’activité d’une nouvelle séquence en la faisant correspondre à ces composantes principales. Finalement, nous avons confirmé le pouvoir prédictif du modèle à l’aide d’un nouvel ensemble de 8 variants dont la viabilité à été vérifiée expérimentalement dans notre laboratoire. En conclusion, les grammaires de graphes permettent de modéliser la relation entre la séquence et la structure d’un élément structural d’ARN, comme la boucle E contenant le motif Sarcin-Ricin du ribosome. Les applications vont de la correction à l’aide à l'alignement de séquences jusqu’au design de séquences ayant une structure prédéterminée. Nous avons également développé un modèle pour tenir compte des interactions spécifiques liées à une fonction biologique donnée, soit avec des facteurs environnants. Notre modèle est basé sur la conservation de l'exposition des groupes chimiques qui sont impliqués dans ces interactions. Ce modèle nous a permis de prédire l’activité biologique d’un ensemble de variants de la boucle E du ribosome qui se lie à des facteurs d'élongation.

Study of conformational changes of ASIC1a by voltage-clamp fluorometry

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

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé grand public Comme toute matière, la roche est sensible à son environnement et cherche à s'adapter pour acquérir un état stable (état d'équilibre). Les changements des conditions physiques (température et pression) vont ainsi impliquer des modifications dans la roche. Le métamorphisme est l'étude de ces changements. Les minéraux qui constituent la roche peuvent modifier, leur structure, leur chimie ou être remplacer par d'autres minéraux plus stables. Il est ainsi crucial de déterminer les processus responsables et limitant de la croissance minérale. Trois processus permettent la croissance ; (1) la dissolution des éléments du réactant, (2) le transport de ces éléments vers le site de croissance, (3) l'incorporation de ces éléments dans la nouvelle structure. Cette thèse se focalise sur les structures des minéraux de haute pression (forme, zonation chimique, structure interne) pour essayer de déterminer les facteurs importants à l'origine de leur état final. Les zones d'étude se situent dans la zone de Sésia. La première partie traite de la problématique liée à l'incorporation d'un élément dans une structure minérale. A l'image de la croissance humaine, les irrégularités minéralogiques permettent de mettre en lumière un dysfonctionnement de la croissance due à un excès ou à une carence d'un élément. Bien dosé, cet élément est cependant essentiel à la croissance. Les zoisites (épidotes) des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent une zonation chimique en sablier. Dans cette zonation la teneur en fer excède la capacité maximum que peut contenir la structure orthorhombique de la zoisite. Des défauts de structure permettent l'accommodation de cet excès. La zoisite peut ainsi adapter sa structure pour permettre l'incorporation d'une relativement grande quantité de fer. Les études précédentes montraient, pour des conditions similaires, la formation de deux épidotes distinctes. La deuxième partie se penche sur la compétition entre le minéral qui fait sa croissance et les minéraux (réactants) qui l'entourent. Les métapélites de la région du Monte Mucrone contiennent des grenats atollaires. Des études détaillées de la texture et de la zonation chimique du grenat ainsi qu'une modélisation thermodynamique ont permis de mieux cerner les facteurs importants responsables de la forme atollaire. Cette structure est obtenue par un changement du comportement de la croissance du grenat le long d'un chemin P-T hercynien. Dans un premier stade, le grenat croît rapidement et consume peu le quartz de la matrice. La croissance se fait ainsi le long des jointures des grains de quartz. Dans un second temps, les changements de conditions PT donnent une croissance lente du grenat et une forte consommation du quartz. Le grenat peut ainsi développer sa forme dodécaédrale classique. La troisième partie s'intéresse aux distances de transport par diffusion d'un élément (ici l'argon) durant la haute pression. Pour ce faire, un profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotite a été mesuré depuis un veine de haute pression riche en argon jusque dans son encaissant (granitoïd du Monte Mucrone). Le profile montre une répartition des âges suivant une courbe de diffusion. Le transport se fait sur une longueur de deux centimètre avec l'aide d'un fluide. Il est réduit à une échelle millimétrique quand la phase fluide disparaît. Cette étude montre ainsi les difficultés de transport des éléments durant la haute pression ne permettant pas un rééquilibrage de la roche à grande échelle. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé de thèse Les processus de croissance (diffusion des éléments et les réactions d'interface) et les conditions dans lesquelles les minéraux grandissent (température, pression, fluide, composition chimique de la roche), déterminent la texture ainsi que la zonation des minéraux. Cette thèse se focalise, par le biais de textures peu communes, sur trois différents processus impliqués dans la croissance minérale à haute pression (Zone de Sésia, Alpes de l'Ouest, Italie). L'incorporation d'un élément dans une structure minérale ne peut se faire que dans des sites en accord avec la taille et la charge ionique de l'élément. De plus, la balance de charge doit être maintenue dans le minéral. La régularité de la structure cristalline fixe ainsi une limite maximum de concentration d'un élément donné. Les zoisites provenant des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent des zonations en sablier caractérisées par une concentration anormale en fer. La zonation se marque par une différente teinte de biréfringence et par un plus grand angle d'extinction que le reste de la zoisite. Une inter-croissance de clinozoisite à l'intérieur de la structure orthorhombique de la zoisite peut