Dissertations / Theses on the topic 'Mime de Superoxyde Dismutase (SOD)'

Les espèces réactives de l'oxygène (ROS) sont produites en continu dans tous les organismes aérobies et sont impliquées dans la signalisation cellulaire, les défenses contre les pathogènes, mais aussi le stress oxydant. Ce dernier correspond à un déséquilibre entre la production des ROS et leur prise en charge par les défenses anti-oxydantes de la cellule. Le stress oxydant est associé à de nombreuses pathologies, notamment les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI). Parmi les métallo-enzymes qui contrôlent la concentration en ROS, les superoxide dismutases (SOD) jouent un rôle essentiel. Ces enzymes sont responsables de la régulation du superoxyde le premier ROS produit lors de la réduction du dioxygène. Dans ces travaux, des complexes de Mn(II) mimant l'activité de la Mn-SOD (SODm) ont été conçus en utilisant une approche biomimétique. Leur intérêt pour limiter le stress oxydant et l'inflammation dans un modèle cellulaire des MICI a été examiné. En particulier, leur activité biologique a été étudiée au vu de leurs propriétés physico-chimiques et de leur biodisponibilité. Les résultats obtenus avec un complexe parent ont mené à la conception d'une deuxième génération de SODm couplés à une sonde multimodale, à des peptides pénétrants, ou à des peptides adressant aux mitochondries. L'étude du complexe parent fonctionnalisé par des peptides polyarginines a démontré l'influence de charges positives portées par le ligand sur la constante de vitesse. Dans la continuité de l'approche biomimétique développée ici, la conception de SODm de novo est présentée et constitue un premier pas vers l'imitation de l'influence de la seconde sphère de coordination
Reactive oxygen species (ROS) are produced continuously in all aerobic organisms and are involved in cell signaling, defenses against pathogens, but also oxidative stress. This latter corresponds to an imbalance between ROS production and their consumption by the antioxidant defenses of the cell. Oxidative stress is associated with numerous pathologies, such as inflammatory bowel diseases (IBD). Among the metalloenzymes controlling the concentration of ROS, superoxide dismutases (SOD) play a crucial role. These enzymes are responsibles for the regulation of superoxide, the first ROS produced by the reduction of oxygen. In this work, Mn(II) complexes mimicking the activity of the Mn-SOD (SODm) were designed using a biomimetic approach. Their relevance to limit oxidative stress and inflammation in a cellular model of IBD was investigated. In particular, their biological activity was studied in light of their physico-chemical properties and of their bioavailability. The results obtained with a parent complex led to the design of a second generation of SOD mimics conjugated with a single core multimodal probe, cell-penetrating peptides, or mitochondria-penetrating peptides. An effect of electrostatic interactions on the catalytic rate constant of the parent complex functionalized with polyarginines peptides was demonstrated, similarly to what is observed for the enzyme. In the continuity of the biomimetic approach envisioned here, the design of de novo SOD mimics is presented and constitutes a first step toward the mimicry of second sphere influence

Le déséquilibre intracellulaire entre antioxydants et pro-oxydants est impliqué dans le développement de nombreuses pathologies, comme les maladies inflammatoires chroniques intestinales-MICI. Le fait que la superoxyde dismutase à manganèse (MnSOD) soit la première ligne de défense antioxydante nous a conduit à tester le rôle des mimes de SOD comme agents anti-inflammatoire dans le contexte des MICI. Mn1 est facilement synthétisé, stable, avec une bonne activité anti-superoxyde intrinsèque et anti-inflammatoire sur des cellules épithéliales intestinales (HT29-MD2) en situation de stress oxydant. La présence de Mn1 intact (ligand+Mn2+) à l'intérieur des HT29-MD2, créées pour étudier l'inflammation intestinale est démontrée avec une stratégie en spectrométrie de masse (IMS-MS). Après 6 h d'incubation avec 100 µM Mn1 et LPS 0.1 µg/mL, Mn1 a été détecté en forme intacte avec une concentration intracellulaire estimée à 10 µM. En utilisant la stratégie OcSILAC, qui permet de quantifier simultanément l’expression des protéines et le niveau d’oxydation de cystéines de l’ensemble du protéome, nous avons démontré qu’une oxydation est induite par le LPS dès 15min (dans la fraction organelles dont la mitochondrie) et qu’elle se résout après 6h-LPS, avec une surexpression de la MnSOD (dès 3h). Quand il est coincubé avec LPS, Mn1 est capable de limiter l’oxydation totale des protéines à 15 min (70% dans les membranes/organelles) et de remplacer l’action de la MnSOD à 6h. Mn1 également rétablit en leur niveau basal la majorité des protéines sous et surexprimées par l’activation au LPS. Nos résultats démontrent ainsi le potentiel du Mn1 comme nouvel agent thérapeutique contre les MICI
