Études structurales de protéines amyloïdes par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l’état solide

Structural studies of amyloid proteins by solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy

• Auteur / Autrice : Muhammed Bilal Abdul Shukkoor
• Direction : Antoine Loquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie et Biologie des Membranes et des Nanoobjets (Bordeaux ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Erick Dufourc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François-Xavier Theillet, Cameron Mackereth
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carole Gardiennet-Doucet, Vinesh Vijayan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biophysique

Chimie analytique

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Spectroscopie de RMN du solide

Chimie analytique

Biologie structurale

Biophysique

Fibres amyloïdes

Solid-State NMR spectroscopy

Analytical chemistry

Structural biology

Biophysics

Amyloid fibrils

Résumé

De nombreuses protéines fonctionnant en tant que monomères peuvent subir des transitions conformationnelles et s'auto-assembler en assemblages supramoléculaires pour servir différents objectifs. La formation d'assemblages amyloïdes a été associée à plusieurs maladies neurodégénératives mais aussi impliquée dans l'immunité innée chez les champignons, les mammifères, les bactéries et les insectes. Ce travail de thèse s'est concentré sur la caractérisation de la structure de différentes protéines amyloïdes en utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide. Les différentes protéines amyloïdes discutées dans cette thèse sont PGRP-LC, PGRP-LE, α-synucléine, β-synucléine et TDP-43. La première section discute des motifs amyloïdes de type RIP homotypic interaction motif (RHIM) récemment identifiés et présents dans la voie Imd contrôlant les voies de défense anti-bactérienne chez les insectes. L'objectif est de comprendre le mécanisme moléculaire de la voie Imd chez Drosophila melanogaster via la formation de structures amyloïdes. Nous utilisons une combinaison de techniques telles que les outils bioinformatiques, le marquage isotopique, la microscopie électronique, la microscopie à force atomique, la diffraction de fibres par rayons X et la RMN à rotation à l’angle magique pour étudier et obtenir des informations au niveau atomique sur ces fibres amyloïdes. Nos résultats fournissent des informations structurelles préliminaires sur l'assemblage fibrillaire de deux motifs amyloïdes de type RHIM, PGRP-LC et PGRP-LE, et nous permettent de discuter de la diversification structurelle évolutive des motifs amyloïdes à travers différents règnes. La deuxième partie de la thèse portera sur la famille des synucléines, avec les protéines neuronales α-synucléine et β-synucléine. Nous discuterons de la caractérisation structurelle d'une souche synthétique d'α-synucléine humaine récemment identifiée, capable d'ensemencer la fibrillation de l'α-synucléine à l'intérieur des compartiments nucléaires. Nous décrirons ensuite la caractérisation structurale détaillée des oligomères amyloïdes d'α-synucléine. Enfin, nous présenterons des études structurales préliminaires des fibrilles de β-synucléine. La dernière partie de cette thèse porte sur la caractérisation structurale par cryo-EM de fibres de TDP-43, purifiées à partir de la protéine entière. Dans l'ensemble, ce travail de thèse démontre la capacité de la RMN du solide, combinée à des techniques telles que la microscopie électronique ou l'analyse de séquences par coévolution, à fournir des informations cruciales afin de sonder la conformation des fibrilles amyloïdes.

Many proteins that function as monomers can undergo conformational transitions and self-assemble into supramolecular assemblies to serve different purposes. The formation of amyloid assemblies has been associated with several neurodegenerative diseases but has also been implicated in innate immunity in fungi, mammals, bacteria and insects. This thesis work has focused on the structural characterization of different amyloid proteins using solid-state nuclear magnetic resonance (NMR). The different amyloid proteins discussed in this thesis are PGRP-LC, PGRP-LE, -synuclein, -synuclein and TDP-43. The first section discusses the recently identified RIP homotypic interaction motif (RHIM)-like amyloid motifs present in the Imd pathway controlling anti-bacterial defence pathways in insects. The goal will be to understand the molecular mechanism of the Imd pathway from Drosophila melanogaster via the formation of amyloid structures. We use a combination of techniques such as computational tools, isotopic labelling, electron microscopy, atomic force microscopy, X-ray fiber diffraction, and magic angle spinning NMR to investigate and obtain atomic-level information about these amyloid fibrils. Our results provide preliminary structural insights into the fibrillar assembly of two RHIM-like amyloid motifs, PGRP-LC and PGRP-LE, and allow us to discuss the structural evolutionary diversification of amyloid motifs across different kingdoms. The second part of the thesis work will focus on the synuclein family, with the neuronal proteins α-synuclein and β-synuclein. We will discuss the structural characterization of a newly identified synthetic human α-synuclein fibril strain able to seed α-synuclein fibrilization inside the nuclear compartments. Then, we will describe the detailed structural characterization of α-synuclein amyloid oligomers. Finally, we will present preliminary structural studies of β-synuclein fibrils. The last part of the thesis deals with the structural characterization of TDP-43 fibrils obtained from the full-length protein using cryo-EM. Overall, this thesis work demonstrates the ability of solid-state NMR, combined with techniques such as electron microscopy or coevolution sequence analysis, to deliver crucial information to probe the conformation of amyloid fibrils.