ainsi être suspectée. Les analyses XRD (diffraction des rayons x) ainsi que les analyses Raman ne confirment pas cette suspicion. Seules les analyses TEM (microscope à électrons transmis) montrent des défauts de structure pouvant être interprétés comme des modules de clinozoisite. Ils ne peuvent cependant pas être considérés comme une phase thermodynamique. Un nouveau trou d'immiscibilité entre deux zoisite (X ep= 0.1 and Xep = 0.15) a ainsi pu être établi. Dans les métapélites la région du Monte Mucrone, des grenats fortement zonés montrent une évolution texturale singulière. Ils présentent une forme initiale de `champignon' qui se développe pour former une structure atollaire finale. L'étude conjuguée de la structure 3D et des zonations, ainsi que l'établissement d'un model thermodynamique, indiquent que ces structures proviennent de deux épisodes de croissances : (1) La croissance du grenat durant un chemin prograde hercynien (de 525 °C et 6.2 kbar à 640 °C et 9 kbar) permet la formation des textures atollaires. Elles sont le résultat d'une croissance poecilitique initiale suivie d'une croissance idiomorphique du grenat. (2) La structure est rendue plus complexe par la cristallisation d'un grenat homogène tout autour ainsi qu'à l'intérieur du grenat hercynien durant la haute pression alpine (550 °C and 20 kbar). L'arrivée de l'eau durant la haute pression facilite le transport d'éléments et permet une cristallisation rapide du grenat. La diffusion peut être un facteur limitant de la croissance minéralogique. Elle a aussi une grande importance pour la géochronologie. Une veine de haute pression à l'intérieur du granitoïde du Monte Mucrone a été étudiée dans le but de déterminer la distance de diffusion de l'argon. Le profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotites, établi de la veine vers le métagranitoïde, suit une courbe de diffusion. Les âges sont élevés proche de la veine (800 Ma) puis décroissent jusqu'à des âges homogènes (170-150 Ma) à deux centimètres de la veine. La présence de fluide, marqué par de hautes concentrations en chlore, permet une diffusion centimétrique. Cependant, la distance est réduite à une échelle millimétrique quand le fluide est absent. Les très faibles distances de diffusion préservent les âges pré-alpins et impliquent un événement géologique pour les âges de 170-150 Ma. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Thesis abstract Rock textures and zonings are the consequence of growth processes (element diffusion and interface reaction) steered by the environment in which they grew (pressure, differential stress, temperature, fluid and rock composition). The thesis presented here focuses on three different topics, each of it dealing with aspects of mineral growth processes during subduction, in a high-pressure environment. All studies were conducted in the Sesia Zone of the Western European Alps, Italy. The first study addresses the crystallography and geochemistry of element incorporation in zoisite, one of the major hydrous minerals found in subduction zone rocks. Elements can be incorporated into a mineral structure only on crystallographic sites that offer enough space for the ion and the overall charge balance has to be maintained. Element concentrations are hence limited. Incorporation of some elements produces complex zoning, including hourglass like patterns, which are the focus of the first contribution. Zoisites from Cima di Bonze (Sesia Zone) show spectacular hourglass zoning defined by Fe-content variations. The hourglass zones have a distinct birefringence and a different extinction angle than the regular part of the zoisite. We show by detailed XRD (X-ray diffraction) and confocal Raman analyses that the high Fe-zones are nevertheless zoisite, and not clinozoisite as one might expect. High resolution TEM (transmission electron microscopy) analyses show planar defects on (100) that can be interpreted as small-scale clinozoisite modules. However, these clinozoisites cannot be interpreted as a distinctive thermodynamic phase and the entire mineral has to be considered as zoisite. The miscibility gap between two zoisites (Xep = 0.1 and Xep = 0.15) can be then definite at 550 ± 50°C and 14 to 20 Kbar. Strongly zoned garnets in quartz rich metapelite from the Monte Mucrone area (Sesia Zone) show evolution form 3D mushroom to atoll structure. The second contribution presents textural investigations, garnet zoning and thermodynamic modeling that demonstrate that atoll garnets are the result of two distinctive growth events. (1) Garnet atoll structure is already formed during a prograde Hercynian path from 525 °C and 6.2 kbar to 640 °C and 9 kbar. It results in an initial poikilitic growth followed by a final idiomorphic growth event. (2) Alpine HP garnet are homogenous (550 °C and 20 kbar) and grew around and also inside the Hercynian garnet. Lack of prograde Alpine garnet and fast growth of the HP garnet is explained by the absence of water during much of the prograde path. Water saturation was only observed towards the end, close towards the peak metamorphic conditions. Diffusion could be a limiting factor for crystal growth. It has also a great importance in geochronology. HP vein inside the metagranitoide of the Monte Mucrone (~300 Ma) was investigated to determine argon diffusion scales during high-pressure metamorphism. 40Ar/39Ar biotite ages profile from the vein toward the metagranodiorite show a diffusion curve: old ages (800 Ma) located close to the vein decrease until homogenous 170-150 Ma ages are obtained, two centimeter away from the vein. Centimeter-scale diffusion occurs with help of a fluid phase marked by high chlorine concentrations. Argon diffusion is reduced to a millimeter scale when free fluid is absent. Very short diffusion distance permits to preserve pre-Alpine ages. The 170-150 Ma ages are considered to be geologic meaningful, probably resulting from the extensional tectonics linked to opening of the Tethian ocean.