The intracellular imbalance between antioxidants and pro-oxidants is involved in the development of many pathologies (like chronic inflammatory bowel diseases-IBD). The fact that manganese superoxide dismutase (MnSOD) is the first line of antioxidant defense led us to study the role of MnSOD mimics as anti-inflammatory agents in the context of IBD. Mn1 is easily synthesized, stable, with good intrinsic anti-superoxide activity and anti-inflammatory activity on intestinal epithelial cells (HT29-MD2). The presence of intact Mn1 (ligand+Mn2+) inside HT29-MD2, created to study intestinal inflammation, was demonstrated using mass spectrometry (IMSMS). After 6h of incubation with 100 µM Mn1 and with LPS 0.1 µg/mL, Mn1 was detected intact with an estimated intracellular concentration of 10 µM. Using the OcSILAC strategy, making possible to simultaneously quantify protein expression and oxidation at the proteome-wide cysteine level, it has been demonstrated that an oxidation was induced by LPS from 15min (in the organelles fraction, including mitochondria) and was resolved after 6h-LPS, with an overexpression of MnSOD (after 3h). When coincubated with LPS, Mn1 limited the total protein oxidation at 15min (70% in the membranes/organelles) and compensate for MnSOD at 6h. Mn1 also restored to their basal levels most of the proteins that were under and overexpressed upon LPS activation. Our results thus demonstrate the potential of Mn1 as a new therapeutic agent against IBD

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a disease in which the motor neurons die in a progressive manner, leading to paralysis and muscle wasting. ALS is always fatal, usually through respiratory failure when the disease reaches muscles needed for breathing. Most cases are sporadic, but approximately 5–10% are familial. The first gene to be linked to familial ALS encodes the antioxidant enzyme superoxide dismutase-1 (SOD1). Today, more than 160 different mutations in SOD1 have been found in ALS patients.  The mutant SOD1 proteins cause ALS by gain of a toxic property that should be common to all. Aggregates of SOD1 in motor neurons are hallmarks of ALS patients and transgenic models carrying mutant SOD1s, suggesting that misfolding, oligomerization, and aggregation of the protein may be involved in the pathogenesis. SOD1 is normally a very stable enzyme, but the structure has several components that make SOD1 sensitive to misfolding. The aim of the work in this thesis was to study misfolded SOD1 in vivo. Small amounts of soluble misfolded SOD1 were identified as a common denominator in transgenic ALS models expressing widely different forms of mutant SOD1, as well as wild-type SOD1. The highest levels of misfolded SOD1 were found in the vulnerable spinal cord. The amounts of misfolded SOD1 were similar in all the different models and showed a broad correlation with the lifespan of the different mouse strains. The misfolded SOD1 lacked the C57-C146 intrasubunit disulfide bond and the stabilizing zinc and copper ions, and was prinsipally monomeric. Forms with higher apparent molecular weights were also found, some of which might be oligomers. Misfolding-prone monomeric SOD1 appeared to be the principal source of misfolded SOD1 in the CNS. Misfolded SOD1 in the spinal cord was found to interact mainly with chaperones, with Hsc70 being the most important. Only a minor proportion of the Hsc70 was sequestered by SOD1, however, suggesting that chaperone depletion is not involved in ALS.  SOD1 is normally found in the cytoplasm but can be secreted. Extracellular mutant SOD1 has been found to be toxic to motor neurons and glial cells. Misfolded SOD1 in the extracellular space could be involved in the spread of the disease between different areas of the CNS and activate glial cells known to be important in ALS. The best way to study the interstitium of the CNS is through the cerebrospinal fluid (CSF), 30% of which is derived from the interstitial fluid. Antibodies specific for misfolded SOD1 were used to probe CSF from ALS patients and controls for misfolded SOD1. We did find misfolded SOD1 in CSF, but at very low levels, and there was no difference between ALS patients and controls. This argues against there being a direct toxic effect of extracellular SOD1 in ALS pathogenesis. In conclusion, soluble misfolded SOD1 is a common denominator for transgenic ALS model mice expressing widely different mutant SOD1 proteins. The misfolded SOD1 is mainly monomeric, but also bound to chaperones, and possibly exists in oligomeric forms also. Misfolded SOD1 in the interstitium might promote spread of aggregation and activate glial cells, but it is too scarce to directly cause cytotoxicity.

