Academic literature on the topic 'Interactions protéine-molécule'

Ce numéro hors-série est consacré aux travaux sur les maladies à prions des animaux de ferme, menés à l’Inra en collaboration avec de nombreux organismes nationaux et internationaux. Il aborde de nombreuses facettes de la recherche sur ces agents et les maladies qu’ils occasionnent, tant sur le modèle tremblante que sur l’Encéphalopathie Spongiforme Bovine (ESB) : biologie de l’agent pathogène et notion de souche de prion, pathogénie de la maladie et résistance génétique, voies de transmission et évolution dans les populations animales, lutte contre les EST. Le premier article présente l’ensemble des outils mis au point à l’Inra pour étudier les EST (laboratoire de génotypage à grande échelle) ainsi que les dispositifs expérimentaux qui y sont dédiés (domaine expérimental atteint de tremblante naturelle et différentes animaleries protégées). Ensuite, la notion de souche de prion est introduite, discutée, et les divers travaux en cours pour différencier les souches de prions sur une base biologique et biochimique sont présentés, de même que les études menées pour comprendre le déterminisme de cette diversité. Ces travaux ont aussi pour objectif l’amélioration des méthodes actuelles de typage en termes de rapidité et de fiabilité, notamment à travers le développement de souris transgéniques. Deux articles traitent des mécanismes par lesquels la protéine prion pathogène est introduite dans l’organisme, puis la façon dont elle diffuse dans les différents tissus et organes et exerce son pouvoir pathogène. L’un concerne la pathogénie de la tremblante, à partir des travaux entrepris sur le mouton : dans quels tissus diffuse la protéine prion pathogène, dans quels types de cellules et à quelle vitesse, et comment intervient le génotype de l’individu dans ce processus. L’autre porte sur les modèles cellulaires mis au point récemment, qui permettent la multiplication du prion ovin et servent à étudier les interactions entre la protéine prion pathogène et différents types de cellules de l’organisme, les gènes activés en cas d’infection, le rôle du polymorphisme de la protéine prion ovine dans la réplication du prion pathogène et l’identification de molécules ayant une activité antiprion. Les propriétés et le rôle physiologique de la protéine prion normale, ainsi que les raisons pour lesquelles la protéine prion normale est transformée en protéine prion pathogène, sont ensuite abordés à travers plusieurs études : approche physicochimique et structurale de la structure de la protéine prion, pour analyser les domaines de la protéine prion qui pourraient avoir un rôle clé dans la transconformation de la protéine normale en protéine pathogène, et pour comprendre la relation entre le polymorphisme génétique de cette protéine et l’état de résistance ou de sensibilité à la tremblante ; approche immunochimique grâce à des anticorps monoclonaux ayant des affinités particulières pour certaines régions de la protéine prion PrP, qui permettent l’étude de la capacité de la protéine normale à être convertie en protéine pathogène et le typage moléculaire des souches de prions ; analyse des voies de sécrétion et du rôle physiologique de la protéine prion cellulaire. L’influence du polymorphisme au locus Prnp sur la sensibilité des animaux aux EST est documentée, ainsi que les travaux en cours pour mettre en évidence d’autres gènes influençant la sensibilité des animaux aux EST, à partir de la cartographie du génome. Concernant l’épidémiologie des EST, un article présente les travaux sur les sources d’infection, les voies de transmission et la dynamique de la maladie dans les populations animales, en matière de tremblante et d’ESB. Les résultats relèvent d’expérimentations, d’études de terrain et de modélisation mathématique. Enfin, plusieurs articles sont consacrés à la lutte contre les EST, abordant plusieurs volets : développement de tests pour le diagnostic avant la mort et la distinction entre souches d’EST, travaux conduits depuis dix ans pour maîtriser voire éradiquer la tremblante dans la population ovine en jouant sur la résistance génétique des ovins aux EST, étude clinique conduite sur une molécule à visée thérapeutique et discussion sur la méthode de choix des molécules à expérimenter, pistes pour la destruction des farines animales à risque, grâce à l’utilisation de microorganismes ou la fabrication de biolubrifiants, additifs biocarburants et matériaux polymères.

