Tesi sul tema "Membrane nanodomains"

La rémorine du groupe 1 isoforme 3 de Solanum tuberosum (StREM1.3) est une protéine membranaire de la famille multigénique de protéines de plante appelée rémorines (REMs), impliquées dans l’immunité des plantes, la symbiose, la résistance aux stress abiotiques et la signalisation hormonale. La caractéristique la plus connue des REMs est leur capacité à se ségréger en nanodomaines au feuillet interne de la membrane plasmique (MP). Pour StREM1.3, ceci se fait via une interaction entre deux lysines de l’ancre C-terminale de la rémorine (RemCA) et le phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P) négativement chargé. Ainsi, RemCA modifie sa conformation et s’enfonce partiellement dans la MP, résultant en un accrochage membranaire intrinsèque. Capitalisant sur les données structurales déjà disponibles concernant cet isoforme, nous investiguons StREM1.3 davantage quant à ses propriétés d’interaction membranaire, en utilisant un large éventail de techniques, allant de la microscopie de fluorescence et de la RMN à l’état solide (ssNMR) à la microscopie de force atomique (AFM), la cryo-microscopie électronique (cryoEM) et la modélisation informatique. Nous souhaitons découvrir l’impact de l’oligomérisation et de la phosphorylation de StREM1.3 sur ses interactions membranaires et son activité biologique, ainsi que d’examiner son influence sur la dynamique des lipides et les lipides requis pour l’accrochage à la membrane et le regroupement en nanodomaines. Enfin, forts de toutes les données structurales disponibles, nous entreprendrons la reconstruction in vitro et la caractérisation de nanodomaines minimaux de StREM1.3
Group 1 isoform 3 remorin from Solanum tuberosum (StREM1.3) is a membrane protein belonging to the multigenic family of plant proteins called remorins (REMs), involved in plant immunity, symbiosis, abiotic stress resistance and hormone signalling. REMs’ most well known feature is their ability to segregate into nanodomains at the plasma membrane’s (PM) inner leaflet. For StREM1.3, this is achieved by an interaction between two lysines of the remorin C-terminal anchor (RemCA) and negatively charged phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P). Thus, RemCA undergoes conformational changes and partially buries itself in the PM, resulting in an intrinsic membrane anchoring. Capitalising on pre-existing structural data about this isoform, we investigate StREM1.3’s membrane-interacting properties further, using a wide array of techniques, ranging from fluorescence microscopy and solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) to atomic force microscopy (AFM), cryo-electron microscopy (cryoEM) and computational modelling. We aim to discover the impact of StREM1.3’s oligomerisation and phosphorylation on its membrane interactions and biological activity, and to assess its influence on lipid dynamics as well as its lipid requirements for membrane binding and nanoclustering. Finally, based on all available structural data, we will undertake the in vitro reconstruction and characterisation of minimal nanodomains of StREM1.3

Dans la lutte contre les virus, les plantes ont mis au point divers mécanismes de défenses pour se protéger contre les agents pathogènes. Les protéines végétales localisées à la membrane plasmique telles que les rémorines (REM) peuvent limiter l’infection virale. Les REM appartiennent à une famille de protéines multigéniques spécifiques à la plante, classées en six groupes phylogénétiques localisées dans les nanodomaines de la membrane plasmique et, dans certains cas, au niveau des plasmodesmes. Notre équipe avait précédemment montré que chez la tomate et Nicotiana benthamiana, la surexpression de l’isoforme 3 du groupe 1 de Solanum tuberosum (StREM1.3) limitait la propagation de cellule-à-cellule du Potato Virus X, un Potexvirus sans affecter la réplication virale. Au cours de ma thèse, nos données ont permis de construire un modèle de travail dans lequel une protéine kinase dépendante du calcium (AtCPK3) d’Arabidopsis thaliana est capable d’interagir in vivo avec StREM1.3, de phosphoryler le domaine N-terminal de StREM1.3 et, enfin, avec l'aide de protéines non caractérisées à ce jour, conduire à la restriction du mouvement de cellule à cellule de PVX chez N.benthamiana. N.benthamiana , parfaite pour l'expérimentation virale, est allo-tétraploïde, rendant de ce fait difficiles les études génétiques. Sachant qu’il existe 34 isoformes de CPKs, avec une redondance fonctionnelle probable entre elles, nous avons basculé sur un autre pathosystème : nous avons choisi Arabidopsis thaliana profitant de la « boîte à outils » génétiques que cette plante offre et nous avons choisi une autre espèce de virus, de la famille des potexvirus capable d'infecter A. thaliana : le Plantago Asiatica Mosaic Virus (PlAMV). Les objectifs sont 1 / d’étudier la contribution