Récemment, notre laboratoire a démontré pour la première fois, que la protéine Damaged DNA Binding 2 (DDB2) possédait une activité régulatrice négative de l’expression basale de la superoxyde dismutase mitochondriale (SOD Mn) en se fixant sur un élément de réponse dans la région promotrice de son gène. Cette protéine était connue jusque là pour sa participation dans le système de réparation de l’ADN par excision de nucléotides. L’objectif de ce travail a été de définir précisément l’implication de ces deux protéines dans la croissance des cellules d’adénocarcinome mammaire, en développant des modèles cellulaires dont l’expression de la SOD Mn ou de la DDB2 est modulée expérimentalement. Nos résultats montrent pour la 1ère fois, que la SOD Mn est surexprimée dans les cellules tumorales mammaires insensibles aux oestrogènes (ER-) et ayant un pouvoir métastatique, et non dans les cellules épithéliales mammaires normales et les cellules ER+. L’inhibition de l’expression de la SOD Mn entraîne une stimulation de la croissance et une diminution de l’invasivité cellulaires, associées à une activité réduite de la métalloprotéinase 9. L’addition d’antioxydants, éliminant spécifiquement l’H2O2 issu de l’activité élevée de la SOD Mn, entraîne à la fois une inhibition de la croissance et du pouvoir invasif des cellules ER-. Ces résultats révèlent que la SOD Mn participe aux capacités invasives des cellules ER- via la production d’H2O2. Nous avons également montré pour la 1ère fois, que la DDB2 présente une activité oncogénique dans les cellules tumorales mammaires sensibles aux oestrogènes (ER+), non seulement parce que son gène est surexprimé, mais également parce qu’elle active leur prolifération en agissant sur la phase de transition G1/S et sur la progression dans la phase S du cycle cellulaire. Contrairement à la SOD Mn, l’expression de la DDB2 n’est pas observée dans les cellules tumorales mammaires ER-. De même à partir de biopsies provenant de patientes atteintes d’un cancer du sein, nous avons montré que la DDB2 est significativement plus exprimée dans les tumeurs les moins agressives et exprimant le récepteur aux oestrogènes. En montrant l’importance de la SOD Mn et la DDB2 dans la croissance et l’invasion des cellules tumorales mammaires, l’ensemble de ce travail révèle ainsi ces deux protéines comme des marqueurs prédictifs potentiels de la progression tumorale, et ouvre de nombreuses perspectives en cancérologie mammaire
Recently, our laboratory demonstrated for the first time, that Damaged DNA Binding 2 (DDB2) played a role as a negative transcriptional regulator on the mitochondrial superoxide dismutase (MnSOD) expression through its binding to a specific DNA sequence located into the promoter of MnSOD gene. DDB2 was known as a protein which participates in the nucleotide excision repair of DNA. The goal of this study was to define precisely the involvement of the both proteins in the growth of mammary adenocarcinoma cells, using experimental procedures to modulate their expression in the breast cancer cell lines. Our results show for the first time that MnSOD is overexpressed in the estrogen receptor (ER) negative and metastatic breast tumor cells, but not in normal epithelial mammary cells and ER-positive tumor cells. Inhibition of MnSOD expression stimulates proliferation but decreases the invasive ability and the metalloproteinase 9 activity of tumor cells. Elimination of H2O2 from the elevated MnSOD activity by addition of specific antioxidants decreases proliferation as well as invasive ability of tumor cells, suggesting that the role of MnSOD in the invasive ability of tumor cells is mediated by H2O2. We have shown too for the first time that DDB2 has an oncogenic activity in the ER-positive breast tumor cells, because its gene is overexpressed and stimulates the proliferation by activating the entry of cells in the G1/S transition phase and the S phase progression. In contrast to MnSOD, DDB2 expression is not observed in ER-negative breast tumor cells, but is higher in ER-positive than in ER-negative tumor samples from patients with breast carcinoma. Taken together, our findings demonstrate that both MnSOD and DDB2 play a role in the growth and invasiveness of tumor cells and may become a promising candidate as a predictive markers in breast cancer. More studies will be need to define molecular mechanism controlling this activity of these both proteins

