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Disulfide bond formation on luminal proteins in thylakoids 1240 V. Conclusion 1242 Acknowledgements 1242 References 1242 SUMMARY: Disulfide bonds are post-translational modifications crucial for the structure and function of thousands of proteins. Their formation and isomerization, referred to as oxidative folding, require specific protein machineries found in oxidizing subcellular compartments, namely the endoplasmic reticulum and the associated endomembrane system, the intermembrane space of mitochondria and the thylakoid lumen of chloroplasts. At least one protein component is required for transferring electrons from substrate proteins to an acceptor that is usually molecular oxygen. For oxidation reactions, incoming reduced substrates are oxidized by thiol-oxidoreductase proteins (or domains in case of chimeric proteins), which are usually themselves oxidized by a single thiol oxidase, the enzyme generating disulfide bonds de novo. By contrast, the description of the molecular actors and pathways involved in proofreading and isomerization of misfolded proteins, which require a tightly controlled redox balance, lags behind. Herein we provide a general overview of the knowledge acquired on the systems responsible for oxidative protein folding in photosynthetic organisms, highlighting their particularities compared to other eukaryotes. Current research challenges are discussed including the importance and specificity of these oxidation systems in the context of the existence of reducing systems in the same compartments.

Proteins are biological objects made to resist perturbations and, atthe same time, adapt to new environments and new needs. What are thestructural properties of proteins allowing such plasticity? To tacklethis question we first model protein structure as a network of aminoacids and atoms in interaction. Given the 3D structural conformationof a mutation obtained In Silico, a network approachallows the quantification of its structural change. Using large setsof mutations, we concluded that structural change is independent fromthe type of amino acid replaced, or replacing after mutation. Lookingat the composition of amino acid neighborhoods, we noticed that thelocation of a type of amino acid in the 3D structure is arbitrary:meaning that constraints of amino acid interactions in a proteinshow to be position independent. Leading to theobservation that the position of the amino acid in the sequence is thesingle property modulating structural plasticity.The fact that amino acids can replace each other atany position because the interaction constraint is not dependent on thetype of amino acid,is based on the customization of neighbors via alternative amino acidmutations or compensatory mutations. Even if there is a large mutationtolerance based on structural robustness, mutations can have an impact onthe structural plasticity because of the change in strength of pairwsie interactionsand the distribution of atoms and neihgbors surrounding residues.The direct consequence of such a variable atomic packingdistribution, is a difference of void (empty space,no atoms) on the surface of residues as identified by some of my data/results.This raises the possibility that structural plasticity is not onlyregulated by amino acid and atomic contacts but also by carving localvoids within the protein structure to allow atomic motionsrequired for the function of the protein. Finally, to test this hypothesis, we haveimplemented three algorithms to measure the empty space around aminoacids to look at the relation between this empty space and structural plasticity., Les protéines sont des objets biologiques conçus pour résister aux perturbations et, àen même temps, s'adapter à des nouveaux environnements et des nouveaux besoins. Que sont lespropriétés structurelles des protéines permettant une telle plasticité? Pour taclercette question, nous modélisons d'abord la structure des protéines comme un réseau d'acides aminés et atomes en interaction. Compte tenu de la conformation structurelle 3Dd'une mutation obtenue In Silico, une approche réseaupermet la quantification de son changement structurel. En utilisant des grands ensemblesde mutations, nous avons conclu que le changement structurel est indépendant du type d'acide aminé remplacé ou du remplacement après mutation. En regardantà la composition des voisinages d'acides aminés, nous avons remarqué que lela localisation d'un type d'acide aminé dans la structure 3D est arbitraire:ce qui signifie que les contraintes d'interactions d'acides aminés dans une protéinemontre être indépendantes de la position de l'acide aminé en question. Menant à laobservation que la position de l'acide aminé dans la séquence est lapropriété unique modulant la plasticité structurelle.Le fait que les acides aminés peuvent se remplacer les uns les autres danstoutes les positions parce que la contrainte d'interaction ne dépend pas dutype d'acide aminé,est basé sur la personnalisation des voisins viamutations altérnatives compensatoires. Même s'il y a une grandetolérance pour les mutations basée sur la robustesse structurelle, les mutations peuvent avoir un impact surla plasticité structurelle en raison de la modification de la force des interactions êntre acides aminéset la distribution des atomes et des voisins entourant les résidus.La conséquence directe d'une telle variabilité de l'emballage atomique,est dû à une différence de vide (espace vide,pas d'atomes) sur la surface des résidus identifiés par certaines de mes données / résultats.Cela soulève la possibilité que la plasticité structurelle n'est pas seulementrégulée par les acides aminés et les contacts atomiques, mais aussi en sculptantdes vides locales dans la structure de la protéine pour permettre des mouvements atomiquesnécessaires pour la fonction de la protéine. Enfin, pour tester cette hypothèse, nous avonsmis en œuvre trois algorithmes pour mesurer l'espace vide autour desacides aminés pour regarder la relation entre cet espace vide et la plasticité structurelle.

