Analyse structurale des régions prédites comme dépliées de l’enveloppe nucléaire : exemple de l’émerine et de la lamine A.

Structural analysis of regions predicted as unfolded at the nuclear envelope : example of emerin and lamin A.

• Auteur / Autrice : Florian Celli
• Direction : Sophie Zinn-Justin, Javier Perez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Soutenance le 23/11/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Herman Van Tilbeurgh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Zinn-Justin, Javier Perez, Herman Van Tilbeurgh, Karima Djabali, Bruno Kieffer, Nathalie Sibille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karima Djabali, Bruno Kieffer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés physico-chimiques

Protéines

Résonance magnétique nucléaire

Enveloppe nucléaire

Mots clés libres

Lamine A

Rmn

Enveloppe nucléaire

Emerin

Lamin A

Nmr

Nuclear envelope

Post-Translational modifications

Résumé

Les lamines sont le principal composant du nucléosquelette. Elles sont principalement localisées à l’enveloppe nucléaire, où elles interagissent avec la membrane nucléaire interne, les protéines associées à la chromatine ainsi qu’avec des modulateurs de la signalisation cellulaire. Le gène LMNA code pour la prélamine A et la lamine C. La région C-terminale de la prélamine A est prédite pour être désordonnée et est la cible de plusieurs événements de maturation. En effet, la protéine est farnésylée, coupée, carboxyméthylée, puis coupée à nouveau ; perdant finalement son groupement farnésyl. Un mutant de cette protéine, dont 50 acides aminés sont manquants, est responsable du syndrome d’Huchtinson-Gilford, appelé progéria (Eriksson et al., 2003). Chez ce mutant, appelé progérine, le site de coupure finale est absent et la protéine reste constitutivement farnésylée. La lamine A est connue pour interagir avec la protéine de la membrane nucléaire interne, l’émerine. L’absence d’émerine est responsable de la dystrophie musculaire d’Emery Dreifuss. L’émerine contient un LEM, suivi d’une région prédite comme désordonnée, essentielle pour l’auto-assemblage de l’émerine (Berk et al., 2014). L’oligomérisation de l’émerine régule ses interactions avec plusieurs partenaires à la membrane nucléaire interne et à la chromatine. Nous avions auparavant démontré que la région nucléoplasmique de l’émerine peut s’auto-associer pour former des filaments in vitro (Herrada et al., 2015) et nous avons récemment révélé que ces filaments sont capables d’interagir directement avec la queue de la lamine A (Samson et al., 2018). Ici, je me suis intéressé à l’analyse structurale des régions prédites comme désordonnées chez (1) l’émerine (2) la prélamine A. Dans le cas de l’émerine, j’ai analysé la conformation de la région nucléoplasmique d’émerine avant et après auto-assemblage, en travaillant avec l’émerine sauvage et plusieurs mutants entraînant des myopathies. J’ai montré que deux fragments de l’émerine 1-187 et 67-221 peuvent polymériser, tandis que leur région commune 67-187, reste toujours monomérique dans nos conditions (Samson et al., 2018). Nous avons aussi montré que le domaine LEM est au moins partiellement déplié au cours de l’assemblage de la région 1-187. J’ai également attribué les signaux RMN de la région désordonnée 67-170, dans le but d’étudier par la suite l’impact des phosphorylations de cette région sur la structure de l’émerine et sur ses propriétés d’auto-assemblage (Samson et al., 2016). Dans le cas de la lamine A, j’ai étudié la région C-terminale de la prélamine A, prédite comme dépliée et qui est le siège de nombreuses modifications post-traductionnelles. J’ai attribué les signaux RMN du peptide prélamine A ainsi que de son mutant progérine (Celli et al., 2018). J’ai montré que ces deux peptides sont en effet déplés et possèdent une hélice  transitoire très conservée. Je propose cette hélice comme site de liaison pour un partenaire encore non identifié. J’ai également démontré que le peptide prélamine A possède une tendance à s’auto-assembler. Cependant, la prélamine A et le peptide progérine sauvages et farnésylés, n’interagissent pas avec le domaine IgFold de la lamine A ni avec BAF, deux domaines associés avec la progéria. J’ai étudié par la suite les interactions de ces peptides avec deux autres partenaires associés à la progéria : la protéine de la membrane nucléaire interne SUN1 et la protéine associée à la chromatine RBBP4. SUN1 est également intrinsèquement désordonnée et très peu soluble dans nos conditions. Les résultats montrent que le peptide prélamine A ne lie pas RBBP4 mais pourrait avoir besoin de la partie C-terminale qui la précède. Cependant, RBBP4 lie directement le partenaire de la lamine BAF. Sur les bases de ces résultats, je propose une série d’expériences pour identifier les détails moléculaires des interactions entre la queue C-terminale de la lamine A, BAF et RBBP4.