des différents clades de REM dans le mouvement intercellulaire des potexvirus 2 / comprendre quels CPK sont impliquées dans ce processus en utilisant les mutants simples et double de REM mais aussi de CPK, ainsi que les surexpresseurs AtCPK 3 / Etudier la contribution du groupe 1 de REM et de CPK3 dans le mouvement systémique du potexvirus. Nous avions précédemment montré que, comme le PVX, le mouvement local du PlAMV est limité par StREM1.3 et AtCPK3 dans N.benthamiana. Nous avons optimisé les conditions expérimentales pour suivre et comparer le PlAMV marqué GFP dans différents fonds génétiques d'Arabidopsis. En utilisant cette méthode, nous avons pu suivre à la fois le mouvement de cellule à cellule du virus localement, puis l’infection systémique à travers la plante entière. Les mutants knock-out simples et multiples du groupe 1 de REM, ainsi que les surexpresseurs CPK ont été utilisés. Fait intéressant, nous n'avons pas détecté de différence de propagation par rapport au contrôle sur divers mutants de CPK, sauf dans le mutant cpk3KO. En effet, tant au niveau local que systémique, la propagation du PlAMV est améliorée sur le mutant cpk3KO alors que les lignées surexprimant CPK3 présentent un effet opposé, démontrant la grande implication de CPK3 dans la propagation du potexvirus. De même, nous démontrons la redondance de chaque isoforme du groupe 1 de REM sur la restriction du mouvement intercellulaire du PlAMV. Il est intéressant de noter que REM favorise la propagation intercellulaire d’un autre genre viral, le genre Potyvirus, ce qui suggère que les fonctions de REM ne sont pas généralisables pour tous les genres. Globalement, nos résultats classifient les groupes 1 de REM et CPK3 en tant que protéines de défenses antivirales dans les infections aux potexvirus, que ce soit au niveau local ou systémique, et suggèrent que la fonction de REM est dépendante du genre viral. Cette recherche ouvrira la voie sur de nouvelles clés thérapeutiques, pour in fine, lutter contre les infections virales
In the battle against viruses, plants have evolved various defence mechanisms to protect themselves against pathogens. Membrane-bound plant proteins such as Remorin (REM) may restrict viral infection. REMs belong to a plant-specific multigene family, classified in six phylogenetic groups that are localized in plasma membrane nanodomains and for some of them in plasmodesmata. Our team previously showed that in tomato and Nicotiana benthamiana, overexpression of Solanum tuberosum group 1 isoform 3 (StREM1.3) limits the cell-to-cell spread of the potexvirus Potato virus X (PVX) without affecting viral replication. During my thesis, our data allowed to built a working model in which the Arabidopsis thaliana CALCIUM-DEPENDENT PROTEIN KINASE 3 (AtCPK3) is able to interact with group 1 REM in vivo, phosphorylates the N-terminal domain of StREM1.3 and, finally, with the help of uncharacterized proteins lead to the restriction of PVX cell-to-cell movement in N.benthamiana. N.benthamiana is perfect for viral experimentation, but is allo-tetraploid, making it difficult for genetic studies. Because of CPKs have 34 isoforms with likely functional redundancy between them, we switched to another pathosystem using the genetic toolbox of Arabidopsis thaliana and a potexvirus species able to infect A. thaliana, the Plantago Asiatica Mosaic Virus (PlAMV). The objectives are 1/ to study the contribution of different REM clades in potexvirus intercellular movement; 2/ to understand which CPKs are involved in this process using REM and CPKs single and multiple mutants, as well as AtCPKs over-expressors; 3/ To study the contribution of Group 1 REM and CPK3 on systemic potexvirus movement. We previously showed that, like PVX, PlAMV local movement is restricted by StREM1.3 and AtCPK3 in N.benthamiana. We optimized the experimental conditions to track and compare GFP-tagged PlAMV in different Arabidopsis genetic backgrounds. By using this method, we were able to track both local virus cell-to-cell movement and systemic infection through the whole plant. Group 1 REM and CPK single and multiple knock out mutants, as well as CPK over-expressors wereused. Interestingly, we did not detect any difference in propagation compared with control on various CPKs KO, except in cpk3 mutant. Indeed, both in local and systemic, PlAMV propagation is enhanced on cpk3 mutant while CPK3 overexpressing lines display an opposite effect, demonstrating the great involvement of CPK3 in potexvirus propagation. Similarly, we demonstrate the redundancy of each isoform from group 1 REM on the restriction of the intercellular movement of PlAMV. Interestingly, REM promotes intercellular propagation of another viral genus, the potyvirus genus, suggesting that REM functions are not general for all genera. Globally, our results classify group 1 REM and CPK3 as antiviral defence protein both in local and systemic potexvirus infection, and suggest that REM function is viral genus dependent. This research will pave the way toward new host targets to fight phytovirus infection