La superoxyde dismutase à Manganèse (SOD Mn ou SOD2) est une enzyme importante dans la défense antioxydante, qui semble jouer un rôle mal défini dans le développement des tumeurs selon l’expression constitutive de son gène. Cependant, les mécanismes de régulation de cette expression constitutive sont mal connus, en particulier dans les cellules tumorales mammaires. Ce travail a reposé sur la mise en évidence préalable d’une protéine, appelée la Damaged DNA Binding 2 (DDB2) protein, se fixant spécifiquement sur la région promotrice du gène SOD2. La DDB2 est connue pour sa participation dans la réparation de l’ADN par excision de nucléotides. Dans un 1er temps, nous avons caractérisé la séquence d’ADN spécifiquement reconnue dans la région proximale du promoteur du gène SOD2, sur laquelle la DDB2 s’y fixe sous la forme d’un monomère, pour réguler négativement la transcription constitutive de la SOD Mn dans les cellules tumorales mammaires non métastatiques de type MCF-7. Par ailleurs, la DDB2 n’est pas impliquée dans le mécanisme d’induction du gène SOD2, lorsque les cellules MCF-7 sont exposées à des substances inductrices. En revanche, nous avons montré que l’absence de la protéine DDB2, associée à celle du facteur de transcription AP-2?, déjà connu comme répresseur du gène SOD2, entraîne une expression constitutive élevée de la SOD Mn dans les cellules tumorales mammaires métastatiques n’exprimant pas le récepteur aux œstrogènes (ER-). De plus, cette expression constitutive élevée est principalement dépendante du facteur de transcription Sp1. Dans un 2ème temps, nous avons évalué la signification biologique de la régulation de l’expression constitutive de la SOD Mn par la DDB2 dans les cellules tumorales mammaires. Nos résultats montrent que la DDB2 active la prolifération des cellules tumorales mammaires ER+, en exerçant sa régulation négative sur l’expression de la SOD Mn. Dans un 3ème temps, nous avons cherché à montrer les conséquences sur la croissance des cellules tumorales mammaires ER-, qui surexpriment naturellement la SOD Mn. Nos résultats révèlent que l’enzyme antioxydante joue un rôle important dans les mécanismes moléculaires impliqués dans le pouvoir invasif des cellules tumorales mammaires ER-. La surexpression de la SOD Mn, associée à un taux faible des enzymes éliminant l’H2O2, entraînent une augmentation du pouvoir invasif déjà élevé des cellules tumorales mammaires ER-, associée une augmentation de l’activité de la métalloprotéinase 9. L’élimination, en présence d’antioxydants, de l’H2O2 libéré par l’activité de la SOD Mn surexprimée, entraîne une inhibition à la fois de la croissance et des capacités invasives des cellules tumorales mammaires ER-. L’ensemble de ce travail contribue à mieux comprendre l’importance de la SOD Mn et du mécanisme de régulation de son gène dans la croissance et l’invasion tumorales. Ainsi ce travail révèle également la SOD Mn et la DDB2 comme de potentiels facteurs prédictifs de la progression tumorale mammaire. Enfin, la découverte de la nouvelle activité biologique de la DDB2 ouvre un vaste champ de perspectives intéressantes en cancérologie mammaire
Manganese superoxide dismutase (Mn SOD or SOD2) is an important enzyme in the antioxidizing defence, which seems to play an unclear role in the cancer development, according to the constitutive expression of its gene. However, the regulation of this constitutive expression is not totally known, particularly in the breast cancer cells. This work is based on a preliminary revealing that a protein, called Damaged DNA Binding 2 (DDB2), specifically binds the SOD2 gene promoter. The DDB2 is known for its involvement in the nucleotide excision repair. At first step, we characterized the specific DNA sequence recognized in the proximal area of the SOD2 gene promoter, on which a DDB2 monomer binds, in order to regulate negatively the Mn SOD transcription in the MCF-7 non metastatic breast cancer cells. Besides, DDB2 is not involved in the mechanism of SOD2 gene induction, when MCF-7 cells are exposed to induced substances. However, we showed that the lack of the DDB2 protein, associated with the lack of the AP-2a transcription factor, already known as a repressor of the SOD2 gene, lead to a high Mn SOD constitutive expression in the metastatic breast cancer cells. Furthermore, this high constitutive expression is mainly dependent of the Sp1 transcription factor. Secondly, we estimated the biological meaning of the regulation of the Mn SOD constitutive expression by the DDB2 in the breast cancer cells. Our results show that the DDB2 activates the positive ER breast cancer cell proliferation, by exercising its negative regulation on the Mn SOD expression. Thirdly, we tried to show the consequences on the negative ER breast cancer cell growth, which naturally and highly express the Mn SOD. Our results reveal that the