A new paradigm for the folding of ribonucleic acids

De récentes découvertes montrent le rôle important que joue l’acide ribonucléique (ARN) au sein des cellules, que ce soit le contrôle de l’expression génétique, la régulation de plusieurs processus homéostasiques, en plus de la transcription et la traduction de l’acide désoxyribonucléique (ADN) en protéine. Si l’on veut comprendre comment la cellule fonctionne, nous devons d’abords comprendre ses composantes et comment ils interagissent, et en particulier chez l’ARN. La fonction d’une molécule est tributaire de sa structure tridimensionnelle (3D). Or, déterminer expérimentalement la structure 3D d’un ARN s’avère fort coûteux. Les méthodes courantes de prédiction par ordinateur de la structure d’un ARN ne tiennent compte que des appariements classiques ou canoniques, similaires à ceux de la fameuse structure en double-hélice de l’ADN. Ici, nous avons amélioré la prédiction de structures d’ARN en tenant compte de tous les types possibles d’appariements, dont ceux dits non-canoniques. Cela est rendu possible dans le contexte d’un nouveau paradigme pour le repliement des ARN, basé sur les motifs cycliques de nucléotides ; des blocs de bases pour la construction des ARN. De plus, nous avons dévelopées de nouvelles métriques pour quantifier la précision des méthodes de prédiction des structures 3D des ARN, vue l’introduction récente de plusieurs de ces méthodes. Enfin, nous avons évalué le pouvoir prédictif des nouvelles techniques de sondage de basse résolution des structures d’ARN.