Depuis quelques années, des expériences à l’échelle de la molécule individuelle ont permis d’apporter des informations nouvelles sur de nombreux processus impliqués dans le fonctionnement cellulaire, et en particulier les interactions entre ADN et protéines. Il est aujourd'hui possible, et c'est une des thématiques développées dans l'équipe « optique et biologie » du laboratoire Kastler Brossel, de visualiser par microscopie de fluorescence des protéines individuelles interagissant avec des molécules d'ADN étirées et positionnées sur une surface. Notre équipe aborde en particulier un problème important en biochimie : la diffusion facilitée des protéines sur l’ADN. Certaines protéines spécifiques de site sont en effet capables de trouver leur cible sur l’ADN avec une efficacité remarquable, en interagissant avec de l'ADN à proximité de la séquence-cible. Dans ce cadre, notre équipe a montré que l'enzyme de restriction EcoRV diffuse linéairement et saute le long de l’ADN pour atteindre sa cible. Mon apport à cette thématique se situe en aval de ces expériences. J'ai d'une part développé des outils d'analyse des films obtenus dans nos expériences afin d'en extraire précisément et rapidement la trajectoire d'EcoRV lors de son mouvement le long de l'ADN, puis de déterminer le coefficient de diffusion linéaire ainsi que la distribution des sauts de l'enzyme. J'ai également proposé une approche d'analyse par ondelettes des images de ces films. D'autre part, j'ai implémenté des simulations Monte-Carlo destinées à reproduire les distributions expérimentales de sauts de l'enzyme. J'ai ainsi pu caractériser les sauts trop petits pour être détectés par des méthodes optiques.

La protéine SRSF1, aussi appelée ASF/SF2, fait partie de la famille des protéines SR, une famille de protéines liant l’ARN très conservées. Ces protéines jouent un rôle régulateur de l’épissage, également lors de l’épissage alternatif. Une centaine d’ARN cible ont été décrits pour SRSF1 mais la manière dont SRSF1 sélectionne ses cibles parmi tous les pré-ARNm est mal comprise. Des études in vitro et in vivo ont montré que les protéines SR reconnaissent un petit motif dégénéré qui est souvent présent en plusieurs copies dans les ESE («enhancer splicing element »). Bien que les protéines SR lient ces motifs avec une faible spécificité, la définition des exons se fait avec une grande fidélité. Afin de mieux comprendre le mécanisme d’action de SRSF1, j’ai réalisé une étude cinétique des interactions SRSF1-ARN dans les cellules vivantes par des techniques de microscopies avancées. Grâce au système CRISPR, j’ai pu étiqueter la protéine SRSF1 avec la protéine Halo puis j’ai combiné une technique de photo-blanchiment (FRAP) et une technique de suivi de particule unique (« single particle tracking, SPT) pour mesurer la diffusion de SRSF1 et son affinité pour l’ARN. J’ai mesuré la durée de vie des événements de liaison individuellement aussi bien sur le pool global de pré-ARNm que sur des cibles spécifiques. Nos résultats indiquent que la liaison de SRSF1 ne dépasse pas quelques secondes, même sur les cibles de haute affinité. Cette cinétique rapide permet à SRSF1 d’être en contact avec l’ensemble des transcrits naissants qui est produit en permanence dans la cellule. De plus, mon travail apporte une analyse cinétique de la dynamique des snRNP à la résolution de la molécule unique dans le nucléoplasme des cellules vivantes. Nous avons déterminé les coefficients de diffusion des snRNP et la durée de leur association à l’ARN dans ces cellules
SRSF1, formerly known as ASF/SF2, belongs to the SR protein family, which is a conserved family of RNA-binding protein that plays essential roles as regulators of both constitutive and alternative splicing. Hundreds of RNA targets have been described for SRSF1 but how SRSF1 selects its targets from the entire pool of cellular pre-mRNAs remains an open question. In vitro and in vivo studies have shown that SR proteins recognize short degenerated motifs often present in multiple copies at ESEs. Similar cryptic motifs are however frequently present in pre-mRNAs, and this low specificity of binding contrasts with the great fidelity of exon definition. To better understand the mechanism of action of SRSF1, I performed a kinetic study of SRSF1-RNA interactions in live cells using advanced microscopic techniques. Taking advantage by the CRISPR system, I tagged endogenous SRSF1 with Halo protein, and I combined photobleaching (FRAP) and single particle tracking (SPT) techniques to estimate diffusion and binding rates of SRSF1. I measured the duration of individual binding events, both on the cellular pool of pre-mRNAs and on specific targets. Our results indicate that binding of SRSF1 does not exceed few seconds, even on high-affinity targets. This rapid kinetics allows SRSF1 to rapidly sample the entire pool of nascent RNAs continuously produced in cells. Moreover, we provided a kinetic analysis of snRNP dynamics at a single-molecule resolution in the nucleoplasm of living cells. Our results enabled us to determine diffusion coefficients of snRNPs and their RNA binding duration in vivo