L’organisation par compartimentalisation est une propriété générale des systèmes naturels coordonnant les évènements biologiques dans l’espace et le temps. Au cours des trente dernières années, il a pu être démontré qu’à l’échelle d’une membrane de nombreux sous-compartiments coexistent. Une telle organisation semble cruciale pour l’ensemble des activités biologiques cellulaires et par conséquent prépondérante pour le développement et la survie des organismes vivants. La membrane plasmique présente une grande diversité de compartiments, néanmoins leurs fonctions et les mécanismes moléculaires régissant leur organisation ne sont pas très bien compris. Afin d’apporter de nouvelles informations sur comment et pourquoi la membrane plasmique des plantes est souscompartimentée, nous étudions les nanodomaines des REMORINEs du groupe 1 au cours de l’infection de N. benthamiana par le Potato Virus X (PVX). En menant une approche multidisciplinaire, nous avons décortiqué un mécanisme moléculaire impliqué dans l’organisation en nanodomaine de REMORIN à la membrane plasmique. Via la génération de mutants nous présentons des liens fonctionnels entre l’organisation en domaine de REMORIN, son statut de phosphorylation, sa capacité à réguler la perméabilité des plasmodesmes et la propagation de cellule à cellule du PVX. Nous présentons également des éléments montrant qu’au cours de la perception de PVX par N. benthamiana, l’organisation de la membrane plasmique est cruciale pour la mise en place des mécanismes de défense de la plante. Cette étude met en avant pour la première fois chez les plantes l’importance de la régulation spatio-temporelle des protéines à la membrane plasmique dans l’identité et la fonction de domaines membranaires
Organization by compartmentalization is a general property of natural systems coordinating biological events in space and time. Over the past three decades, it has been demonstrated that multiple micrometric to nano-metric sub-compartments co-exist at a single membrane level. Such membrane organization seems critical for most all cell bioactivities and therefore critical for development and survival of potentially all living organisms. Plants respond to pathogens by activating highly regulated plasma membrane-bound signalling pathways. Plant plasma membrane (PM) displays a great diversity of compartments, but underlying functions and molecular mechanisms governing such organization are not well understood. To get insight in how and why plant PM is compartmentalized, we choose to study the plant PM nanodomain goup 1 REMORIN during the interaction between N. benthamiana and the Potato Virus X (PVX). Using a multidisciplinary approach we decipher a molecular mechanism involved in defining REMORIN PM domains localization. Making mutants we provide a functional link between REMORIN PM organization at single molecule level, its phosphostatus, regulation of plasmodesmata permeability and PVX cell-to-cell movement restriction. We then provide evidences that during N.benthamiana PVX sensing, PM organization appears critical for the modulation plant defence mechanisms and cell signaling. This study provides a unique mechanistic insight into how tight control of protein spatio-temporal organization at PM level is crucial to confer membrane domains identity and functionality

La polyprotéine Gag du VIH-1 qui contient quatre principaux domaines (Matrix (MA), capside (CA), nucléocapside (NC), et P6) est l’orchestrateur privilégié de l'assemblage du virus HIV-1, assemblage qui a lieu pendant la phase tardive de la réplication. Il est bien connu que Gag interagit avec les lipides de la membrane plasmique de la cellule hôte et s’auto-assemble sur le feuillet interne de cette dernière afin de générer de nouvelles particules virales. Le bourgeonnement de ces particules virales hors de la cellule hôte est décrit comme étant dépendant de la machinerie cellulaire ESCRT. Différentes études structurales, fonctionnelles ainsi que des simulations de dynamique gros grain ont montré que la liaison de Gag à la membrane est médiée par une interaction duale. Une spécifique de nature éléctrostatique, qui associe une région hautement basique (HBR) du domaine MA de Gag au lipide acide,phosphatidyl inositol biphosphate (PI(4,5)P2) du feuillet interne de la membrane plasmique. Une de type hydrophobe, qui consiste en l’insertion du myristate de Gag dans la membrane plasmique. Savoir si Gag reconnait spécifiquement des domaines lipidiques pré-existants de type « rafts » ou si, au contraire, Gag tri ses lipides et les réorganise latéralement afin d’optimiser sa multimérisation et son bourgeonnement est une question à la fois fondamentale et d’actualité en virologie.Durant ma