antioxidizing enzyme plays an important role in the molecular mechanisms involved in the invasive capacities of the negative ER breast cancer cells. The high Mn SOD expression, associated in a decrease of the H2O2 detoxifying enzymes expression, enhance the negative ER breast cancer cell invasion and an increase of the matrix metallopeptidase-9 activity. The H2O2 elimination, with specific antioxidants, decreases both negative ER breast cancer cell growth and invasive capacities. This whole work contributes to better understand the Mn SOD importance and the mechanism of its gene regulation, in the tumoral growth and invasion. This work also reveals the Mn SOD and DDB2 as potential predictive factors of the breast cancer progress. Finally, the discovery of this new DDB2 biological activity opens a huge field of interesting perspectives in breast cancer research

Le superoxyde O2●- est une espèce réactive de l’oxygène produite par de nombreux métabolismes chez les espèces vivant en condition aérobie. Ses propriétés radicalaires font de O2●- une espèce très réactive capable d’endommager les macromolécules présentes dans les cellules, conduisant entre autre au stress oxydant et à de possibles troubles neurodégénératifs. Pour se protéger, la Nature utilise des enzymes, appelées superoxydes dismutases (SOD), qui sont chargées de catalyser la dismutation du superoxyde en oxygène et peroxyde d’hydrogène. La dernière qui fut découverte est la NiSOD qui comporte un ion nickel dans son site actif. Contrairement aux autres types de SOD, celle-ci n’est pas présente chez l’homme et ne l’est que chez certaines bactéries comme Chlamydiae. Ainsi, cibler la NiSOD est une méthode prometteuse pour le développement de nouveaux antibiotiques. De même, le développement de nouveaux complexes biomimétiques des SOD peut conduire à de nouveaux agents thérapeutiques contre les maladies liées au stress oxydant. Notre projet consiste à développer de nouveaux modèles actifs de la NiSOD, avec comme stratégie l’utilisation de ligands peptidiques. Les deux principaux objectifs sont (1) de développer des catalyseurs de type SOD, actifs dans l’eau, mais aussi (2) d’acquérir des informations supplémentaires sur le mécanisme mis en jeu lors de la catalyse par la NiSOD, afin de mettre en évidence les intermédiaires clés et les différences majeures entre la NiSOD et les autres SODs présentes chez l’homme. Nos résultats montrent qu’une bonne activité catalytique peut être obtenue même avec une sphère de coordination différente de celle de l’enzyme, et mettent en évidence des facteurs clés pour l’activité. De plus, des études mécanistiques tendent à montrer un mécanisme en sphère interne pour la réduction du superoxyde
The superoxide radical anion, O2●-, is generated by many life processes. Its radical properties make it a highly reactive species able to damage all macromolecules contributing to the pathogenesis of many diseases including neurodegenerative disorders. In order to protect cells against O2●-, Nature uses superoxide dismutases (SODs) which catalyze the dismutation of O2●- into hydrogen peroxide and oxygen. The last discovered SOD contains a nickel cofactor. Importantly the NiSOD is found in several pathogenic bacteria but not in humans. Therefore targeting the NiSOD is a promising approach to develop antibiotics. Secondly, the development of novel SOD mimics may have potential uses as therapeutic agents in oxidative stress-related diseases. Our project aims at developing innovative active NiSOD mimics, based on the use of peptide-based ligands with two main objectives: (i) to develop efficient SOD like catalysts, active in water, displaying antioxidant properties for potential therapeutic applications and (ii) to contribute to the full understanding of the catalytic mechanism of the NiSOD to highlight the specific key elements that differentiate NiSOD from the human MnSOD for the design of potential antibiotics. Our results show that, even with a coordination sphere different from the one in the enzyme, a good catalytic activity can be obtained. Key elements for the activity are also determined. Moreover, mechanistic studies indicates an inner sphere mechanism for superoxide reduction