Calmodulin/KCa3.1 channel interactions as determinant to the KCa3.1 Ca2+ dependent gating : theoretical and experimental analyses

Differentes études ont montré que la sensibilité au Ca2+ du canal KCa3.1, un canal potassique indépendant du voltage, était conférée par la protéine calmoduline (CaM) liée de façon constitutive au canal. Cette liaison impliquerait la région C-lobe de la CaM et un domaine de $\ikca$ directement relié au segment transmembranaire S6 du canal. La CaM pourrait égalment se lier au canal de façon Ca2+ dépendante via une interaction entre un domaine de KCa3.1 du C-terminal (CaMBD2) et la région N-lobe de la CaM. Une étude fut entreprise afin de déterminer la nature des résidus responsables de la liaison entre le domaine CaMBD2 de KCa3.1 et la région N-lobe de la CaM et leur rôle dans le processus d'ouverture du canal par le Ca2+. Une structure 3D du complexe KCa3.1/CaM a d'abord été générée par modélisation par homologie avec le logiciel MODELLER en utilisant comme référence la structure cristalline du complexe SK2.2/CaM (PDB: 1G4Y). Le modèle ainsi obtenu de KCa3.1 plus CaM prévoit que le segment L361-S372 dans KCa3.1 devrait être responsable de la liaison dépendante du Ca2+ du canal avec la région N-lobe de la CaM via les résidus L361 et Q364 de KCa3.1 et E45, E47 et D50 de la CaM. Pour tester ce modèle, les résidus dans le segment L361-S372 ont été mutés en Cys et l'action du MTSET+ (chargé positivement) et MTSACE (neutre) a été mesurée sur l'activité du canal. Des enregistrements en patch clamp en configuration ``inside-out`` ont montré que la liaison du réactif chargé MTSET+ au le mutant Q364C entraîne une forte augmentation du courant, un effet non observé avec le MTSACE. De plus les mutations E45A et E47A dans la CaM, ont empêché l'augmentation du courant initié par MTSET+ sur le mutant Q364C. Une analyse en canal unitaire a confirmé que la liaison MTSET+ à Q364C cause une augmentation de la probabilité d'ouverture de KCa3.1 par une déstabilisation de l'état fermé du canal. Nous concluons que nos résultats sont compatibles avec la formation de liaisons ioniques entre les complexes chargés positivement Cys-MTSET+ à la position 364 de KCa3.1 et les résidus chargés négativement E45 et E47 dans la CaM. Ces données confirment qu'une stabilisation électrostatique des interactions CaM/KCa3.1 peut conduire à une augmentation de la probabilité d'ouverture du canal en conditions de concentrations saturantes de Ca2+.

Étude structurale conformationnelle des toxines de l’anthrax par cryo-microscopie et dynamique moléculaire

Les toxines de l’anthrax font partie de la famille des toxines A-B dans laquelle la moitié B se fixe à la membrane de la cellule permettant par la suite la translocation de la moitié A. Dans le cas de l’anthrax, la moitié B est représentée par le Protective Antigen (PA) et la moitié A par les deux protéines Edema Factor (EF) et Lethal Factor (LF). Après le recrutement par les récepteurs cellulaires (CMG2 et TEM8), PA s’organise en heptamère. Il peut fixer jusqu'à 3 ligands (EF et LF) avant d'être endocyté. Les modèles actuels de PA suggèrent que la baisse de pH à l’intérieur des endosomes permet un changement de conformation de la forme pré-pore vers la forme pore et que les ligands EF et LF passeraient au travers le pore pour entrer dans le cytoplasme. Cependant, le diamètre du pore est environ dix fois inférieur à celui des ligands (10 Å contre 100 Å). Un processus de folding/unfolding a été proposé mais demeure controversé. Afin d'identifier le processus de passage des facteurs EF et LF dans le cytoplasme, nous avons déterminé par cryo-microscopie électronique combinée avec l’analyse d’image les structures tridimensionnelles des complexes formés par PA et LF aux étapes prépore et pore. Par la suite, une étude complémentaire par dynamique moléculaire nous a permis de modéliser à haute résolution les différentes interactions qui ont lieu au sein du complexe. La structure 3D du complexe prépore combiné à 3 LF a été déterminée à une résolution de 14 Å. Nous avons aussi calculé une structure préliminaire du complexe pore également combiné à 3 LF Celles-ci n’ont jamais été résolues auparavant et leur connaissance permet d’envisager l’étude en profondeur du mécanisme infectieux de l’Anthrax in vivo.