thèse, j’ai vérifié l’existence de la seconde hypothèse en utilisant des membranes modèles contenant du PI (4,5) P2 marqué de façon fluorescente et différent mutants et produits de la protéine Gag non-myristoylée. Ces expériences ont montré de fortes affinités de ces protéines pour les membranes contenant du PI (4,5) P2. S’appuyant sur les propriétés d’auto-extinction de fluorescence du marqueur choisit et à l’aide des différents variants de la protéine Gag, j'ai pu montré que la multimérisation de Gag génère l’existence de nanodomaines contenant du PI (4, 5) P2 et du cholestérol, la sphingomyéline étant au contraire exclue de ces domaines. En marquant la protéine Gag par un autre fluorophore, j’ai pu montrer par microscopie optique sur des vésicules lipidiques géantes (GUVs) que la protéine Gag partitionnait préférablement dans des microdomaines lipidiques de type liquide désordonnés (Ld). Par la suite, j’ai testé la capacité de la protéine Gag d’induire la formation de vésicules sur des membranes modèles (Bicouches supportés et GUVs) contenant du PI(4,5) P2 et de la phosphatidyl sérine (PS). En utilisant une microbalance à cristal de quartz (QCM-D) et des techniques de microscopie de fluorescence, j’ai suivi l'auto-assemblage de Gag dans le temps et ai montré que la protéine Gag était suffisante pour générer une courbure de la membrane et libérer des vésicules lipidiques. Grâce à différents produits de maturation de cette protéine, j’ai montré que la présence des domaines MA et CA est suffisante pour produire ces vésicules.L’ensemble de ces résultats suggèrent que la liaison et la multimérisation de la protéine Gag ne se produit pas dans des domaines lipidiques préexistants de type « raft », mais, au contraire, que la liaison et multimérisation de la protéine Gag génère l’existence de domaines lipidiques enrichis en PI (4,5) P2 et en cholestérol. La générescence de ces domaines lipidiques pourrait participer à la courbure de la membrane plasmique nécessaire au bourgeonnement du virus
Gag polyprotein of HIV-1 is made of four main domains Matrix (MA), Capsid (CA), Nucleocapsid (NC), and P6 and is the prime orchestrator of virus assembly that occurs during the late phase of replication. It is well known that Gag interacts with host cell lipids and self-assemble along the inner-leaflet of the plasma membrane in order to generate virus like particles (VLPs). Budding of these VLPs out of the living cell is described to be ESCRT dependent. Structural, functional and simulation based studies has shown that Gag membrane binding is mediated by a bipartite interaction. One specific electrostatic interaction, between the highly basic region (HBR) of its MA domain and the host cell acidic lipid phosphatidyl inositol bisphophate (PI(4,5)P2), plus a hydrophobic interaction through Gag’s myristate insertion in the plasma membrane. It is still an opened question whether Gag would specifically recognize pre-existing lipid domains such as rafts to optimize its multimerization or, on the contrary, would reorganize lipids during its multimerization. During my Ph.D. I explored the second hypothesis using purified myr(-) Gag protein and model membranes containing fluorescently labelled PI(4,5)P2.Bonding experiments have shown strong affinities of these purified proteins towards PI(4,5)P2 containing lipid bilayers. Using PI(4,5)P2 fluorescence self-quenching properties, I found that multimerization Gag generates PI(4,5)P2/Cholesterol enriched nanoclusters. On the opposite, sphingomyelin was excluded from these nanoclusters. In addition to this, using a fluorescently labelled myr(-) Gag, I have observed its preferable partitioning into lipid disordered (Ld) phases of giant unilamellar vesicles (GUVs). Further, possibility of whether HIV-1 Gag alone, as a minimal system, can induce the formation of vesicles on PI(4,5)P2/PS containing supported lipid bilayers (SLBs) & GUVs was tested. Using quartz crystal microbalance (QCM-D) and fluorescence microscopy techniques, I monitored the self-assembly of HIV-1 Gag with time and found that Gag was sufficient to generate membrane curvature and vesicle release. Moreover, using mutants of this protein, I found that having MA and CA domain is enough for Gag to produce vesicle like structures. Taken together, these results suggest that binding and multimerization of Gag protein does not occur in pre-existing lipid domains (such as “rafts”) but this multimerization is more likely to induce PI(4,5)P2/Cholesterol nanoclusters. This nanophase separation could locally play a role in the membrane curvature needed for the budding of the virus