La mucoviscidose est la maladie génétique la plus fréquente dans la population caucasienne. Le genre Scedosporium se situe au deuxième rang parmi les champignons filamenteux isolés des expectorations dans ce contexte. Au niveau pulmonaire, les colonisations/infections entraînent le recrutement de phagocytes qui induisent un stress oxydatif normalement délétère pour les pathogènes. Pour se défendre, ceux-ci ont développé des systèmes antioxydants, notamment diverses enzymes. Ce travail de thèse visait à étudier la réponse au stress oxydatif chez Scedosporium. Tout d’abord, la capacité à germer en présence d’oxydants a été évaluée. Par la suite, trente-trois gènes potentiellement impliqués dans la défense contre le stress oxydatif ont été identifiés. Leur expression en présence d’oxydants et en co-cultures avec des phagocytes suggère un rôle majeur, notamment pour une catalase, une peroxyrédoxine et deux thiorédoxine réductases. Par ailleurs, un mutant défectif pour un gène codant une superoxyde dismutase (SOD) pariétale et spécifique des spores a été produit. L’auranofin, un inhibiteur des thiorédoxine réductases, présente une activité vis-à-vis des Scedosporium et un effet additif avec des triazolés. Un test ELISA a été développé pour le sérodiagnostic des scédosporioses, utilisant une catalase et une Cu/Zn-SOD recombinantes. Ce test sensible et spécifique permet de distinguer les infections à Scedosporium de celles à Aspergillus fumigatus et des colonisations à Scedosporium. Au final, ces résultats indiquent un rôle majeur des enzymes antioxydantes chez Scedosporium, qui pourraient être de véritables facteurs de virulence et donc de nouvelles cibles thérapeutiques
Cystic fibrosis (CF) is the most common genetic disease in Caucasian populations. The Scedosporium genus ranks the second among the filamentous fungi colonizing the airways of CF patients. In the respiratory tract, colonizations/infections lead to the recruitment of phagocytes which produce an oxidative stress, usually deleterious for pathogens. To defend themselves, pathogens have developed protective antioxidant systems, especially various enzymes. This thesis aimed to study the oxidative stress response in Scedosporium species. First, capacity of several Scedosporium isolates to germinate upon oxidative stress conditions was evaluated. Then, thirty-three genes potentially involved in protection against the oxidative stress were identified. Their overexpression in response to oxidants and in co-cultures with phagocytes suggested a crucial role, especially for one catalase, one peroxiredoxin and the two thioredoxin reductases. A mutant defective for the gene encoding a superoxide dismutase (SOD) anchored to the cell wall and specific for the conidia was produced. Auranofin, a thioredoxin reductase inhibitor, exhibits little anti-Scedosporium activity and an additive effect with triazole drugs. An ELISA was developed for serodiagnosis of scedosporiosis, using recombinant proteins derived from one catalase and a Cu/Zn-SOD. This sensitive and specific assay allows to differentiate Scedosporium infections from Aspergillus fumigatus infections and Scedosporium colonizations. Finally, these results indicate a crucial role of antioxidant enzymes in Scedosporium species, which could therefore be considered as virulence factors and as possible new therapeutic targets

À ce jour, nos connaissances sur les propriétés structurales et fonctionnelles des métalloprotéines sont essentiellement basées sur des structures résolues par des méthodes de diffraction à rayons X appliquées à des échantillons monocristallins. Cependant, certaines protéines ne cristallisent pas ou cristallisent sous une forme qui n’est pas manipulable ou compatible avec des techniques des diffraction, et même si une structure à très haute résolution est disponible, la nature de l’ion métallique, sa géométrie de coordination ou son état d’oxydation restent souvent indéterminés.La Résonance Magnétique Nucléaire en rotation à l’angle magique (MAS NMR) est une technique très performante pour l’étude de systèmes biologiques et pour la caractérisation de la structure du site actif des métalloprotéines paramagnétiques, mais son application à l’analyse des noyaux proches d’un site paramagnétique est limitée à cause de la résolution et de la sensibilité faibles.L’objectif de cette thèse a été de développer des méthodes RMN basées sur des hautes fréquences de rotation (60-111 kHz MAS) pour faire face à ces problématiques. Un répertoire de séquences d’impulsion pour la détection et l’attribution des noyaux à proximité d’un centre paramagnétique est proposé, et à l’aide de méthodes de calculs de pointes, les données expérimentales acquises sont converties en contraintes structurales afin de déterminer la géométrie du site actif à l’échelle atomique. Cette approche est validée avec l’analyse de sites actifs de deux protéines microcristallines contenants différents ions paramagnétiques : Fe, Cu et Co. Ensuite, des données préliminaires sur un transporteur membranaire d’ions métalliques divalents non cristalline sont présentées.Les méthodes analytiques présentées ici constituent un ensemble d’outils indispensable pour l’élucidation de la structure et la fonction des sites métalliques de systèmes macromoléculaires biologiques