International audience; The phenomenon of protein superstructural polymorphism has become the subject of increased research activity. Besides the relevance to explain the existence of multiple prion strains, such activity is partly driven by the recent finding that in many age-related neurodegenerative diseases highly ordered self-associated forms of peptides and proteins might be the structural basis of prion-like processes and strains giving rise to different disease phenotypes. Biophysical studies of prion strains have been hindered by a lack of tools to characterize inherently noncrystalline, heterogeneous and insoluble proteins. A description of the pressure response of prion quaternary structures might change this picture. This is because applying pressure induces quaternary structural changes of PrP, such as misfolding and self-assembly. From the thermodynamics of these processes, structural features in terms of associated volume changes can then be deduced. We suggest that conformation-enciphered prion strains can be distinguished in terms of voids in the interfaces of the constituting PrP protomers and thus in their volumetric properties.

The ABC transporter ABCB4 is a phosphatidylcholine translocator expressed at the bile canalicular membrane of hepatocytes. Variations of the ABCB4 gene have been recognized as causing progressive familial intrahepatic cholestasis type 3 (PFIC3) in children, a rare lethal disorder which progresses to cirrhosis and liver failure before adulthood. We studied the effect of the I541F mutation described in a PFIC3 patient. In contrast to wild-type ABCB4 which was localized at the bile canalicular membrane in HepG2 cells and at the apical surface in MDCK cells after stable transfection, the I541F mutant did not fold properly and accumulated in the endoplasmic reticulum (ER). After shifting cells to 27°C, the mutant was expressed at the apical cell surface in a mature and active form. Modulation of the cellular chaperones calnexin and Hsc/Hsp70 did not restore intracellular trafficking of the mutant. Cyclosporin A improved maturation and plasma membrane expression of ABCB4-I541F, thus opening perspectives to develop novel therapies for the treatment of PFIC3. The second part of the study was aimed at identifying the role of the N-terminal cytoplasmic domain of ABCB4, which does not show homology with other ABC transporters. Progressive deletions of the N-terminus identified a positively charged sequence of 11 amino-acids, which is required for exit of the ER. Single point mutations (T34M and R47G) identified in patients did not affect processing and trafficking, but strongly decreased the function of ABCB4. These results show that the N-terminal domain is required for both trafficking and function of ABCB4, ABCB4 est un transporteur ABC spécialisé dans la sécrétion de phosphatidylcholine au niveau de la membrane canaliculaire des hépatocytes. Des variations du gène ABCB4 sont responsables de la cholestase intrahépatique familiale progressive de type 3 (PFIC3), une maladie rare, létale, qui progresse en cirrhose et insuffisance hépatique avant l'âge adulte. Nous avons étudié l'effet de la mutation I541F décrite chez un patient. Contrairement à la forme sauvage d'ABCB4 localisée à la membrane des canalicules biliaires dans les cellules HepG2 et à la surface apicale dans les cellules MDCK transfectées, le mutant I541F n'est pas replié correctement et s'accumule dans le réticulum endoplasmique (RE). Après transfert à 27°C, le mutant est exprimé à la surface apicale sous forme mature et active. La modulation des chaperonnes cellulaires calnexine et Hsc/Hsp70 ne restaure pas le trafic intracellulaire du mutant. La cyclosporine A augmente la maturation et l'expression à la membrane plasmique d'ABCB4-I541F, ce qui ouvre des perspectives de développer de nouvelles thérapies pour le traitement de la PFIC3. La seconde partie du travail a eu pour objectif de déterminer le rôle du domaine cytoplasmique N-terminal d'ABCB4, qui n'a pas d'homologie avec d'autres transporteurs ABC. Des délétions progressives de ce domaine ont permis d'identifier une séquence de 11 acides aminés nécessaire à la sortie du RE. Des mutations ponctuelles (T34M et R47G) identifiées chez des patients n'affectent pas la maturation ni le trafic, mais diminuent fortement l'activité d'ABCB4. Ces résultats montrent que le domaine N-terminal est nécessaire à la fois pour le trafic et l'activité d'ABCB4