La nano-organisation de la membrane cellulaire est essentielle à la régulation de certaines fonctions cellulaires. Dans cette thèse, les récepteurs EGF, CPεT et de la transferrine ont été marqués avec des nanoparticules luminescentes et ont été suivis à la fois dans leur environnement local dans la membrane cellulaire vivantes pour de longues durées et sous un flux hydrodynamique. Nous avons alors appliqué des techniques d'inférence bayésienne, d’arbre de décision et de clustering de données extraire des informations quantitatives sur les paramètres caractéristiques du mouvement des récepteurs, notamment la forme de leur confinement dans des microdomaines. L’application d’une force hydrodynamique sur les nanoparticules nous a alors permis de sonder les interactions auxquelles ces récepteurs sont soumis. Nous avons appliqué cette approche in vitro pour favoriser et mesurer la dissociation in vitro de paires récepteur / ligand à haute affinité entre des récepteurs membranaires et leurs ligands pharmaceutiques, telles que HB-EGF et DTR et l’avons ensuite appliqué à l’étude d’interactions à la membrane cellulaire. Nous avons ainsi mis en évidence trois modes différents d'organisation de la membrane et de confinement des récepteurs: le confinement de CPεTR est déterminé par l'interaction entre les récepteurs et les constituants lipidiques / protéiques des microdomaines, le potentiel de confinement de l'EGFR résulte de l'interaction avec les lipides et les protéines de l’environnement du radeau et de l’interaction avec la F-actine; les récepteurs de la transferrine diffusent librement dans la membrane, uniquement limités stériquement par des barrières d’actine, selon le modèle ‘picket-and-fence’. Nous avons de plus montré que les nanodomaines de type radeau sont rattachés au cytoskelette d’actine. Ce travail présente donc à la fois un aperçu quantitatif du récepteur membranaire, des mécanismes d’organisation à l’échelle nanométrique, et établit un cadre méthodologique avec lequel différents types de propriétés membranaires peuvent être étudiés
In this thesis, EGF, CPεT and transferrin receptors were labeled with luminescent nanoparticles, , and were tracked both in their local environment in the cell membrane and under a hydrodynamic flow. Bayesian inference, Bayesian decision tree, and data clustering techniques can then be applied to obtain quantitative information on the receptor motion parameters. Furthermore, we introduced hydrodynamic force application in vitro to study biomolecule dissociation between membrane receptors and their pharmaceutical ligands in high affinity receptor- ligand pairs, such as HB-EGF and DTR. Finally, three different modes of membrane organization and receptor confinement were revealed: the confinement of CPεTR is determined by the interaction between the receptors and the lipid/protein constituents of the raft; the confining potential of EGFR results from the interaction with lipids and proteins of the raft environment and from the interaction with F-actin; transferrin receptors diffuse freely in the membrane, only sterically limited by actin barriers, according to the “picket-and-fence” model. We moreover showed that all raft nanodomains are attached to the actin cytoskeleton

Les cellules sont composées de compartiments délimités par une membrane. Pour permettre aux protéines d’être associées aux membranes du bon compartiment, chaque membrane a une identité qui lui ait propre. Elle se définit par ses caractéristiques physiques et chimiques. Cependant, les compartiments d’une cellule échangent du matériel en permanence. Comment l’identité des membranes est maintenue malgré le flux constant d’échanges de protéines et de lipides lors des transports vésiculaires et non-vésiculaires ? Les phosphoinositides (PIPs) sont des lipides anioniques présents en faible quantité dans les membranes. Chaque PIP se localise différemment dans la cellule. Parmis les PIPs, le PI4P est présent à la membrane plasmique et au Golgi/trans-Golgi Network (TGN). Chez les plantes, PI4P est majoritairement trouvé à la membrane plasmique, contrairement aux animaux ou à la levure chez qui le PI4P se trouve principalement au niveau du TGN. Ainsi le gradient de PI4P le long de la voie d’endocytose est inversé chez les plantes par rapport aux autres eucaryotes. Chez les plantes, l’accumulation de PI4P à la membrane plasmique confère un champ électrostatique important qui recrute des protéines spécifiquement à cette membrane. Comment le gradient de PI4P est établi chez les plantes ? PI4Kα1 est capable de produire du PI4P à partir de phosphatidylinositol. PI4Kα1 se localise à la MP. Par ailleurs, PI4Kα1 est la sous-unité catalytique d’un complexe comprenant 3 autres protéines : NO POLLEN GERMINATION (NPG), EFR3 OF PLANTS (EFOP) et HYCCIN. Le complexe est ciblé à la membrane plasmique via une ancre lipidique au niveau de EFOP. Les orthologues de PI4Kα1 chez la levure et les animaux sont localisés à la membrane plasmique par des complexes protéiques similaires, démontrant une conservation des mécanismes de production des PIP chez l’ensemble des eucaryotes. L’absence du complexe PI4Kα1 entraine une létalité de la plantes au niveau du grain de pollen ou de l’embryon. Ainsi PI4Kα1 est essentiel à l’identité de la membrane plasmique et par conséquent au développement de la plante
