Structure of bio-macromolecular complexes by solid-state Nuclear Magnetic Resonance

par Emeline Barbet-Massin

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Guido Pintacuda.

Soutenue le 03-05-2013

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) .

Le président du jury était Lyndon Emsley.

Le jury était composé de Guido Pintacuda, Lyndon Emsley, Lucia Banci, Tatyana Polenova, Sonia Longhi.

Les rapporteurs étaient Lucia Banci, Tatyana Polenova.

  • Titre traduit

    Structure de complexes biologiques macromoléculaires par Résonance Magnétique Nucléaire du solide


  • Résumé

    La RMN du solide a récemment émergé en tant que technique très puissante en biologie structurale, permettant de caractériser au niveau atomique des systèmes qui ne peuvent être étudiés par d’autres méthodes. Des protocoles spécifiques à la RMN du solide sont à présent bien établis pour la préparation des échantillons, l’attribution des spectres et l’acquisition de contraintes structurales. Ensemble, ces protocoles ont ouvert la voie aux premières déterminations de structures tridimensionnelles de molécules biologiques à l’état solide avec une résolution atomique, et ce non seulement pour des échantillons protéiques microcristallins, mais également pour des systèmes plus complexes tels que des fibrilles ou des protéines membranaires.La détermination structurale de tels systèmes est cependant encore loin d’être une routine, et des avancées de plus large ampleur sont attendues grâce à des développements aux niveaux méthodologique et matériel. Pour cette raison, une majeure partie du travail présenté dans cette thèse a été consacrée au développement d’expériences à la fois nouvelles et sophistiquées pour améliorer la sensibilité et la résolution des méthodes déjà existantes pour attribuer les spectres et élargir les possibilités offertes par la RMN du solide en vue d’étudier la structure de systèmes protéiques plus larges. Ces développements reposent notamment sur l’utilisation de champs magnétiques très intenses et sur la rotation des échantillons à l’angle magique dans la gamme des très hautes vitesses angulaires. Nous montrons que dans ce cadre, il est possible de concevoir des expériences utilisant uniquement des champs radiofréquences à faible puissance ainsi que d’utiliser des transferts sélectifs, l’acquisition de corrélations à travers les liaisons chimiques et la détection proton.En particulier, nous montrons que des expériences de corrélation homonucléaire reposant sur des transferts scalaires deviennent une alternative compétitive aux expériences basées sur des transferts dipolaires. Deux nouvelles séquences d’impulsion permettant de détecter des corrélations 13C-13C à travers les liaisons chimiques avec une excellente résolution sont présentées; couplées à des transferts 15N-13C, elles permettent l’attribution des résonances de la chaîne principale des protéines avec une grande sensibilité.De plus, nous démontrons qu’il est possible d’obtenir des raies très fines pour les résonances de protons dans des protéines complètement protonées à l’état solide grâce à la rotation à l’angle magique à ultra-haute vitesse, sans avoir recours à la deutération. Dans ce contexte, nous avons développé de nouvelles stratégies permettant d’attribuer rapidement et de façon fiable les résonances des spins 1H, 15N, 13CO, 13CA et 13CB dans différentes classes de protéines, ainsi que pour mesurer des contraintes structurales à partir des distances entre protons. L’approche proposée repose sur la haute sensibilité des protons et accélère donc considérablement les processus d’attribution et de détermination structurale des protéines à l’état solide, comme illustré sur la protéine beta-2-microglobuline.Enfin, nous avons appliqué cette nouvelle approche pour réaliser l’attribution et l’étude structurale et fonctionnelle de trois catégories de complexes protéiques: les fibrilles amyloidogènes formées par beta-2-microglobuline, les nucléocapsides du virus de la rougeole, et les nucléocapsides d’Acinetobacter phage205. Nous avons également utilisé la technique de Polarisation Nucléaire Dynamique pour obtenir des informations sur l’ARN des nucléocapsides du virus de la rougeole.Nous considérons que les résultats présentés dans cette thèse représentent une avancée substantielle dans le domaine de la RMN du solide appliquée à la biologie structurale. Grâce aux progrès actuels dans ce domaine, l’impact de la RMN biomoléculaire à l’état solide promet d’augmenter dans les prochaines années.


  • Résumé

    Solid-state NMR has recently emerged as a key technique in modern structural biology, by providing information at atomic level for the characterization of a wide range of systems that cannot be investigated by other atomic-scale methods. There are now well established protocols for sample preparation, resonance assignment and collection of structural restraints, that have paved the way to the first three-dimensional structure determinations at atomic resolution of biomolecules in the solid state, from microcrystalline samples to fibrils and membrane-associated systems. These determinations are however still far from being routine, and larger breakthroughs are expected with further methodological and hardware developments. Accordingly, most of the work presented in this thesis consists of the development of new, sophisticated NMR experiments to improve the sensitivity and resolution of the currently existing schemes for resonance assignment and to extend the capabilities of solid-state NMR in terms of structural investigation of proteins for the analysis of large substrates. These developments notably rely on the use of very high magnetic fields and ultra-fast magic-angle spinning (MAS). We show the great potential of this particular regime, which enables the use of low-power experiments and the acquisition of selective cross-polarization transfers, through-bond correlations and 1H-detected correlations.In particular, we show that homonuclear correlation experiments based on through-bond transfers become competitive alternatives to dipolar transfer schemes. Two new pulse sequences that detect sensitive and resolved 13C-13C through-bond correlations are introduced, which coupled to 15N-13C dipolar transfer steps provide sensitive routes for protein backbone resonance assignment.Furthermore, we demonstrate that narrow 1H NMR line widths can be obtained for fully protonated proteins in the solid state under ultra-fast MAS, even without perdeuteration. In this context, we have developed new strategies for extensive, robust and expeditious assignments of the 1H, 15N, 13CO, 13CA and 13CB resonances of proteins in different aggregation states, and new schemes for the measurements of site-specific 1H-1H distance restraints. This approach relying on the very high sensitivity of 1H spins remarkably accelerates the processes of assignment and structure determination of proteins in the solid state, as shown by the assignment and de novo structure determination of native beta-2-microglobulin. Finally, we apply this new approach to perform resonance assignment and to study structural and dynamic features of three complex protein aggregates: amyloid fibrils formed by native and D76N beta-2-microglobulin, Acinetobacter phage 205 nucleocapsids and measles virus (MeV) nucleocapsids. We also used Dynamic Nuclear Polarization to obtain the first information about RNA in MeV nucleocapsids.We believe that the results presented in this thesis represent a substantial step forward for solid-state NMR in structural biology. With all the current advances in the field, the impact of biomolecular solid-state NMR is likely to increase in the next years.

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