Dynamique conformationnelle distincte des domaines ATPase SMC1A et SMC3 de la Cohésine humaine

Distinct conformational dynamics of human Cohesin SMC1A and SMC3 ATPase domains

• Auteur / Autrice : Marina Jacinta Vitoria Gomes
• Direction : Christophe Romier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 06/10/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Joanna Timmins
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Lebars, Frédéric Beckouët
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joanna Timmins, Christian Häring

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions ADN-protéine

Génétique moléculaire

Cohésine

Mots clés libres

Organisation du génome

Chromatine

Complexes SMC

Cohésine

Activité ATPase

Domaine superhélice

Changements conformationnels

Porte de sortie de l’ADN

Genome organization

Chromatin

SMC complexes

Cohesin

ATPase activity

Coiled coils

Conformational changes

DNA exit gate

Résumé

Le complexe de cohésine fait partie de la famille des complexes protéiques de maintenance structurelle des chromosomes (SMC), qui s'associent à la chromatine et jouent un rôle vital dans l'organisation 3D du génome et dans le maintien de sa stabilité et de son intégrité. La cohésine est notamment impliquée dans des processus majeurs de régulation du génome, tels que la cohésion des chromatides soeurs, la ségrégation des chromosomes, la régulation de l’expression des gènes et l'organisation de la structure de la chromatine. Les fonctions de la cohésine dépendent de l'activité de liaison et d'hydrolyse de l'ATP par son module ATPase, qui est composé des têtes ATPase des sous unités coeur SMC1A et SMC3, liées respectivement aux domaines C- et N-terminaux de la kleisine RAD21. L'activité ATPase de la cohésine entraîne d'importants changements structurels au sein du complexe, qui permettent l'association dynamique de la cohésine avec la chromatine. Cependant, les bases moléculaires de la liaison et de l'hydrolyse de l'ATP par SMC1A et SMC3 et des modifications structurelles qui y sont associées restent mal comprises. Pendant mon travail de thèse, j’ai analysé la liaison et l’hydrolyse de l’ATP par les domaines ATPase SMC1A et SMC3 de la cohésine humaine, par des méthodes biochimiques, biophysiques et structurales. J’ai résolu des structures cristallographiques des domaines ATPase de SMC1A et de SMC3, sous leur forme non liée et liée à l’ADP et à l’ATPγS, un analogue de l’ATP. Mes résultats montrent les changements structuraux qui ont lieu lors de la fixation et de l’hydrolyse de l’ATP en ADP. De plus, mes résultats soulignent les différences dans la liaison et l’hydrolyse de l’ATP par SMC1A et SMC3, ainsi que leurs changements conformationnels distincts, notamment par la révélation d’une conformation jusqu’alors jamais observée de la porte de sortie de l’ADN du complexe cohésine. Dans leur ensemble, les résultats issus de mes travaux de thèse fournissent de nouvelles connaissances au niveau moléculaire dans le cycle ATPase de ce moteur moléculaire essentiel.

The cohesin complex is part of the family of Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) protein complexes that associate with chromatin and have vital roles in 3D genome organization and in the maintenance of its stability and integrity. Cohesin is notably involved in major genome regulation processes such as sister chromatid cohesion, chromosome segregation, transcription regulation, and chromatin structure organization. The cohesin functions strongly depend on the ATP binding and hydrolysis activity of its composite ATPase module, which is composed of the ATPase heads of theSMC1A and SMC3 core subunits, bound to the C- and N-terminal domains of the kleisin RAD21, respectively. The cohesin ATPase activity is known to drive important structural changes in the complex architecture, thus enabling the dynamic association of cohesin with chromatin. However,the molecular basis of ATP binding and hydrolysis by SMC1A and SMC3 and their associated structural changes within cohesin remain poorly understood. Throughout my thesis work, I investigated the ATP binding and hydrolysis properties of the human cohesin SMC1A and SMC3 ATPase domains by using biochemical, biophysical, and structural methods. I solved the crystallographic structures of human SMC1A and SMC3 ATPase heads in their apo, ADP-bound, and an ATP analog, ATPγS-bound conformations, thus revealing specific structural changes upon ATP binding and its hydrolysis into ADP. Additionally, my results highlight the differences in ATP binding by SMC1A and SMC3 and their distinct conformational dynamics, and reveal a so far unidentified conformation of the DNA exit-gate from the cohesin ring. Altogether, my thesis results provide novel molecular insights into the ATP binding, hydrolysis, and release cycle of this essential molecular motor.