Eukaryotic cells are composed of several membrane-surrounded compartments. Each compartment has a unique physicochemical environment delimited by a membrane with a specific biochemical and biophysical identity. The membrane identity includes the nature of the lipids, the curvature, the electrostaticity and the density of lipids at the membrane. The identity of each membrane allows the proper localization of membrane-associated proteins. Phosphoinositides are rare anionic lipids present in membranes. Five types of phosphoinositides exist in plants - PI3P, PI4P, PI5P, PI(4,5)P2 and PI(3,5)P2 - depending of the number and the position of phosphates around the inositol ring. They accumulate differently at the plasma membrane and in intracellular compartments and interact with proteins through stereo-specific or electrostatic interactions. Recent work uncovered that PI4P concentrates according to an inverted gradient by comparison to their yeast and animal counterpart. In plants, PI4P massively accumulates at the plasma membrane and is present in fewer amounts at the trans-Golgi Network (TGN). This PI4P accumulation at the cell surface drives the plasma membrane electrostatic field, which in turn recruits a host of signalling proteins to this compartment. Moreover the plant TGN is the place of vesicular secretion but is also involved in endocytic sorting and recycling, which might imply regulatory mechanisms of lipid exchanges or membrane identity maintenance between the plasma membrane and the TGN. Here, we characterized PI4Kα1 mutants and showed that pi4kα1 loss-of-function leads to pollen grain lethality and distortion in the allele transmission via the female gametophyte, while its knockdown displayed strong developmental phenotypes. Using yeast two hybrid screening and mass spectrometry, we identified that PI4Kα1 is part of an heterotetrameric complex composed of NO POLLEN GERMINATION (NPG), EFR3 OF PLANTS (EFOP) and HYCCIN (HYC). The interaction between PI4Kα1 and the structural subunits of the complex is essential to target PI4Kα1 at the plasma membrane. In addition, we showed that PI4Kα1 complex is anchored in immobile and predefined subdomains of the plasma membrane. This work opens new perspectives on the role of the PI4Kα1 complex in plasma membrane suborganization

Les remorines (REMs) sont des protéines multifonctionnelles qui jouent des rôles essentiels dans l'immunité des plantes, le développement et la symbiose en s'associant à la membrane plasmique et en séquestrant des lipides spécifiques dans des nanodomaines membranaires fonctionnels. Ces protéines sont classées dans une famille multigénique avec six groupes caractérisés par des compositions distinctes de domaines de protéines. Tous les membres de la famille des REMs partagent une ancre membranaire C-terminale (REM-CA), un domaine d'homo-oligomérisation, et une région N-terminale intrinsèquement désordonnée (IDR) de longueur variable. De manière unique, les REMs contournent la voie sécrétoire pour cibler la membrane et se localisent dans distincts nanodomaines en fonction de leur groupe phylogénétique. Dans cette étude, nous avons combiné la spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), les calculs de structure de protéines et des simulations avancées de dynamique moléculaire (MD) pour révéler les propriétés de structuration et de dynamiques des REMs. Nous avons découvert que les REMs forment des dimères stables pré-structurés en coiled-coil dans le cytosol, qui agissent comme des unités modulables pour cibler des nanodomaines. Ces dimères présentent, avant l'association avec la membrane, une charge positive de la surface en forme de code-barres, dépendante des REMs. En outre, les REM-CA montrent des variations en structures et dynamiques au sein de la famille, fournissant une plateforme sélective pour l’association avec les phospholipides lors du contact avec la membrane. L'IDR N-terminale forme un ensemble structural flexible en forme de « fuzzy coat » autour du coeur coiled-coil. Les ancres C-terminales créent une avidité à travers des interactions électrostatiques multivalentes entre les groupes des lipides anioniques et la surface chargée positivement du dimère, indiquant un mécanisme synergique entre REM-CA et le domaine coiled-coil pour ségréguer les nanodomaines lipides-protéines. La RMN du solide et les simulations MD à gros grain de REMs sur la membrane lipidique ont également révélé le comportement distinct des REM-CA lorsqu'ils sont associés aux lipides de la membrane. Nous observons des différences dans les profils d'association des REM-CA et des coiled-coils chargés à la membrane, en fonction des charges de surface du dimère et des lipides présents dans la membrane. La stabilité du coiled-coil et l'intensité de l'association à la membrane sont modulées par les groupement des tête chargées des lipides présents à la surface de la membrane. Ces découvertes améliorent notre compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents au rôle des REMs dans l'organisation de la membrane des plantes, des localisations séléctives des REMs dans les nanodomaines des membranes et des facteurs structurales contribuant aux différentes fonctions des remorines. Cette recherche propose une base pour de futures études visant à élucider les comportements complexes des REMs associés aux membranes et les ajustement des structures lors des mécanismes de signalisation et de défense cellulaires