Most of our understanding of metalloproteins derives from atomic or molecular structures obtained from diffraction methods on single crystal samples. However, not all proteins are amenable for diffraction studies, and even when a highly-resolved structure is available, often the nature of the metal ion, its coordination geometry or its oxidation state are not determined. The aim of the present thesis is the investigation of structural properties of metal sites in paramagnetic metalloproteins by Magic-Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (MAS NMR). MAS NMR is a powerful technique for the investigation of biological systems, and may represent a direct probe of the structure at the active site of paramagnetic metalloproteins. However, it suffers from limited sensitivity and resolution when applied to nuclei close to a paramagnetic center.In this thesis, we address these limitations by developing NMR methods based on ultra-fast (60-111 kHz) MAS rates. A “toolkit” of suitably designed pulse sequences is built for the detection and the assignment of nuclei in close proximity of a paramagnetic center. State-of-the-art computational techniques are also employed to convert the experimental data into structural restraints for obtaining atomic-resolution geometries of active sites. We benchmark this approach with the study of Fe, Cu and Co sites in two microcrystalline proteins, and we also provide preliminary data on a non-diffracting divalent metal ion transporter in lipid membranes. We anticipate that the techniques described here are an essential tool to elucidate many currently unanswered questions about structure and function of metal sites in structural biology

Le rôle clef du fer dans le cycle biogéochimique du carbone et de l’azote dans l’océan a été mis en évidence au cours de la dernière décennie. Une des découvertes majeures récentes en océanographie biologique est la limitation de la croissance du phytoplancton par la disponibilité en fer dans au moins 40% de l’océan mondial. Or, la chimie de cet élément dans l’océan est particulièrement complexe et la forme sous laquelle il est disponible pour le phytoplancton reste encore mal connue. Plusieurs mécanismes sont utilisés par le phytoplancton marin pour améliorer la solubilité du fer en eau de mer et parvenir à absorber les quantités suffisantes en fer nécessaires à leur survie. Un de ces mécanismes implique la production de radicaux superoxyde en milieu extracellulaire, ce qui accroît la bio-disponibilité du fer en eau de mer en réduisant la forme Fe(III) sous forme Fe(II), plus bio-disponible aux cellules de phytoplancton. Les objectifs principaux de ce travail étaient de i) développer une méthode appropriée pour détecter la production de superoxyde en milieu extracellular par n’importe quelle cellule de phytoplancton marin, et ii) examiner la relation entre la production extracellulaire de superoxyde et l’absorption du fer par la cyanobactérie Trichodesmium erythraeum IMS101. Une méthode de détection du superoxyde a été développée, qui utilise du red-CLA ou du MCLA, deux sondes chimiluminescentes spécifiques à la détection du superoxyde, qui ont donné des résultats fiables, même sur de très faibles quantités d’échantillons. En effet, comparée aux autres méthodes employées, la détection de la production du superoxyde par microplaques permet de réduire le volume d’échantillon par 10, et de réduire le temps d’analyse de tréplicats d’un échantillon, d’un blanc et de trois standards à 10 minutes. De plus, cette méthode présente une large gamme de travail avec une limite de détection de 0,076 pmol/s, ce qui lui confère un grand avantage pour le travail sur le phytoplancton marin. Les taux de production de superoxyde en milieu extracellulaire par la cyanobatérie Trichodesmium erythraeum ont été mesurés en condition de laboratoire et allaient de 0,93 à 16,21 pmol/trichome/h. La limitation en fer des cellules de Trichodesmium résultat en une augmentation de ce taux de production, qui a été multiplié par un facteur 2,9 entre les cellules non limitées et les cellules limitées en fer. Il a aussi été montré que la production de superoxyde suivait un rythme diurne avec une forte augmentation du taux de production en milieu du cycle « jour», spécialement marqué pour les cultures maintenues en milieu pauvre en fer. Les taux de production extracellulaire de superoxyde et d’absorption du fer par Trichodesmium ont été mesurés