The question how proteins fold into their specific three-dimentional structures provides an exciting challenge for biophysicists nowadays. The use of a fast temperature-jump is a very powerful technique for the study of the denaturation process of proteins. However, probing the secondary structure is a difficult challenge and rarely yields quantitative values. The main purpose of this PhD project is to develop a technical implementation of far-UV circular dichroism in a nanosecond T-jump experiment. Our CD/T-jump experiment allows us to follow quantitatively the change in the helical fraction of a poly(glutamic acid) peptide during its thermal denaturation with 12 ns time resolution., La question de savoir comment les protéines se replient dans leur propre structure tridimentionnelle offre un défi passionnant pour les biophysiciens de nos jours. L'utilisation d'un saut de température rapide est une technique très puissante pour l'étude du processus de dénaturation des protéines. Toutefois, sonder la structure secondaire est un défi difficile et on obtient rarement des valeurs quantitatives. Le but principal de ce projet de thèse est de développer une mise en œuvre technique de dichroïsme circulaire dans l'UV extrême dans une expérience de saut de température nanoseconde. Notre expérience permet de suivre quantitativement l'évolution de la fraction hélicoïdale d'un peptide poly(acide glutamique) au cours de sa dénaturation thermique avec une résolution de 12 ns de temps.

Microfluidics is the science and technology of systems that process or manipulate small (10-9 to 10-18 litres) amounts of fluids. (Whitesides 2006) The “lab-on-a-chip” concept is shrinking a chemical or biochemical laboratory to the dimension of a microchip (Knight 2002) which is getting in the range of functional biological units and is generating an increasing interest in mimicking nature. The practical advantages of microfluidics are a substantial reduction of reagent consumption and a reduction of timescales for diffusion processes which is of interest for studying fast processes such as conformational changes of proteins. The principal aim of my thesis project was to develop “in-flight” microdrop mixing by crossed inkjets in analogy to “in-channel” microfluidic mixing techniques. (Ottino and Wiggins 2004) Microdrop technology allows significantly reducing sample volumes as compared to microfluidic technology and wall effects, such as shearing or aggregation, can be avoided.; Le but principal de mon projet de thèse était de développer un instrument de mélange en vol de microgouttes pour jets d'encre synchronisés. Les microgouttes balistiques passent voir l'air peut être pensé comme des navires de réaction avec des volumes en bas à la pl-gamme. Les réactifs restent limités dans les microgouttes pendant leur trajectoire. Les effets de tondage induits de la présence murale ne jouent pas de rôle; bien que la compression mécanique de la solution pendant le processus d'éjection puisse influencer l'intégrité structurelle de protéines fragiles. J'ai exploré dans ma thèse pour la première fois la combinaison de microgouttes balistiques avec des techniques de microdiffusion stroboscopique. L'effort instrumental principal était donc de développer une installation stable avec deux jets d'encre pour étudier mélange de microgouttes en vol à ligne de lumière ID13, ESRF utilisant expériences de diffusion centrale et de diffraction de rayons X stroboscopique. J'ai utilisé ces techniques pour étudier la paraffine liquide en vol et des microgouttes de cytochrome C et la coalescence de microgouttes de cytochrome C avec des microgouttes de tampon de Na-acetate. J'ai également exécuté des expériences exploratoires de diffraction de rayons X à la ligne de lumière ID13 sur des microgouttes de paraffine solide déposés sur des surfaces et la diffraction dépendante de la température sur le solide de paraffine pour calibrer les données stroboscopiques. Des expériences statiques de diffusion centrale ont été exécutées à la ligne de lumière ID02 pour obtenir des courbes de la référence pour les états de conformation de solutions du cytochrome C .