La transcriptase inverse (RT) est un hétéro-dimère p66/p51 avec des activités ADN polymérase et ribonucléase H qui jouent un rôle critique dans le cycle viral du VIH-1. La RT convertit l’ARN génomique viral simple brin en ADN proviral double brin dans le cytoplasme de la cellule infectée. L’efficacité de la RT est augmentée par la protéine de la nucléocapside (NC) grâce à son activité chaperonne vis-à-vis des acides nucléiques et/ou une coopération entre les deux protéines. Dans ce travail, nous avons étudié par la technique de smFRET (single molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer) les effets de la NC sur l’interaction entre la RT et un substrat d’ADN au niveau de deux sites de pause de la synthèse de l’ADN(+). Nous avons d’abord réalisé et validé le montage de smFRET. Lors de la validation du montage avec des fluorophores Cy3 encapsulés dans des vésicules lipidiques, nous avons mis en évidence deux mécanismes différents entrainant le photoblanchiment du Cy3. Ensuite, après avoir déterminé les propriétés de liaison à l’équilibre de la RT et la NC sur différents substrats amorce/matrice à l’aide de mesures d’ensemble en solution, nous avons confirmé par smFRET que la RT adopte plusieurs conformations sur son substrat d’ADN, incluant celle qui conduit à la polymérisation de l’ADN. En présence de la NC, nous n’avons observé qu’une réorganisation modérée des différentes conformations du complexe RT/substrat. Par contre, une réorganisation beaucoup plus importante est induite par la NC en présence du dNTP, avec une très forte exaltation des conformations compétentes pour la polymérisation. Nous avons également montré que la NC augmente l’efficacité de synthèse de l’ADN au niveau de sites de pause en diminuant ou en augmentant le temps de dissociation du complexe RT/substrat/dNTP selon le type de site de pause. L’ensemble de ces données permet de mieux comprendre les mécanismes polyvalents par lesquels NC facilite l’activité de la RT
The reverse transcriptase (RT) is a p66/p51 hetero-dimer with DNA polymerase and ribonuclease H activities which plays a critical role in the viral cycle of HIV-1. RT converts the viral genomic RNA to proviral DNA in the cytoplasm of infected cells. The efficiency of RT is increased by the nucleocapsid protein (NC) through its nucleic acids chaperone properties and/or via direct interaction with RT. In the present work, we investigated the effects of NC on the interaction between RT and its DNA substrate attwo pause sites during the synthesis of (+)DNA by using the smFRET (single molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer) technique. In a first step, we implemented and validated the smFRET set-up. Within the validation step, using Cy3 fluorophores encapsulated, in lipid vesicles, we monitored the photobleaching of Cy3 dyes and found out that it was governed by two parallel mechanisms. In a second step, we determined the affinity of RT and NC to different primer/template substrates by using steady-state fluorescence. Then, we confirmed by smFRET that RT adopts different conformations on its DNA substrate, including the one that leads to DNA polymerization. In the presence of NC, we observed only a moderate reorganization of the different conformations of RT/substrate complex. However, NC was found to induce a more important reorganization in the presence of dNTP, with a very strong promotion of the polymerization-competent conformations. We also showed that NC increases the efficiency of DNA synthesis at pause sites by either decreasing or increasing the dissociation time of the RT/substrate/dNTP complex, depending on the type of pause site. Together, these data allow us to further elucidate the mechanisms by which NC facilitates the RT