Symmetry-break in Voronoi tessellations

We analyse in a common framework the properties of the Voronoi tessellations resulting from regular 2D and 3D crystals and those of tessellations generated by Poisson distributions of points, thus joining on symmetry breaking processes and the approach to uniform random distributions of seeds. We perturb crystalline structures in 2D and 3D with a spatial Gaussian noise whose adimensional strength is α and analyse the statistical properties of the cells of the resulting Voronoi tessellations using an ensemble approach. In 2D we consider triangular, square and hexagonal regular lattices, resulting into hexagonal, square and triangular tessellations, respectively. In 3D we consider the simple cubic (SC), body-centred cubic (BCC), and face-centred cubic (FCC) crystals, whose corresponding Voronoi cells are the cube, the truncated octahedron, and the rhombic dodecahedron, respectively. In 2D, for all values α>0, hexagons constitute the most common class of cells. Noise destroys the triangular and square tessellations, which are structurally unstable, as their topological properties are discontinuous in α=0. On the contrary, the honeycomb hexagonal tessellation is topologically stable and, experimentally, all Voronoi cells are hexagonal for small but finite noise with α<0.12. Basically, the same happens in the 3D case, where only the tessellation of the BCC crystal is topologically stable even against noise of small but finite intensity. In both 2D and 3D cases, already for a moderate amount of Gaussian noise (α>0.5), memory of the specific initial unperturbed state is lost, because the statistical properties of the three perturbed regular tessellations are indistinguishable. When α>2, results converge to those of Poisson-Voronoi tessellations. In 2D, while the isoperimetric ratio increases with noise for the perturbed hexagonal tessellation, for the perturbed triangular and square tessellations it is optimised for specific value of noise intensity. The same applies in 3D, where noise degrades the isoperimetric ratio for perturbed FCC and BCC lattices, whereas the opposite holds for perturbed SCC lattices. This allows for formulating a weaker form of the Kelvin conjecture. By analysing jointly the statistical properties of the area and of the volume of the cells, we discover that also the cells shape heavily fluctuates when noise is introduced in the system. In 2D, the geometrical properties of n-sided cells change with α until the Poisson-Voronoi limit is reached for α>2; in this limit the Desch law for perimeters is shown to be not valid and a square root dependence on n is established, which agrees with exact asymptotic results. Anomalous scaling relations are observed between the perimeter and the area in the 2D and between the areas and the volumes of the cells in 3D: except for the hexagonal (2D) and FCC structure (3D), this applies also for infinitesimal noise. In the Poisson-Voronoi limit, the anomalous exponent is about 0.17 in both the 2D and 3D case. A positive anomaly in the scaling indicates that large cells preferentially feature large isoperimetric quotients. As the number of faces is strongly correlated with the sphericity (cells with more faces are bulkier), in 3D it is shown that the anomalous scaling is heavily reduced when we perform power law fits separately on cells with a specific number of faces.

Online Robust 3D Mapping Using Structure from Motion Cues

This paper presents a complete solution for creating accurate 3D textured models from monocular video sequences. The methods are developed within the framework of sequential structure from motion, where a 3D model of the environment is maintained and updated as new visual information becomes available. The camera position is recovered by directly associating the 3D scene model with local image observations. Compared to standard structure from motion techniques, this approach decreases the error accumulation while increasing the robustness to scene occlusions and feature association failures. The obtained 3D information is used to generate high quality, composite visual maps of the scene (mosaics). The visual maps are used to create texture-mapped, realistic views of the scene

Prediction of 3D structure and ligand-binding properties : ABC transporters and flavodiiron proteins from Synechocystis sp. strain PCC 6803