Microfluidics is the science and technology of systems that process or manipulate small (10-9 to 10-18 litres) amounts of fluids. (Whitesides 2006) The “lab-on-a-chip” concept is shrinking a chemical or biochemical laboratory to the dimension of a microchip (Knight 2002) which is getting in the range of functional biological units and is generating an increasing interest in mimicking nature. The practical advantages of microfluidics are a substantial reduction of reagent consumption and a reduction of timescales for diffusion processes which is of interest for studying fast processes such as conformational changes of proteins. The principal aim of my thesis project was to develop “in-flight” microdrop mixing by crossed inkjets in analogy to “in-channel” microfluidic mixing techniques. (Ottino and Wiggins 2004) Microdrop technology allows significantly reducing sample volumes as compared to microfluidic technology and wall effects, such as shearing or aggregation, can be avoided., Le but principal de mon projet de thèse était de développer un instrument de mélange en vol de microgouttes pour jets d'encre synchronisés. Les microgouttes balistiques passent voir l'air peut être pensé comme des navires de réaction avec des volumes en bas à la pl-gamme. Les réactifs restent limités dans les microgouttes pendant leur trajectoire. Les effets de tondage induits de la présence murale ne jouent pas de rôle; bien que la compression mécanique de la solution pendant le processus d'éjection puisse influencer l'intégrité structurelle de protéines fragiles. J'ai exploré dans ma thèse pour la première fois la combinaison de microgouttes balistiques avec des techniques de microdiffusion stroboscopique. L'effort instrumental principal était donc de développer une installation stable avec deux jets d'encre pour étudier mélange de microgouttes en vol à ligne de lumière ID13, ESRF utilisant expériences de diffusion centrale et de diffraction de rayons X stroboscopique. J'ai utilisé ces techniques pour étudier la paraffine liquide en vol et des microgouttes de cytochrome C et la coalescence de microgouttes de cytochrome C avec des microgouttes de tampon de Na-acetate. J'ai également exécuté des expériences exploratoires de diffraction de rayons X à la ligne de lumière ID13 sur des microgouttes de paraffine solide déposés sur des surfaces et la diffraction dépendante de la température sur le solide de paraffine pour calibrer les données stroboscopiques. Des expériences statiques de diffusion centrale ont été exécutées à la ligne de lumière ID02 pour obtenir des courbes de la référence pour les états de conformation de solutions du cytochrome C .

Amyloid peptides and proteins are associated with several diseases named amyloidoses. These proteins, in conditions that are still unclear, fold into cross-β-sheet structures and form fibrils. In order to gain insight into the folding process, we have designed models of amyloid fibrils by the synthesis of polypeptidic edifices based on the sequence of the β amyloid peptide. They are made of two or four mutated, linear or cyclic, β-amyloid fragments covalently attached to a cyclic decapeptide scaffold. These polypeptidic edifices fold into cross-β-sheet structures and polymerize into protofilaments with diameters of 5-6 nm. Using molecular modelling, we have demonstrated that the folding in β strand-loop-β strand structure and a central hydrophobic core are required for the formation of the parallel cross β sheet structures. These edifices are promising models that will allow a better understanding of the amyloid fibril formation.Among the therapeutic approaches in development to fight amyloidoses, the inhibition of the fibril formation has been widely investigated. In this work we have developed inhibitors of fibrillogenesis by the attachment of hydrophobic compounds on the cyclic decapeptide. The aim of this strategy is to create an important area of interaction with the amyloid β peptide and thus disturb its self-assembly process. We have shown by performing Aβ40 polymerization assays that these compounds are very efficient inhibitors which contrast with monomeric analogues. These results support the interest of this strategy to interfere with the amyloid fibril formation.; Les peptides et protéines amyloïdes sont impliqués dans de nombreuses pathologies regroupées sous le terme d'amyloses. Ces protéines, dans des conditions encore mal connues, se replient en feuillets β croisés et s'assemblent en fibres. Afin de comprendre les principes physico-chimiques impliqués dans ce processus, nous avons conçu des modèles de fibres amyloïdes par la synthèse d'édifices peptidiques basés sur la séquence du peptide β amyloïde. Ils se composent de deux ou quatre fragments amyloïdes mutés, linéaires ou cyclisés, que nous avons liés à un châssis décapeptide cyclique. Ces édifices se replient en feuillets β croisés et s'assemblent en protofilaments de 5 à 6 nm de diamètre. A l'aide de la modélisation moléculaire, nous avons montré que le repliement en boucle de type brin β-boucle-brin β et la création d'un cœur hydrophobe sont nécessaires pour la formation des feuillets β croisés parallèles. Ces édifices sont des modèles très prometteurs pour la compréhension du mécanisme de formation des fibres amyloïdes.Parmi les stratégies thérapeutiques développées récemment pour lutter contre les amyloses, l'inhibition de la formation des dépôts amyloïdes a été largement étudiée. Au cours de nos travaux, nous avons développé des inhibiteurs de la fibrillogénèse par la présentation de plusieurs exemplaires de molécules hydrophobes sur un cyclodécapeptide. Cette stratégie a pour but de créer une zone d'interaction avec le peptide β amyloïde suffisamment importante pour perturber son auto-association. Nous avons montré, par la réalisation d'expériences de polymérisation du peptide Aβ40, que ces composés sont des inhibiteurs très efficaces par comparaison avec les dérivés monomériques. Ces résultats confirment l'intérêt de cette stratégie pour interférer avec le phénomène de formation des fibres amyloïdes.