Le transfert d'ADN chez les bactéries est un processus essentiel dans la ségrégation des chromosomes lors de la progression du cycle cellulaire et de nombreuses protéines sont impliquées dans ce processus. Parmi elles, on trouve la famille des protéines SpoIIIE / FtsK, et différentes fonctions leur ont été attribuées. SpoIIIE a été identifiée comme étant essentielle a la sporulation chez Bacillus subtilis. Au cours de la sporulation, un septum de division asymétrique se développe à proximité d'un pôle de la cellule et divise la cellule en deux compartiments : la préspore et la cellule mère. SpoIIIE est responsable de la translocation directionnelle de l'ADN de la cellule mère à la préspore. Ce transport implique l'interaction de SpoIIIE avec des séquences spécifiques qui sont distribuées de forme asymétrique le long des chromosomes (séquences de reconnaissance SpoIIIE ou SRS). Dans cette thèse, je développe des méthodes de molécule unique pour aborder les différents aspects des mécanismes de translocation de SpoIIIE. Cette thèse est divisée en trois sections : (1) les développements et de l'optimisation méthodologiques, (2) la caractérisation de sytox comme un nouveau colorant intercalant l ‘ADN pour les expériences en molécules uniques, et (3) l'utilisation de ces méthodes de molécules uniques pour tester les modèles de translocation d'ADN par SpoIIIE. Pour commencer, j'ai développé deux méthodes de détection et manipulation par molécules uniques: 1) le premier permet la visualisation simultanée de l'ADN et les protéines fluorescentes par microscopie TIRF et à épifluorescence, et (2) l'utilisation de pinces magnétiques dans une configuration transversale qui, couplée à la détection par fluorescence, permet la détection simultanée de l’ extension de l'ADN et la visualisation de la localisation des protéines. Au cours de la thèse, j'ai construit ces configurations optiques, les ai caractérisé, et optimisé. Deuxièmement, j’ai étudié le mécanisme de liaison et des propriétés de fluorescence de sytox, un nouveau colorant d’ADN. Plus précisément, j'ai déterminé que: (1) sytox se lie à l'ADN rapidement dans un processus en deux étapes séquentielles qui implique des interactions électrostatiques; (2) la dynamique rapide de liaison et de dissociation de sytox conduit à un taux extrêmement faible de photoblanchiment , (3) la dégradation de l'ADN par sytox est quatre fois inférieure à celle observée pour d'autres bis-intercalants, tels que YOYO-1, et 4) sytox est un intercalant d'ADN qui augmente la longueur de l'ADN de 43%, et n'affecte pas ses propriétés mécaniques (mesurée par la longueur de persistance). Enfin, pour observer l'interaction entre SpoIIIE et SRS, la protéine SpoIIIE a été chimiquement étiquetée et caractérisée. Substrats d'ADN contenant la séquence SRS ont été préparés et adaptés aux méthodes de molécule unique développées pendant ma thèse. L’observation directe des interactions SpoIIIE-SRS par ces méthodes ont permis de réfuter un des modèles existant
DNA contains the genetic information of cells. Several cellular processes, including chromosome segregation during cell division and sporulation, and plasmid conjugation require the transport of double-stranded DNA (dsDNA) within and between bacterial cells. SpoIIIE/FtsK/Tra are a family of ring-shaped, membrane-anchored, ATP-fueled, directional motors required to segregate DNA across membranes during sporulation, cell division and conjugation. In particular, SpoIIIE is responsible for packaging the chromosome inside the prespore during the process of sporulation in Bacillus subtilis. This transport is directional and requires that SpoIIIE recognizes highly-skewed octameric sequences (SpoIIIE Recognition Sequences, or SRS) sparsely distributed along the whole chromosome. In this thesis, I developed different single-molecule methods to investigate the molecular mechanism by which SpoIIIE-SRS interactions lead to directional DNA transport. This thesis is divided in three sections: methodological developments and optimization, characterization of sytox as a new intercalating dye for single molecule experiments, and the use of single molecule methods to test the models for directional DNA translocation by SpoIIIE. First, I developed two single molecule methods that involved 1) the simultaneous visualization of DNA and protein by using intercalating dyes and direct protein labels to detect the localization of SpoIIIE on DNA using TIRF and epi-fluorescence microscopy; and (2) the use of a transverse magnetic tweezers setup coupled to fluorescence detection to simultaneously detect DNA extension and visualize protein localization. I built these optical setups, characterized them, and optimized several parameters. Secondly, we investigated the binding mechanism and fluorescence properties of sytox, a new bright, low photo-damage, multi-color DNA