Cyanobacteria are unicellular, non-nitrogen-fixing prokaryotes, which perform photosynthesis similarly as higher plants. The cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803 is used as a model organism in photosynthesis research. My research described herein aims at understanding the function of the photosynthetic machinery and how it responds to changes in the environment. Detailed knowledge of the regulation of photosynthesis in cyanobacteria can be utilized for biotechnological purposes, for example in the harnessing of solar energy for biofuel production. In photosynthesis, iron participates in electron transfer. Here, we focused on iron transport in Synechocystis sp. strain PCC 6803 and particularly on the environmental regulation of the genes encoding the FutA2BC ferric iron transporter, which belongs to the ABC transporter family. A homology model built for the ATP-binding subunit FutC indicates that it has a functional ATPbinding site as well as conserved interactions with the channel-forming subunit FutB in the transporter complex. Polyamines are important for the cell proliferation, differentiation and apoptosis in prokaryotic and eukaryotic cells. In plants, polyamines have special roles in stress response and in plant survival. The polyamine metabolism in cyanobacteria in response to environmental stress is of interest in research on stress tolerance of higher plants. In this thesis, the potd gene encoding an polyamine transporter subunit from Synechocystis sp. strain PCC 6803 was characterized for the first time. A homology model built for PotD protein indicated that it has capability of binding polyamines, with the preference for spermidine. Furthermore, in order to investigate the structural features of the substrate specificity, polyamines were docked into the binding site. Spermidine was positioned very similarly in Synechocystis PotD as in the template structure and had most favorable interactions of the docked polyamines. Based on the homology model, experimental work was conducted, which confirmed the binding preference. Flavodiiron proteins (Flv) are enzymes, which protect the cell against toxicity of oxygen and/or nitric oxide by reduction. In this thesis, we present a novel type of photoprotection mechanism in cyanobacteria by the heterodimer of Flv2/Flv4. The constructed homology model of Flv2/Flv4 suggests a functional heterodimer capable of rapid electron transfer. The unknown protein sll0218, encoded by the flv2-flv4 operon, is assumed to facilitate the interaction of the Flv2/Flv4 heterodimer and energy transfer between the phycobilisome and PSII. Flv2/Flv4 provides an alternative electron transfer pathway and functions as an electron sink in PSII electron transfer.

3D Simultaneous Inversion for Seismic Structure and Local Hypocenters in Germany under Consideration of Seismic Anisotropy in the Upper Mantel

The main task of this work has been to investigate the effects of anisotropy onto the propagation of seismic waves along the Upper Mantle below Germany and adjacent areas. Refraction- and reflexion seismic experiments proved the existence of Upper Mantle anisotropy and its influence onto the propagation of Pn-waves. By the 3D tomographic investigations that have been done here for the crust and the upper mantle, considering the influence of anisotropy, a gap for the investigations in Europe has been closed. These investigations have been done with the SSH-Inversionprogram of Prof. Dr. M. Koch, which is able to compute simultaneously the seismic structure and hypocenters. For the investigation, a dataset has been available with recordings between the years 1975 to 2003 with a total of 60249 P- and 54212 S-phase records of 10028 seismic events. At the beginning, a precise analysis of the residuals (RES, the difference between calculated and observed arrivaltime) has been done which confirmed the existence of anisotropy for Pn-phases. The recognized sinusoidal distribution has been compensated by an extension of the SSH-program by an ellipse with a slow and rectangular fast axis with azimuth to correct the Pn-velocities. The azimuth of the fast axis has been fixed by the application of the simultaneous inversion at 25° - 27° with a variation of the velocities at +- 2.5 about an average value at 8 km/s. This new value differs from the old one at 35°, recognized in the initial residual analysis. This depends on the new computed hypocenters together with the structure. The application of the elliptical correction has resulted in a better fit of the vertical layered 1D-Model, compared to the results of preceding seismological experiments and 1D and 2D investigations. The optimal result of the 1D-inversion has been used as initial starting model for the 3D-inversions to compute the three dimensional picture of the seismic structure of the Crust and Upper Mantle. The simultaneous inversion has showed an optimization of the relocalization of the hypocenters and the reconstruction of the seismic structure in comparison to the geology and tectonic, as described by other investigations. The investigations for the seismic structure and the relocalization have been confirmed by several different tests. First, synthetic traveltime data are computed with an anisotropic variation and inverted with and without anisotropic correction. Further, tests with randomly disturbed hypocenters and traveltime data have been proceeded to verify the influence of the initial values onto the relocalization accuracy and onto the seismic structure and to test for a further improvement by the application of the anisotropic correction. Finally, the results of the work have been applied onto the Waldkirch earthquake in 2004 to compare the isotropic and the anisotropic relocalization with the initial optimal one to verify whether there is some improvement.