simultanément sur des cultures pré-limitées ou non limitées en fer. Les taux d’absorption étaient 10 fois plus élevés pour les cultures non limitées, sauf lorsqu’un composé réducteur (acide ascorbique) était ajouté. Dans ce cas, les taux d’absorption des deux cultures étaient similaires. De plus, les deux cultures ont montré une plus grande aptitude à absorber le fer lié à des ligands faibles comme le citrate. Dans l’ensemble, les résultats ont montré une relation entre la production de superoxyde et l’absorption de fer par Trichodesmium, mais aucune influence directe entre ces deux processus n’a pu être démontrée. La méthode de détection du superoxyde par microplaque a été utilisée lors de campagnes sur la Grande Barrière de corail en Australie. L’analyse de deux blooms de Trichodesmium a montré de forts taux de production de superoxyde, en cohérence avec les analyses effectuées au laboratoire. De plus, l’utilisation de cette méthode (entre autres) a permis de démontrer une accumulation d’espèces Fe(II) en concentrations biologiquement significatives, quand la concentration en superoxyde dans l’eau de mer était inférieure à 1 nM. Par contre, lorsque cette concentration se trouvait supérieure à 1nM, la plupart des espèces réduites (Fe(II)) étaient réoxidées, ce qui résultait en un fort taux de production de peroxyde d’hydrogène du à la dismutation du superoxyde. Dans l’ensemble, cette étude a permis le développement d’une méthode de détection de la production de superoxyde par le phytoplancton marin en milieu extracellulaire qui peut être utilisée au laboratoire ou en conditions d’étude sur le terrain. Nous avons aussi démontré que les cellules de Trichodesmium erythraeum IMS101 produisent de grandes quantités de superoxyde, en particulier lorsqu’elles sont limitées en fer. L’étude des taux d’absorption du fer par ces même cellules a démontré une forte relation entre ce processus et la production de superoxyde par les cellules: ces résultats sont en accord avec l’hypothèse que le modèle d’absorption du fer par le phytoplancton marin «Fe’» serait fortement influencé par ce type d’organisme capable de modifier l’équilibre redox du milieu présent à la surface des cellules
It is hypothesised that, under iron limitation, phytoplankton cells develop biochemical mechanisms to increase their iron uptake efficiency with one of these mechanisms involving the production of superoxide in the extracellular environment that increases the bioavailability of iron in seawater by reducing Fe(III) to the more soluble Fe(II). The main objectives of this work were 1) to develop an appropriate method to detect extracellular production of superoxide by marine phytoplankton, and 2) to examine the relationship between extracellular production of superoxide and iron acquisition by Trichodesmium erythraeum. A method to measure superoxyde production is described using red-CLA and MCLA probes, yielding considerable improvement for analysis compared to other available methods. Extracellular superoxide production and iron uptake rates were measured simultaneously on iron replete and iron deplete Trichodesmium erythraeum IMS 101 laboratory cultures : iron starvation leads to a 2. 9-fold increase in superoxide production rate and 10-fold decrease in the iron uptake rate (except when a reducing compound was added) compared to iron replete cultures. Extracellular superoxide production shows a pronounced circadian rythm in iron deplete cultures, but less so in iron replete cultures. Overall, no direct impact of extracellular superoxide production by Trichodesmium is observed, but both processes are shown to be related. Both iron deplete and iron replete cultures demonstrate greater ability to uptake iron bound to weaker iron-binding ligands such as citrate. Application of the method to field studies in the Great Barrier Reef lagoon showed an accumulation of biologically significant concentrations of reduced trace metals including Fe(II) when the concentration of superoxide was lower than 1 nM. When the concentration of superoxide was higher than 1 nM, most of the reduced species were oxidised resulting in high rates of hudrogen peroxide production rates, consistent with laboratory studies. Overall, this thesis permitted the development of a method to detect superoxide production rates by marine phytoplankton cells that could be used routinely in field studies. The observations are in accord with the conclusion that fit the ongoing hypothesis that the extablished Fe' uptake model for phytoplankton would be strongly influenced by such organisms that are able to modify the redox equilibrium of the solution at their cells surface