Lamins are the main components of the nucleoskeleton. They are primarily located at the nuclear envelope, where they interact with inner nuclear membrane proteins, chromatin-associated proteins and cell signaling modulators. The LMNA gene codes for prelamin A and lamin C. The C-terminal region of prelamin A is predicted to be unfolded and is the target of several maturation events. Indeed, the protein is farnesylated, cleaved, carboxymethylated and cleaved again; losing eventually its farnesyl group. A mutant of this protein, lacking 50 amino acids, is responsible for the Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome (Eriksson et al., Nature 2003). In this mutant, called progerin, the final cleavage site is absent and the protein stays constitutively farnesylated. Lamin A is reported to interact with the inner nuclear membrane protein emerin. Lack of emerin is responsible for Emery Dreifuss Muscular Dystrophy. Emerin contains a folded LEM domain, followed by a region that is predicted to be disordered and is essential for emerin self-assembly (Berk et al., 2014). Emerin oligomerization regulates its interaction with several partners at the inner nuclear membrane and at the chromatin. We previously showed that the nucleoplasmic region of emerin can self-assemble to form curvilinear filaments in vitro (Herrada et al., 2015) and we recently revealed that these filaments are able to directly bind to the lamin A tail (Samson et al., 2018).Here I focused on the structural analysis of regions that are predicted to be unfolded in (1) emerin, (2) prelamin A. In the case of emerin, I analysed the conformation of the nucleoplasmic region of emerin before and after self-assembly, working on wild-type emerin as well as several mutants causing myopathies. I showed that the two fragments of emerin 1-187 and 67-221 were able to self-assemble, whereas their common region, 67-187, is always a monomer in our conditions (Samson et al., 2018). I also revealed that the LEM domain is at least partially unfolded during self-assembly of region 1-187, as a mutant with a destabilized LEM domain self-assembles faster and a mutant with a LEM domain locked in its folded conformation cannot self-assemble (Samson et al., 2017). I also assigned all the NMR signals of the unfolded region 67-170, in order to further study by NMR the impact of phosphorylation of this region on emerin structure and self-assembly properties (Samson et al., 2016). In the case of lamin A, I studied the C-terminal region of prelamin A that is predicted as unfolded and is heavily post-translationally modified. I assigned the NMR signals of this prelamin A peptide as well as its mutant peptide corresponding to the progerin sequence (Celli et al., 2018). I showed that both peptides are indeed unstructured and exhibit a partially populated  helix that has a highly conserved sequence. I propose that this helix is a binding site for a yet unidentified partner. I also revealed that the prelamin A peptide has a tendency to self-assemble. However, the monomeric prelamin A and progerin peptides, wild-type as well as farnesylated, do not interact with the immunoglobulin-like domain of lamin A/C and with BAF, two domains associated with progeria. Then, I investigated the interactions mediated by these peptides and two other important partners associated to progeria: the inner nuclear membrane SUN1 and the chromatin-associated protein RBBP4. However, SUN1 is also intrinsically disordered and poorly soluble in our conditions. First results showed that the prelamin peptide does not bind to RBBP4 but might need the remaining part of the lamin A tail for this interaction. However, RBBP4 directly binds to the lamin partner BAF. Based on my results, I propose a set of experiments to identify the molecular details of the interactions between the lamin A tail, BAF and RBBP4.