A Statistical Image-Based Shape Model for Visual Hull Reconstruction and 3D Structure Inference

We present a statistical image-based shape + structure model for Bayesian visual hull reconstruction and 3D structure inference. The 3D shape of a class of objects is represented by sets of contours from silhouette views simultaneously observed from multiple calibrated cameras. Bayesian reconstructions of new shapes are then estimated using a prior density constructed with a mixture model and probabilistic principal components analysis. We show how the use of a class-specific prior in a visual hull reconstruction can reduce the effect of segmentation errors from the silhouette extraction process. The proposed method is applied to a data set of pedestrian images, and improvements in the approximate 3D models under various noise conditions are shown. We further augment the shape model to incorporate structural features of interest; unknown structural parameters for a novel set of contours are then inferred via the Bayesian reconstruction process. Model matching and parameter inference are done entirely in the image domain and require no explicit 3D construction. Our shape model enables accurate estimation of structure despite segmentation errors or missing views in the input silhouettes, and works even with only a single input view. Using a data set of thousands of pedestrian images generated from a synthetic model, we can accurately infer the 3D locations of 19 joints on the body based on observed silhouette contours from real images.

Online Robust 3D Mapping Using Structure from Motion Cues

This paper presents a complete solution for creating accurate 3D textured models from monocular video sequences. The methods are developed within the framework of sequential structure from motion, where a 3D model of the environment is maintained and updated as new visual information becomes available. The camera position is recovered by directly associating the 3D scene model with local image observations. Compared to standard structure from motion techniques, this approach decreases the error accumulation while increasing the robustness to scene occlusions and feature association failures. The obtained 3D information is used to generate high quality, composite visual maps of the scene (mosaics). The visual maps are used to create texture-mapped, realistic views of the scene

Modeling camera orientation and 3D structure from a sequence of images taken by a perambulating commercial video camera

In this paper we report the degree of reliability of image sequences taken by off-the-shelf TV cameras for modeling camera rotation and reconstructing 3D structure using computer vision techniques. This is done in spite of the fact that computer vision systems usually use imaging devices that are specifically designed for the human vision. Our scenario consists of a static scene and a mobile camera moving through the scene. The scene is any long axial building dominated by features along the three principal orientations and with at least one wall containing prominent repetitive planar features such as doors, windows bricks etc. The camera is an ordinary commercial camcorder moving along the axial axis of the scene and is allowed to rotate freely within the range +/- 10 degrees in all directions. This makes it possible that the camera be held by a walking unprofessional cameraman with normal gait, or to be mounted on a mobile robot. The system has been tested successfully on sequence of images of a variety of structured, but fairly cluttered scenes taken by different walking cameramen. The potential application areas of the system include medicine, robotics and photogrammetry.

Structure, characterization and near-infrared emission of a novel 6-connected uninodal 3D network of Nd(III) containing 2,5-thiophenedicarboxylate anion

The novel coordination polymer with the formula {[Nd2(2,5-tdc)3(dmf)2(H2O)2].dmf.H2O}n (2,5-tdc2-=2,5-thiophedicarboxylate anion and dmf=dimethylformamide) has been synthesized and characterized by thermal analysis (TG/DTA), vibrational spectroscopy (FTIR) and single crystal X-ray diffraction analysis (XRD). Structure analysis reveals that Nd(III) ions show dicapped trigonal prism coordination geometry. The 2,5-tdc2- ligands connect four Nd(III) centers, adopting (κ1 - κ1) - (κ1 - κ1) - μ4 coordination mode, generating an interesting 6-connected uninodal 3D network. Photophysical properties were studied using diffuse reflectance spectroscopy (DR) and excitation/emission spectra. The photoluminescence data show the near infrared emission (NIR) with the characteristic 4F3/2→4IJ (J=9/2, 11/2 and 13/2) transitions of Nd(III) ion, indicating that 2,5-tdc2- is able to act as a sensitizer for emission in NIR region. © 2013 Elsevier B.V.