Évolution des phénomènes d’échanges conformationnels entre sous-familles et au sein d’une sous-famille de ribonucléases

Bernard, David (2019). Évolution des phénomènes d’échanges conformationnels entre sous-familles et au sein d’une sous-famille de ribonucléases Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 129 p.

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Résumé

Bien que le modèle clé-cadenas de fonctionnement des enzymes soit encore très prévalent de nos jours, la communauté scientifique reconnaît généralement les enzymes comme des macromolécules flexibles. Des mouvements allant de simples fluctuations browniennes de chaînes latérales à des réorganisations complètes du squelette polypeptidique sont impliqués directement ou indirectement dans la fonction de ces protéines. Toutefois, la compréhension du mécanisme derrière ces mouvements et de leur rôle dans la fonction enzymatique est généralement phénoménologique et restreinte aux mesures ayant été faites sur un nombre limité d’enzymes, et il demeure particulièrement complexe de prédire l’effet de mutations sur la fonction protéique en partie à cause du manque de compréhension sur ces mouvements intrinsèques. Le projet de recherche documenté dans la présente thèse a cherché à pallier à ces manquements via l’étude des changements de conformations au sein de nombreuses enzymes de la superfamille des ribonucléases A, et via la mise en parallèle de ces résultats avec l’analyse phylogénétique de ces enzymes. Nous présentons ici la caractérisation de la flexibilité conformationnelle de ces RNases, que nous avons effectuée au moyen de différentes expériences RMN et de simulations bioinformatiques. Les ensembles de RNases ainsi analysés englobent des enzymes phylogénétiquement éloignées et rapprochées, et nous présentons la toute première analyse quantitative des profils d’échange ainsi mesurés. Nous démontrons une divergence rapide de l’identité précise des résidus subissant des échanges conformationnels à l’échelle de la μs-ms ainsi que du taux auquel ces échanges se produisent. Cette divergence est présente à la fois entre RNases phylogénétiquement éloignées et rapprochées, et n’est pas nécessairement associée à une divergence des fonctions catalytique ou biologiques. Malgré tout, cette divergence dans les profils dynamiques des RNases n’est pas aléatoire, car une conservation de la compartimentalisation des résidus subissant des échanges est observée, et celle-ci est corrélée avec la conservation des fonctions biologiques. Les résultats de cette thèse démontrent que la pression évolutive est relativement permissive à l’intérieur de certaines limites quant à la conservation des changements de conformations chez les RNases, et cette permissivité pourrait être exploitable par l’ingénierie des protéines si les limites associées sont connues.

Even though the lock-and-key model for enzyme catalysis remains widespread nowadays, the scientific community usually recognizes enzymes as flexible macromolecules. Movements ranging from simple Brownian fluctuations of side chains to large-scale reorganizations of the protein backbone are directly or indirectly involved in protein function. However, the understanding of the mechanism behind these movements and of their role in enzyme function is usually phenomenological and limited to measurements that have been performed on a finite number of enzymes, and predicting mutagenesis consequences on protein function remains challenging partly because of this lack of understanding regarding these intrinsic movements. The research project documented in the current thesis tried to overcome these shortcomings through the study of conformational exchange within numerous enzymes of the ribonuclease A superfamily, and through the association of these results with the phylogenetic analysis of these enzymes. Here we present the characterization of RNase conformational flexibilities, which we performed using various NMR experiments and bioinformatics simulations. RNase ensembles thus analyzed encompass phylogenetically distant as well as close enzymes, and we present the first quantitative analysis of exchange profiles thus measured. We demonstrate a rapid divergence of exchanging residue identity and of exchange rates on the μs-ms timescale. This divergence is found between both phylogenetically distant and close RNases, and is not necessarily associated with a biological or catalytic function divergence. Nevertheless, this divergence in RNase dynamic profiles is not random, as a conservation of exchanging residue clustering is observed, and is correlated with biological function conservation. This thesis demonstrates that evolutionary pressure is relatively permissive within certain limits regarding the conservation of conformational exchanges in RNases, and this permissiveness could be used by protein engineering if the associated limits become known.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Doucet, Nicolas
Mots-clés libres:	Conformations transitoires, ECP, Enzymes, Échanges conformationnels, Évolution des protéines, Paysages conformationnels, Résonance magnétique nucléaire, Ribonucléases; Conformational exchange; Conformational landscapes; Nuclear magnetic resonance; Protein evolution; Transiant conformations
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	18 juill. 2023 14:07
Dernière modification:	18 juill. 2023 14:07
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13314

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