Etudes des protéines Patched et SUFU impliquées dans la voie de signalisation Hedgehog

Study of proteins Patched and SUFU involved in the hedgehog signaling pathway

• Auteur / Autrice : Staëlle Sonia Makamté Kemdib
• Direction : Valérie Biou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moleculaires et cellulaires de la biologie. Biologie structurale et modélisation moléculaire
• Date : Soutenance le 20/03/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biologie physico-chimique des protéines membranaires (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Etchebest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Biou, Benoît Masquida, Wim Burmeister, Anne Plessis, Isabelle Mus-Veteau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Masquida, Wim Burmeister

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines de répression

Protéines Hedgehog

Dichroïsme circulaire

Récepteurs patched

Complexes récepteur-ligand

Dichroïsme circulaire

Rayons X -- Diffusion centrale

Mots clés libres

Voie de signalisation Hedgehog

Patched

Suppressor of Fused

SEC-MALS

Structure en solution

Hedgehog signalling pathway

Patched

Suppressor of Fused

SEC-MALS

Solution structure

Résumé

Parmi les voies de signalisation, la voie hedgehog (HH) intervient dans la formation de la polarité segmentaire. Si elle est défectueuse, elle entraine plusieurs malformations. De nombreux cancers présentent une suractivation de cette voie. La voie HH activée par la fixation du ligand HH sur le récepteur Patched (hPtc) et fait intervenir plusieurs partenaires cytoplasmiques dont Supressor of Fused (SUFU).Peu de données moléculaires et structurales sont disponibles pour cette voie et pourtant, ces données sont nécessaires pour comprendre sans ambiguïté son fonctionnement. De plus, la voie HH a été proposée comme pouvant être la cible de traitements chimio thérapeutiques mais, la protéine hPtc est impliquée dans l’efflux des drogues anticancéreuses. Une inhibition de hPtc par la fixation de son ligand entraine l’inhibition de l’efflux de drogues. Néanmoins, le site de fixation de HH sur son récepteur n’a pas encore été déterminé.Durant cette thèse, les travaux effectués ont permis l’étude structurale de la protéine hPtc notamment la détermination du site de fixation de HH. Dans un deuxième volet de cette thèse, j’ai effectué des études structurales de certaines protéines SUFU.Dans un premier temps, je me suis concentrée sur les domaines extracellulaires de hPtc qui ont été décrits comme nécessaires pour la fixation du ligand HH. J’ai cloné une protéine chimère constituée de ces deux domaines liés par le lysozyme du phage T4 (hPtcD1D2). Cette construction a été exprimée dans la bactérie E.coli. Les conditions d’expression testées permettent d’obtenir la protéine sous forme de corps d’inclusion dans le cytoplasme de la bactérie. Dans un deuxième temps, j’ai cloné la protéine dans un vecteur d’expression en levure. De manière concomitante, j’ai exprimé la protéine hPtc tronquée de ses régions N et C terminales (hPtcΛNΛC). Ce sont des régions intrinsèquement désordonnées qui ne permettraient pas une bonne cristallisation de la protéine. L’expression a été effectuée dans la levure. La solubilisation de cette protéine membranaire est en cours d’expérimentation.Ce travail a permis de poser les bases de l’expression de hPtcD1D2 et de hPtcΛNΛC. Ceci va notamment permettre la surexpression de la protéine et sa cristallisation afin de déterminer sa structure 3D et de caractériser le site de fixation de son ligand.Enfin, j’ai entrepris des études structurales des protéines SUFU. Un nouveau site de fixation du Zn a été caractérisé. En effet, après purification de la protéine, j’ai effectué des mesures d’affinité à l’aide d’un composé colorimétrique, le PAR et des expériences de spectroscopie d’émission atomique dans lesquelles j’ai fait varier le pH et la concentration en Zn. Ainsi, j’ai pu déterminer que SUFU a une affinité nanomolaire pour le Zn meilleure à pH 8 qu’à pH 6,5. La fixation du Zn se ferait donc sur un site basique. La structure de SUFU a été publiée en 2013 par deux équipes, je me suis inspirée des conditions de cristallisation de ces deux articles, pour cristalliser SUFU en présence de Zn. Les expériences de dichroïsme circulaire ont permis d’affirmer que ces protéines sont organisées en hélices α et en feuillets β. De plus, grâce à la diffusion des rayons X aux petits angles, j’ai pu déterminer que dSUFU, hSUFU et zSUFU n’ont pas la même conformation en solution. Alors que SUFU de drosophile est un monomère globulaire, les protéines humaine et de poisson zèbre seraient plutôt allongées et dimériques. La région N-terminale potentiellement impliquée dans la dimérisation de hSUFU a été tronquée et hSUFUΛ30 présente des différences d’état d’oligomérisation.

The hedgehog (HH) signalling pathway is involved in the segmentary polarity formation. A dysfunction of this pathway is involved in several malformations. Many cancers are caused by an overactivation of this pathway. The HH signalling pathway is activated by the binding of HH on the receptor Patched (hPtc) and included many cytoplasmic partners such as Suppressor of Fused (SUFU). Few molecular and structural data are available on this pathway even if these data are important to fully understand the pathway functioning. Furthermore, the HH signalling pathway maybe be the target of chemotherapy treatments. However, hPtc is involved in drugs efflux. Inhibition of hPtc by the binding of its ligand HH may lead to this efflux inhibition. Yet, the binding site of HH on its receptor hPtc is not yet determined.During this thesis, the structural study of hPtc have been engaged especially the study of the binding site of HH. On the second hand, I have structurally studied some SUFU proteins.First of all, I have expressed the extracellular domains of hPtc. These domains have been described as necessary for HH binding. I have cloned a chimeric protein made by the extracellular domains of hPtc associated with the lysozyme T4 (hPtcD1D2). This protein have been expressed in the E.Coli bacteria. The protein expressed in inclusion bodies in the cytoplasm of the bacteria. In the other hand, I have cloned the protein in a yeast expression vector. Part of this, I have also expressed the protein hPtc without its N and C terminus regions (hPtcNC). These regions are intrinsically disrupted. They may lead to crystallization problems. The protein has been expressed in yeast.This work permits to expressed hPtcD1D2 and hPtcΛNΛC. This will lead to the expression of the protein and its crystallisation in order to determine its 3D structure and to characterize its ligand binding site.Finally, I structurally studied the protein SUFU. A novel Zn binding site has been characterized. In fact, after the protein purification, I have made affinity measures using a colorimetric compound, PAR. I also performed spectroscopic experiments in which I varied the pH and the Zn concentration. I determined the SUFU has a nanomolar affinity for the Zn best at pH 8 than pH 6.5. Indeed, the Zn binding site may be basic.The SUFU 3D structure has been published in 2013 by two teams. Inspired by their crystallization conditions, I crystallized SUFU with Zn. Circular dichroism experiments permitted to know that the proteins are organized in  helices and  sheets. Moreover, small angles X ray spectroscopy experiments show that dSUFU, hSUFU and zSUFU did not have the same conformation in solution. Drosophila SUFU is globular and human and zebrafish SUFU are long and dimeric. The N-terminal region involved in hSUFU has been removed and hSUFUΛ30 is present in different oligomerization forms.