labeling agent. Specifically, I determined that: (1) sytox binds DNA rapidly in a two-step sequential process that involves electrostatic interactions; (2) the fast dynamics of binding and unbinding of sytox leads to an extremely low photobleaching rate; (3) DNA degradation by sytox is four-fold lower than that observed for other bis-intercalators, such as YOYO-1; and 4) sytox is a DNA intercalator that increases the DNA length upon binding by 43 %, while not affecting its mechanical properties (measured by the persistence length). Finally, to observe SpoIIIE-SRS interactions, SpoIIIE was chemically labeled and characterized. DNA substrates containing SRS sequence were prepared suitable for the different single molecule approaches undertaken and also characterized. Observation of SpoIIIE-SRS interactions allowed us to conclude that: (1) in the absence of SRS, SpoIIIE can bind DNA non-specifically (2) this first binding event does not require threading through the DNA end or assembly of monomers but rather the binding of a hexamer from an open to a closed conformation, (3) in the presence of ATP, SpoIIIE translocates on DNA and is predominantly located in DNA ends, and (4) can often condense DNA by looping, reconstituting the activity observed in magnetic tweezers assays, (5) when SRS sequences are present, SpoIIIE is redistributed from non-specific sites by a diffusional or 3D looping mechanism and locates SRS sequences where it remains bound with a higher affinity than to non-specific sequences

Les mammifères identifient et interprètent une myriade de stimuli olfactifs par un mécanisme de codage complexe reposant sur la reconnaissance des molécules odorantes par des centaines de récepteurs olfactifs (RO). Ces interactions génèrent des combinaisons uniques de récepteurs activés, appelées code combinatoire, que le cerveau humain interprète comme la sensation que nous appelons l'odeur. Jusqu'à présent, le grand nombre de combinaisons possibles entre les récepteurs et les molécules a empêché une étude expérimentale à grande échelle de ce code et de son lien avec la perception des odeurs. La révélation de ce code est donc cruciale pour répondre à la question à long terme de savoir comment nous percevons notre environnement chimique complexe. Les RO appartiennent à la classe A des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) et constituent la plus grande famille multigénique connue. Pour étudier de façon systématique le codage olfactif, nous avons développé M2OR, une base de données exhaustive compilant les 25 dernières années d'essais biologiques sur les RO. À l'aide de cet ensemble de données, un modèle d'apprentissage profond sur mesure a été conçu et entraîné. Il combine l'intégration de jetons [CLS] d'un modèle de langage des protéines avec des réseaux de neurones en graphes et un mécanisme d'attention multi-têtes. Ce modèle prédit l'activation des RO par les odorants et révèle le code combinatoire résultant pour toute molécule odorante. Cette approche est affinée en développant un nouveau modèle capable de prédire l'activité d'un odorant à une concentration spécifique, permettant alors d'estimer la valeur d'EC50 de n'importe quelle paire OR-odorant. Enfin, les codes combinatoires dérivés des deux modèles sont utilisés pour prédire la perception olfactive des molécules. En incorporant des biais inductifs inspirés par la théorie du codage olfactif, un modèle d'apprentissage automatique basé sur ces codes est plus performant que l'état de l'art actuel en matière de prédiction d'odeurs. À notre connaissance, il s'agit de l'application la plus aboutie liant le code combinatoire à la prédiction de l'odeur d'une molécule. Dans l'ensemble, ce travail établit un lien entre les interactions complexes molécule odorante-récepteur et la perception humaine
Mammals identify and interpret a myriad of olfactory stimuli using a complex coding mechanism involving interactions between odorant molecules and hundreds of olfactory receptors (ORs). These interactions generate unique combinations of activated receptors, called the combinatorial code, which the human brain interprets as the sensation we call smell. Until now, the vast number of possible receptor-molecule combinations have prevented a large-scale experimental study of this code and its link to odor perception. Therefore, revealing this code is crucial to answering the long-term question of how we perceive our intricate chemical environment. ORs belong to the class A of G protein-coupled receptors (GPCRs) and constitute the largest known multigene family. To systematically