Protein folding is the last stage of genetic expression. The mechanism by which proteins acquire their 3D structure remains poorly understood. During my project, I showed that the addition of one residue in one loop of the structure of toxin a from Naja nigricollis slows its oxidative folding process down in vitro. This decrease in the folding rate is due to a switch of productive pathway. NMR analysis of folding intermediates enabled me to hypothesize a structural explantation for this kinetic modification. Additionally, in order to test the influence of vectorial folding on the folding of a small disulfide-rich protein in vitro, I developed a method using antibodies raised against various parts of the reduced protein. My results showed that one of these antibodies is able to inhibit the oxidative folding of toxin a. This inhibition is reversible. Most interestingly, the use of this antibody modifies the folding pathway.; Le repliement des protéines, dernière étape du processus d'expression de l'information génétique, demeure imparfaitement expliqué. Pendant ma thèse, j'ai étudié le repliement oxydant d'une petite protéine riche en ponts disulfure, la toxine a de Naja nigricollis. J'ai pu montrer que l'addition d'un acide aminé dans une boucle de la structure entraîne un ralentissement global du repliement in vitro causé par une permutation des intermédiaires productifs. L'étude en RMN des intermédiaires de repliement a permis de proposer une explication structurale à cette modification de comportement cinétique. Par ailleurs, pour tester l'importance de l'aspect vectoriel du repliement in vivo, j'ai développé une méthode ayant pour but de vectoriser le repliement in vitro. J'ai pu montrer qu'il est possible grâce à des anticorps dirigés contre la toxine a réduite d'inhiber son repliement oxydant, de lever cette inhibition et finalement de modifier sa voie de repliement.

Protein folding is one of the central questions of Biology. How does polypeptidic chain fold to its three-dimensional, biologically active, structure? Experiments done in the 60?s have shown that the folded form is the most stable one on a thermodynamic point of view. This form being defined by the primary structure of the protein, the folding reaction corresponds to the last step of the use of the information encoded in DNA. Proteins can sometimes misfold and form amyloid fibrils through intermolecular interactions. These structured aggregates are involved in several diseases such as Alzheimer?s disease, Parkinson diseases...These phenomenon's are studied here in the case of alpha-lactalbumin, a milk protein which possesses a calcium binding site. At first, the folding is monitored in presence of various metal ions that bind to the calcium site. These experiments are coupled with thermal unfolding experiments. They permit to precise the effect of metal ion binding on the different states of the protein and on the folding kinetics.The reaction is also monitored in the absence of metal ions with several biophysical methods. Then, the folding is much slower and intricate. A reaction scheme is drawn from the results. This scheme indicates that a state precursor of amyloid fibril is transiently populated during the reaction. Finally, the effect of intermolecular interactions on the formation of amyloid fibrils is characterized for different salt concentrations., Le repliement des protéines est un des problèmes centraux de la biologie. Il s'agit de comprendre comment la chaîne polypeptidique d'une protéine se replie pour acquérir sa structure tridimensionnelle biologiquement active. Il a été démontré dans les années 60 que la forme repliée de la protéine est le plus stable d'un point de vue thermodynamique et qu'il est défini par la structure primaire. La réaction de repliement correspond ainsi à la dernière étape de l'utilisation de l'information contenue dans l'ADN. Cependant, Il est possible que les protéines se replient mal et interagissent entre elles pour former des fibres amyloïdes. Ce sont des agrégats structurés impliqués dans plusieurs maladies comme la maladie d'Alzheimer, de Parkinson... Ces phénomènes sont étudiés ici dans le cas de l'alpha-lactalbumine, une protéine du lait qui possède un site de liaison pour le calcium. Le repliement est tout d'abord étudié en présence de métaux se liant au site du calcium. Ces expériences sont couplées à des expériences de dénaturation thermiques pour caractériser le rôle de la fixation des métaux sur les différents états de la protéine et son influence sur la cinétique de repliement.La réaction est ensuite caractérisée en absence d'ion métallique. Elle est alors beaucoup plus lente et complexe. Différentes techniques spectroscopiques sont utilisées. Les résultats obtenus permettent de proposer un schéma réactionnel selon lequel un état précurseur de fibres amyloïdes est transitoirement peuplé. Enfin, pour compléter cette étude, les effets des interactions entre protéines sur la formation de fibres amyloïdes ont été étudiés pour différentes concentrations en sel.

