Détermination de la relation entre désordre intrinsèque des protéines et fonction biologique : description à l'échelle atomique des trajectoires d'interactions moléculaires par résonance magnétique nucléaire (RMN) et la simulation moléculaire

Investigating the relationship between intrinsic protein disorder and biological function : mapping interaction trajectories at atomic resolution using nuclear magnetic resonance spectroscopy and molecular simulation

• Auteur / Autrice : Wiktor Adamski
• Direction : Martin Blackledge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Marc Jamin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thérèse Malliavin, Christian Griesinger, Cécile Breyton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Ferrage, Arthur G. Palmer III

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse

Protéines

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Protéines desordonnées

Dynamique

Flexibilite

Nmr

Disordered proteins

Md

Résumé

La thèse décrit la complexité de la dynamique locale des protéines dépliées sur des échelles de temps ps-ns sondées par relaxation RMN 15N dans des environnements macromoléculaires complexes dans une gamme de conditions. L'application de l'analyse sans modèle dépendant de la température aux taux de relaxation du squelette 15N révèle l'existence de trois modes dynamiques dominants, qui représentent les processus stochastiques conduisant à la perte de la fonction de mémoire du vecteur du squelette NH. Le profil dynamique distinct de la protéine dépliée à l'étude par rapport à celui précédemment étudié (JACS 2016), avec une queue ultra-flexible dominée par une dynamique simple ns, réaffirme l'affectation précédente des modes dynamiques aux mouvements de libration dans un puits de potentiel plat, échantillonnage dièdre local du squelette et des mouvements corrélés de plusieurs unités peptidiques (mouvements segmentaires). La modification systématique de la composition du milieu par addition de viscogène permet d'évaluer l'influence de l'encombrement sur la dynamique du squelette local de trois protéines dépliées, révélant à son tour un couplage étroit des mouvements du squelette local avec la dynamique du solvant à différentes échelles de temps et de longueur. Les constantes de proportionnalité associées à la décélération relative des fluctuations du squelette corrélées à la perturbation rotationnelle du solvant (coefficients de frottement) résultant de l'encombrement révèlent une dépendance séquentielle marquée, qui dans une bonne mesure est influencée par l'architecture moléculaire de la protéine dépliée. L'analyse est entièrement cohérente avec l'analyse sans modèle dépendant de la température développée précédemment et valide dans les limites de l'approximation adiabatique. L'orthogonalité des deux analyses (dépendant de la température et de la viscosité) permet de combiner l'expression reliant les échelles de temps du mouvement comme une fonction de la température et de la nanoviscosité du solvant à une seule équation d'Arrhenius-Einstein, permettant son application facile à l'analyse sans modèle des taux de relaxation 15N dans une gamme de conditions et de paramètres macromoléculaires. Relier les changements relatifs de viscosité à la perturbation relative de la dynamique du solvant, plutôt qu'à la concentration du viscogène, permet de prédire la dynamique locale des protéines dépliées dans des environnements macromoléculaires complexes de nature physico-chimique différente, au-delà de la gamme des conditions étudiées, avec application à la prédiction des fluctuations du squelette NH dans les phases cellulaires et condensées (JACS 2019). Le travail présenté met en lumière la dynamique complexe présentée par les protéines intrinsèquement désordonnées dans des conditions environnementales complexes sur des échelles de temps de la pico à la nanoseconde.

The thesis describes the intricacy of local dynamics of unfolded proteins on ps-ns timescales probed by 15N NMR relaxation in complex macromolecular environments across a range of conditions. Application of temperature-dependent Model-Free analysis to 15N backbone relaxation rates, reveals existence of three dominant dynamic modes, which represent the stochastic processes leading to loss of memory function of the NH-backbone vector. The distinct dynamic profile of the unfolded protein under investigation to the one previously studied (JACS 2016), featuring ultra-flexible tail dominated by single ns dynamics, reaffirms previous assignment of the dynamic modes to librational motions in a flat potential well, local dihedral sampling of the backbone and correlated motions of several peptide units (segmental motions). Systematic modification of the composition of the medium by addition of viscogen allows to assess the influence of crowding on local backbone dynamics of three unfolded proteins, in turn revealing tight coupling of local backbone motions to the solvent dynamics on different length- and timescales. The proportionality constants associated with relative deceleration of correlated backbone fluctuations to the rotational perturbation of the solvent (friction coefficients) arising due to crowding reveal marked sequence-dependence, which to a good extent are influenced by the molecular architecture of the unfolded protein. The analysis is fully consistent with the previously developed temperature-dependent Model-Free analysis and valid within the bounds of adiabatic approximation. The orthogonality of the two analyses (temperature- and viscosity-dependent) allows to combine the expression relating the timescales of motion as a function of temperature and solvent nanoviscosity to a single Arrhenius-Einstein equation, allowing its facile application to the Model-Free analysis of 15N relaxation rates across a range of conditions and macromolecular settings. Relating the relative changes in viscosity to the relative perturbation of the solvent dynamics, rather than to the concentration of the viscogen, allows to predict the local dynamics of unfolded proteins in complex macromolecular environments of different physicochcemical nature, beyond the range of conditions studied, with application in prediction of NH-backbone fluctuations in cell and in condensed phases (JACS 2019). The presented work sheds light on the complex dynamics exhibited by intrinsically disordered proteins in complex environmental conditions on pico- to nanosecond timescales.