study olfactory coding, we develop M2OR, a comprehensive database compiling the last 25 years of OR bioassays. Using this dataset, a tailored deep learning model is designed and trained. It combines the [CLS] token embedding from a protein language model with graph neural networks and multi-head attention. This model predicts the activation of ORs by odorants and reveals the resulting combinatorial code for any odorous molecule. This approach is refined by developing a novel model capable of predicting the activity of an odorant at a specific concentration, subsequently allowing the estimation of the EC50 value for any OR-odorant pair. Finally, the combinatorial codes derived from both models are used to predict the odor perception of molecules. By incorporating inductive biases inspired by olfactory coding theory, a machine learning model based on these codes outperforms the current state-of-the-art in smell prediction. To the best of our knowledge, this is the most comprehensive and successful application of combinatorial coding to odor quality prediction. Overall, this work provides a link between the complex molecule-receptor interactions and human perception

Les enzymes de réparation de l'ADN sont des facteurs essentiels pour assurer l'intégrité du génome. Ainsi, la compréhension de la dynamique de leurs mécanismes d'interaction est capitale. NucS est une nucléase récemment découverte chez l'archée Pyrococcus abyssi, qui interagit avec des structures branchées de l'ADN à simple brin libre, appelées flaps. Sa caractérisation biochimique a mis en évidence une affinité nanomolaire pour l'ADN simple brin, avec l'existence de deux sites de liaison (site I et II) ainsi qu'une activité bidirectionnelle caractérisée par la capacité à cliver les flaps 5' et 3'. Les mécanismes qui sont à l'origine de cette activité, notamment ses modalités de chargement, de localisation et de dissociation, restent toutefois peu connus. Afin de sonder la dynamique des interactions de NucS avec son substrat, nous avons mis en place un microscope à illumination en onde évanescente permettant la détection et le suivi des événements d'interaction individuels entre la protéine marquée avec un fluorophore et un substrat d'ADN attaché à la surface. Nous avons ensuite développé une nouvelle technique de colocalisation qui permet de positionner une protéine individuelle par rapport à son substrat avec une précision de 50 nm pour des durées arbitraires. Nous avons alors étudié la cinétique d'association et de dissociation des complexes NucS-ADN individuels afin de résoudre les mécanismes qui régulent l'activité de l'enzyme dans différentes conditions. Dans des conditions où le clivage est inhibé, nous avons montré que l'association était dépendante du site I, bidirectionnelle et symétrique pour les flaps 3' et 5' et que la dissociation était orientée avec une affinité supérieure pour les flap 5'. Nous avons également montré que la dissociation suivait une cinétique du premier ordre indépendante de la diffusion de NucS sur le flap. Ceci indique que, dans ces conditions non clivantes, NucS s'associe et/ou se dissocie à des positions arbitraires sur le flap. Par la suite, nous avons étudié la cinétique d'association et de dissociation du complexe NucS-ADN à 45 ◦ C en présence du cofacteur de la réparation PCNA. Nous avons démontré que PCNA augmente la vitesse d'association de NucS avec les substrats 3' et 5'. Ceci indique que PCNA agit comme une plateforme qui facilite la reconnaissance de la lésion, avec un chargement ciblé de NucS à la jonction. De plus, nous avons montré que PCNA déstabilise le complexe NucS-ADN, vraisemblablement en exerçant une force pour plier l'ADN afin d'amener l'extrémité du flap vers le site II. Dans le cas de flaps 5', nous avons montré que la dissociation suit un mécanisme en deux étapes, qui est indépendant de la longueur du flap. Ceci nous a permis de proposer un modèle où NucS se charge par son site I directement à la jonction, courbe le substrat pour capturer l'extrémité simple brin par le site II pour le cliver. Dans le cas d'un flap 3', nous avons montré que la dissociation suit un mécanisme du premier ordre ce qui est probablement dû à la rapidité de la seconde étape dans le mécanisme proposé pour les flaps 5'. Nos résultats constituent ainsi une nouvelle contribution à la caractérisation intramoléculaire des interactions NucS-ADN. Les méthodes que nous avons développées constituent en outre un moyen original pour sonder la cinétique des interactions entre biomolécules et pourront être appliquées à de multiples systèmes.