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

The human thyroperoxidase (TPO) is the main enzyme involved in thyroid hormone synthesis. This type I membrane-bound glycoprotein expressed at the apical surface of thyrocytes catalyzes both the iodination of thyroglobulin and the coupling of some of the iodotyrosyl residues required for the formation of T3 and T4 thyroid hormones.During its biosynthesis, the hTPO undergoes post-transcriptional mRNA modification by alternative splicing. Three isoforms have been already described: the hTPO1 (full lenght cDNA), the hTPO2 and the hTPO3 in which exons 10 and 16 are respectively spliced out. During my PhD, we identified and quantified by PCR, five novel spliced isoforms: the hTPO4 (- exon 14), the hTPO5 (- exon 8), the hTPO6 (- exons 10,12,13,14 and 16), the hTPO2/4 (- exons 10 and 14) and the hTPO2/3 (- exnos 10 and 16). These new spliced variants code for proteins with different stability, subcellular localization and enzymatic properties. Moreover we also showed that these splicing events increased in benign and malignant thyroid tissues and could be involved in the loss-of-function of thyroid hormones production observed in tumoral thyroid pathologies.The hTPO undergoes co- and post-traductional modifications. In the endoplasmic reticulum the protein interact with a set of molecular « chaperone » involved in the properly folding and the quality control machinery of proteins, like calnexin (CNX) and calreticulin. We showed that the surexpression of CNX and its thiol oxido-reductase partner Erp57 did not increased the properly folding rate of the hTPO1. Contrary to CNX, we show that BiP, an other folding protein helper, impaired the maturation process and target hTPO for degradation. In the case of hTPO, BiP seems to be a sensor of the protein degradation pathway. In a final set of experiments, we identified an N-terminal endoproteolytic cleavage of both hTPO purified from human thyroid gland and extracted from CHO cells. The enzyme implicated in the cleavage belong to the subtilisin-like proteases family, implicated in the maturation process of various receptors and surface proteins. As for the human myeloperoxidase, the prosequence of the hTPO acts as an internal molecular chaperone, helping the proper folding process of the protein.All together, these results enlarged your understanding of mechanisms involved in the maturation of the hTPO and proposed an additional explanation of the heterogeneity of the hTPO expressed in the human thyroid gland., La thyroperoxydase humaine (hTPO) est l'enzyme clé de la biosynthèse des hormones thyroïdiennes, impliquées dans de nombreux processus biologiques. Cette hémo- glycoprotéine membranaire de type I est exprimée à la surface apicale des thyrocytes où elle exerce ses fonctions d'iodation de certains résidus de tyrosine de la thyroglobuline et de couplage de ces iodotyrosines pour former les hormones thyroïdiennes T3 et T4. Lors de sa biosynthèse, la hTPO subit des modifications post-transcriptionnelles par épissage alternatif du précurseur de l'ARNm. Trois isoformes de l'enzyme étaient connues : la TPO1 (ADNc complet), la TPO2 et la TPO3 engendrées par épissage alternatif des exons 10 et 16 du précurseur de l'ARNm de la TPO. Dans cette thèse, nous avons identifié et quantifié par PCR, cinq nouvelles isoformes toutes induites par des épissages alternatifs : la TPO4 (sans exon 14), la TPO5 (sans exon 8), la TPO6 (sans exons 10, 12, 13, 14 et 16), la TPO2/4 (sans exons 10 et 14), et la TPO2/3 (sans exons 10 et 16). Ces isoformes sont plus ou moins stables, actives ou non et transportées correctement ou non jusqu'à la membrane plasmique. Nous avons également démontré, comme pour d'autres cas de pathologie cancéreuse, l'augmentation des phénomènes d'épissage alternatif de la hTPO en association avec une diminution globale du taux d'expression transcriptionnel de la protéine dans les différents types de cancers thyroïdiens. La hTPO subit également des modifications co- et post-traductionnelles. Elle interagit en particulier avec les « protéines chaperons » du réticulum endoplasmique (RE), qui aident les protéines nouvellement synthétisées à se replier correctement et font partie du “contrôle de qualité” du RE. On sait que la hTPO est largement retenue au niveau du réticulum endoplasmique et subissait un processus de dégradation faisant intervenir d'une part le protéasome et d'autre part des protéases du RE. Le repliement correct de la hTPO nécessite des interactions avec la calnexine (CNX) et la calreticuline. Dans cette thèse, nous montrons que la co-surexpression de la CNX et de ERp57, impliquée dans la formation des ponts disulfures des protéines interagissant avec la CNX, n'augmente pas la proportion des formes correctement repliées, ce qui suggère l'implication d'autres protéines chaperons et/ou de catalyseurs de repliement dans le processus de maturation de la hTPO. Nous montrons qu'à l'inverse de la CNX, l'interaction avec une autre protéine chaperon appelée BiP, diminue le repliement de la hTPO et entraîne la protéine vers la dégradation, suggérant ainsi que BiP pourrait être un des senseurs de la dégradation de la hTPO. Nous avons aussi montré que la thyroperoxydase purifiée à partir de thyroïde humaine ou exprimée dans les CHO subit un clivage endoprotéolytique dans sa partie N-terminale. L'enzyme impliquée dans ce clivage appartient vraisemblablement à la famille des protéines convertases, endoprotéases impliquées dans la maturation de nombreux précurseurs de pro-récepteurs et glycoprotéines de surface. A l'instar d'une autre protéine de la famille des peroxydases, la myéloperoxydase humaine, la proséquence de la hTPO agit comme une protéine chaperon interne en facilitant le repliement correct de la protéine. Ces résultats éclairent davantage notre connaissance des mécanismes impliqués dans la maturation de la hTPO et expliquent l'hétérogénéité de la TPO exprimée dans la thyroïde humaine.