Remorins are multifunctional proteins that play vital roles in plant immunity, development, and symbiosis by associating with the plasma membrane and sequestering specific lipids into functional membrane nanodomains. These proteins are classified into a multigenic family with six groups characterized by distinct protein-domain compositions. All remorin family members share a C-terminal membrane anchor (REM-CA), a homo-oligomerization domain, and the N-terminal is an intrinsically disordered region (IDR) of variable length. Uniquely, REMs bypass the secretory pathway for membrane targeting and localize to different nanodomains based on their phylogenetic group. In this study, we combined Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, protein structure calculations, and advanced molecular dynamics (MD) simulations to reveal the structural and dynamic properties of REMs. We discovered that remorins form stable pre-structured coiled-coil dimers in the cytosol, which act as tunable nanodomain-targeting units. These dimers feature a REM-dependent barcode-like positive surface charge before membrane association. Furthermore, the REM-CAs exhibit structural and dynamic variations across the family, providing a selective platform for phospholipid binding upon membrane contact. The N-terminal IDR forms a flexible fuzzy structural ensemble around the coiled-coil core. The C-terminal anchors create avidity through multivalent electrostatic interactions between anionic lipid headgroups and the positively charged dimer surface, supporting a synergistic mechanism between REM-CA and the coiled-coil domain to segregate lipid-protein nanodomains. Solid-state NMR and coarse-grained MD simulations further revealed the distinct behavior of REM-CAs when associated to the lipid membrane. We observe differences in membrane association profiles of the REM-CAs and of the charged coiled-coils dependent on the dimer surface charges and dependent on the lipids present in the membrane. Coiled-coil stability and the intensity of membrane association is tuned by the lipid headgroups on the membrane surface. The insights enhance our understanding of the molecular mechanisms underlying the role of remorins in membrane organization in plants, the distinct localizations of remorins in membrane nanodomains and the structural factors contributing to the different remorin functions. This research lays the groundwork for future studies to elucidate the complex behaviors of membrane-associated REMs and their structural tuning during cellular signaling and defense mechanisms

Les rafts lipidiques sont des nanodomaines membranaires enrichis en cholestérol et en sphingolipides impliqués dans la régulation de la signalisation médiée par le TCR. Néanmoins l'existence et la fonction de ces domaines sont sujettes à controverse compte tenu des difficultés expérimentales pour les étudier in vivo. En utilisant des traitements non invasifs ciblant spécifiquement la voie de biosynthèse de ces lipides, nous avons étudié l'influence de l'organisation latérale de la membrane sur l'activation lymphocytaire T. Par des approches biophysiques, nous avons démontré au sein de lymphocytes T primaires CD4+, que les molécules TCR, CD4 et Lck sont constitutivement partitionnées dans les rafts lipidiques dont est exclue CD45. De plus, cette préorganisation moléculaire modifie les paramètres d'adhésion entre le TCR. Pour étudier le rôle de ces structures au sein de cellules individuelles, nous avons développé une nouvelle méthodologie permettant de détecter et d'analyser à haut débit et de manière automatique la réponse calcique des cellules T. Nous avons confirmé l'influence des rafts membranaires dans la signalisation TCR par les rafts lipidiques joue un rôle majeur dans l'initiation de la reconnaissance antigénique des cellules T