This work is devoted to the study of photolysis of carbonmonoxy myoglobin (MbCO) followed by time resolved circular dichroism (TRCD). Conformational changes that occur in myoglobin are known to play an important physiological role as a model of the trigger of the a! llosteric transformation which takes place in hemoglobin. Upon! ligand dissociation, the heme undergoes an ultrafast doming which propagates along the whole protein through the proximal hisitidine. Experimental measurement of time resolved CD have been carried out in this system. The tricky point was to get rid of the artifact that occurs in such an experiment. A model calculation of CD in myoglobin based on the polarisability theory evidences the key role of the proximal hisitidine. The striking result of this work is a 100 picoseconds dynamics which we assign to a motion of the proximal histidine. A new UV laser source has been built up. The main goal is to follow the first steps of the folding of small polypeptides performing TRCD at 220 nm. Preliminary results are shown., L'objet de ce travail de thèse est l'étude de la photodissociation de la carboxymyoglobine (MbCO) par dichroïsme circulaire résolu temporellement (TRCD). La myoglobine (Mb) est une protéine responsable du stockage de l'oxygène dans les muscles de l'organisme. Lorsque le complexe MbCO absorbe un photon visible, il y a photodissociation, le CO se détache et quitte la protéine. Il s'agit donc de mesurer le dichroïsme circulaire de la myoglobine juste après la photodissociation, afin de pouvoir remonter aux changements de structure ultra rapides de la protéine. D'un point de vue expérimental, la difficulté de ce travail résidait dans la maîtrise des nombreux artefacts d'une telle expérience. D'un point de vue théorique, un calcul basé sur la théorie de la polarisabilité a permis de montre! r que le CD était sensible essentiellement aux mouvements de l'histidine proximale, résidu clef dans la compréhension de l'effet allostérique. Le résultat marquant de cette étude a donc été la mise en évidence d'une dynamique temporelle de 100 ps, attribuée à un mouvement de l'histidine proximale. Une nouvelle source laser a également été développée dans le but de faire des expériences de TRCD dans l'ultraviolet. L'objectif est de pouvoir suivre à terme la dynamique de repliement des protéines. Des résultats préliminaires ont été obtenus.

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

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

The first obstacle encountered by a bacterial pathogen once inside the host is the plasma membrane surrounding the target cells. Throughout evolution bacteria has acquired and maintained genes that upon stimulation express proteins capable of damaging the membrane of other cells. Among these proteins pore forming toxins (PFTs) are a major class of bacterial effectors that are upregulated and secreted during bacterial infections. As their name suggests, pore forming toxins are proteins capable of inserting transmembrane pores in the membranes of the target cells which in turn leads to the lysis of the cell and release of nutrients. The mechanism by which the PFTs function during a bacterial attack has been the subject of extensive research over the years. In most cases PFTs are produced by the bacteria as soluble proteins that require the help of specialized secretion mechanisms to arrive as functional proteins in the external milieu. Once secreted by the producing bacteria these proteins diffuse towards the target cell and bind to the target membrane. Once bound to the plasma membrane of target cells they are capable of initiating a series of structural changes that will eventually lead to the conversion of the water-soluble PFT to a membrane inserted channel. The series of events and the characterization of the different structural changes required for a PFT to convert from a water-soluble protein to a membrane inserted channel is the subject of this thesis. Aerolysin, a PFT produced by Aeromonas hydrophilla, is one of the best candidates for a research into the details of the mode of action of bacterial PFTs. This particular PFT is produced by the bacterium as a soluble periplasmic protein and then secreted outside of the bacterium as a fully folded protein with the help of a type II secretion system. Binding to the target cell is achieved through two high affinity binding sites that recognize sugar modifications which are absent in A. hydrophila, a mechanism that insures that the producing cell is not damaged by its own PFT. Once bound to the target cell aerolysin requires proteolytic activation, a step which cleaves a C-terminal peptide (CTP). Activation is achieved using proteases present on the target cell and the removal of the CTP is thought to initiate the sequence of events leading to pore formation. Following activation aerolysin is able to oligomerize forming heptameric ring-like structures which spontaneously rearrange forming a transmembrane beta-barrel through the membrane. My thesis project, focused on the structural changes required in the mode of action of aerolysin, set off trying to identify the aminoacid sequence involved in the formation of the transmembrane beta-barrel. It was long thought that aerolysin would cross the membrane in a porin like fashin, forming a beta-barrel through the plasma membrane, primarily due to the lack of a hydrophobic patch of aminoacids in its sequence. An initial model proposed in the early '90s postulated that the only region that could form the transmembrane beta-barrel was the Domain 4 of the protein. In this model the removal of the CTP in the activation process would unravel the hydrophobic residues required for the beta-barrel formation and insertion. We and others were able to show however that the fourth domain of the protein is not involved directly in the formation of the pore and we identified a conserved loop in the third domain of the protein which is responsible for the formation of the beta-barrel. This loop presents an alternating pattern of hydrophobic and hydrophilic residues, a requirement for the formation of a transmembrane pore with a hydrophobic exterior and a hydrophilic cavity. Our research led us to propose a sequence of events upon insertion of the aerolysin pore in which a rearrangement of the DIII-loops of the seven monomers in the oligomer forms the initial beta-barrel and generates a hydrophobic tip which drives insertion of the structure through the membrane. Once the bilayer has been crossed the hydrophobic tips folds back on the membrane in a rivet like fashion, anchoring the pore. Following the identification of the DIII-loop as the region that forms the transmembrane pore my researched focused on the structural changes leading to the conversion of a water-soluble protein to a membrane inserted oligomer. While removal of the CTP is the key requirement for this conversion, the role of the CTP in aerolysin mode of action and the sequence of events triggered by its removal is not fully understood. Using a combination of in vivo, in vitro and in silico approaches we were able to show that the CTP plays a wider role in the aerolysin mode of action than previously thought. Indeed our research shows that the CTP is initially required for the correct folding of the soluble protein inside the bacterium, acting as a intramolecular chaperone during the folding of aerolysin. Following folding the CTP binds tightly to a hydrophobic pocket in the fourth domain of the protein locking the PFT in its soluble conformation, a role resembling C-terminal intramolecular chaperones previously described for tail spikes of bacteriophages or fiber forming collagen. This research will be continued with a study on the structural changes triggered by the removal of the CTP and their role in oligomerization and pore formation. The main focus of my thesis project has been however the determination of the structure of the oligomeric form of aerolysin. This part of the project is still ongoing and will be discussed in the final chapter of my thesis. Using 2D and 3D crystallography, AFM and modeling we hope to be able to improve our current understanding of the aerolysin heptameric form and the structural changes required in its formation.