Lipid rafts are membrane nanodomains enriched in chrolesterol and sphingolipids, which ahave previously been implanted in TCR signaling mechanisms. This contention, however, has beacome highly controversial due to experimental difficulties to study these membrane organizations in vivo. Using non invasive treatments that target specific lipid biosynthesis, we have studied the influence of lateral membrane organization in T lymphocyte activation. By using biophysical approaches, we have demonstrated that in murine CD4+Tcelles, TCR, CD4 and Lck are constitutively and dynamically trapped in lipid rafts, whereas CD45 is excluded. Moreover, this pre-organization impacts binding of TCR to the MHC II-peptide complex and controls the initiation of early TCR signaling. To investigate the role of these structures within individual live cells, we have developed a new high throughput methodology to monitor the calcium mobilization in T cells. We have confirmed the influence of membrane rafts in TCR signaling. Our results have thus demonstrated that pre-organization of TCR signaling protagonists by lipid rafts play a major role in the initiation of T cell antigen recognition

Tese de doutoramento, Química (Bioquímica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015
The lateral organization of lipid bilayers into domains, such as lipid rafts or gel domains, and how they influence the properties and function of membranes is a current topic in biophysics. In this work, the properties of single and multicomponent lipid bilayers (whether supported on a solid substrate or free in solution as liposomes) exhibiting different phase behavior were studied by a wide range of characterization techniques – atomic force microscopy, ellipsometry, cyclic voltammetry, quartz crystal microbalance, surface plasmon resonance and fluorescence spectroscopy. The phase diagram for the binary mixture 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) / N-octadecanoyl(2S,3S,4R)-2-amino-1,3,4-octadecanetriol (Phytoceramide (PhyCer)) is proposed by combining data from different techniques. The formation of complexes between POPC and PhyCer with properties similar to those found for gel domains in vivo is anticipated. These POPC/PhyCer complexes occur at two distinct stoichiometries, 3:1 and 1:2. The influence of membrane lateral organization was investigated in the context of the interaction of small molecules with lipid bilayers, namely ethanol and epinephrine. The effects of ethanol were studied in supported lipid bilayers (SLB) formed on mica spanning a phase behavior from single fluid to liquid ordered (lo) / liquid disordered (ld) phase coexistence. It was concluded that the lateral organization of lipids into domains, but not the specific lipid composition, plays a determinant role on the effects induced by ethanol. Another purpose of this work was to study the properties of supported lipid bilayers (SLB) formed on gold surfaces. For the first time raft-containing SLB were formed directly on bare gold and the substrate seems to influence the properties of the lipid bilayer since an unexpected proportion of lipid domains was obtained and corrugations were observed in the liquid disordered phase. A lipid-based biosensing interface consisting on a SLB formed on top of a L-cysteine-modified gold was also developed for the detection of membrane-interacting electroactive molecules.The interaction of epinephrine, an electroactive molecule, was evaluated using both liposomes and SLB formed on Lcysteine-modified gold. Despite the weak interaction between epinephrine and liposomes as determined by fluorescence spectroscopy, its redox signal could be clearly detected by cyclic voltammetry when adsorbed on SLB of various compositions. Moreover, voltammetric data allowed to estimate a membrane/water partition coefficient for epinephrine. The results presented show how lateral membrane organization and composition may influence its function and properties.

The complexity of cell membranes is far from being only a simple assembly of lipids and proteins separating cells from the surrounding environment. Each of the thousands of different membrane components performs its specific role in cellular functions, since a multitude of biological processes is mediated by membranes. The understanding of the molecular basis of these processes is one of the important aims of current biological research. Our research employing single- molecule fluorescence methods (e.g. FCS, FCCS, FLIM-FRET) has made a contribution to the knowledge of membrane lateral organization or mechanism of membrane fusion. Furthermore, we revealed the mechanism of membrane activity of a small natural compound. As native cell membranes are very complex structures, we performed the experiments on simplified model lipid membranes that allow studying lipid-lipid or lipid-protein interactions at the molecular level in a controlled way. The first part of this thesis deals with the mode of action of a membrane active secondary metabolite didehydroroflamycoin (DDHR). We demonstrated that DDHR is a pore-forming agent and that this activity is influenced by the presence of cholesterol. Direct visualization of intrinsic fluorescence of DDHR revealed its preferential partitioning into membrane areas...