Protein symmetrization as a novel tool in structural biology

par Francesca Coscia

Thèse de doctorat en Biologie structurale et nanobiologie

Sous la direction de Carlo Petosa et de Guy Schoehn.

Soutenue le 04-12-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Institut de biologie structurale (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Irina Gutsche.

Le jury était composé de Carlo Petosa, Stéphane Bressanelli.

Les rapporteurs étaient Anthony Watts, Elena Orlova.

  • Titre traduit

    La symétrisation des protéines : un nouvel outil pour la biologie structurale


  • Résumé

    La détermination de la structure des protéines à une résolution atomique est cruciale pour la compréhension de leur fonction cellulaire. Actuellement, la cristallographie aux rayons X est la méthode la plus efficace pour la détermination à haute résolution de la structure de protéines monomériques allant 40 et 100 kDa. Par contre, elle est limitée par la croissance de cristaux de bonne qualité, qui est problématique pour nombreuses cibles. La cryo-microscopie électronique (cryoME) permet la détermination structurale à résolution quasi-atomique de larges structures protéiques, de préférence symétrique et en solution. Cependant, les images de cryoME sont très bruitées, car une faible dose d'électrons est appliquée de manière à limiter les dommages d'irradiation. En moyennant des dizaines d'images correspondant à la même orientation moléculaire, le rapport signal sur bruit est amélioré. La combinaison des images moyennées de plusieurs orientations permet l'obtention d'une carte de densité électronique 3D de la molécule d'intérêt. Si la taille et la symétrie de la molécule diminuent, l'analyse cryoME devient de moins en moins précise, il est alors impossible d'analyser des protéines monomériques de taille inférieure à 100 kDa. Le but de ce travail a été de développer une nouvelle approche pour réduire cette limite de poids moléculaire. Elle consiste à fusionner la protéine d'intérêt (cible) à une matrice homo-oligomérique, générant une particule symétrique et de taille importante adaptée à l'analyse par cryoME. Dans cette thèse, nous avons cherché à tester et démontrer la faisabilité de cette approche de symétrisation en utilisant des protéines cibles de structure connue.Pour mettre en place notre étude pilote, nous avons choisi différentes combinaisons de cibles et de matrices connectées par des peptides de liaison (linker) de longueur différentes. Nous avons caractérisé les fusions exprimées en bactéries par microscopie électronique après coloration négative et par plusieurs techniques biophysiques. Grace à ces techniques, nous avons trouvé que la meilleure combinaison est la fusion entre la protéine matrice glutamine synthétase (GS), un 12-mer de symétrie D6 et la cible maltose binding protein (Mbp), connectées par un linker contenant trois alanines, que nous avons appelée « Mag ». En jouant sur la longueur du linker nous avons ensuite sélectionné la fusion la plus compacte pour l'analyse cryoME: MagΔ5. Nous avons obtenu la carte cryoME à 10 Å de MagΔ5, qui présente une bonne corrélation avec les modèles atomiques de Mbp et GS. Plus particulièrement, le site catalytique et quelques hélices α sont identifiables. Ces résultats sont confirmés par l'étude cristallographique que nous avons conduite sur MagΔ5. L'ensemble de ce travail souligne que la présence d'une grande interface d'interactions cible-matrice stabilise la fusion et améliore la résolution en cryoME. Pour la symétrisation d'une cible inconnue, nous envisageons la même procédure expérimentale que celle développée pour MagΔ5. La matrice et le linker les plus adaptés devront être identifiés en utilisant les mêmes méthodes biophysiques.En conclusion, ce travail établit la preuve de concept que la méthode de symétrisation des protéines permet la détermination de la structure de protéines de poids moléculaire inférieur à 100 kDa par cryoME. Cette méthode a le potentiel d'être un nouvel outil prometteur, qui faciliterait l'analyse de cibles résistantes à l'analyse structurale conventionnelle.


  • Résumé

    Structural determination of proteins at atomic level resolution is crucial for unravelling their function. X-ray crystallography has successfully been used to determine macromolecular structures with sizes ranging from kDa to MDa, and currently remains the most efficient method for the high-resolution structure determination of monomeric proteins within the 40-100 kDa range. However, this method is limited by the ability to grow well diffracting crystals, which is problematic for several targets, such as membrane proteins. Single particle cryo electron microscopy (cryoEM) allows near atomic (3-4Å) resolution structural determination of large, preferably symmetric, assemblies in solution. Biological molecules scatter electrons weakly and, to avoid radiation damage, only low electron doses can be used during imaging. Consequently, raw cryoEM images are extremely noisy. However, averaging many molecular images aligned in the same orientation permits one to increase the signal-to-noise ratio, ultimately allowing the achievement of a 3D density map of the molecule of interest. Nevertheless, as the molecular size and degree of symmetry decrease, the individual images loose adequate features for accurate alignment. Currently, cryoEM analysis is practically impossible for monomeric proteins below ~100 kDa in mass. We propose to circumvent this obstacle by fusing such monomeric target proteins to a homo-oligomeric protein (template), thereby generating a self-assembling particle whose large size and symmetry should facilitate cryoEM analysis. In the present thesis we seek to test and demonstrate the feasibility of this ‘protein symmetrization' approach and to evaluate its usefulness for protein structure determination. To set up the pilot study we combined selected targets of known structure with two templates: Glutamine Synthetase (GS), a 12-mer with D6 symmetry and a helical N-terminus, and the E2 subunit of the pyruvate dehydrogenase complex, a 60-mer with icosahedral symmetry and an unstructured N-terminus. After recombinant production in E.coli we identified by negative stain EM a promising dodecameric chimera for structural analysis, comprising maltose binding protein (Mbp) connected to GS by a tri-alanine linker (denoted “Mag”). In order to optimize sample homogeneity we produced a panel of Mag deletion constructs by sequentially truncating the 17 residues between the Mbp and GS domains. A combination of biophysical techniques (thermal shift assay, dynamic light scattering, size exclusion chromatography) and negative stain EM allowed us to select the best candidate for cryoEM analysis, MagΔ5. By enforcing D6 symmetry we obtained a cryoEM map with a resolution of 10Å (FSC 0.5 criterion). The density of the symmetrized 40 kDa Mbp presents shape and features corresponding to the known atomic structure. In particular, the catalytic pocket and specific α-helical elements are distinguishable. The cryoEM map is additionally validated by a 7Å crystal structure of the MagΔ5 oligomer. The presence of a continuous helical connection between target (Mbp) and template (GS) likely contributed to the conformational homogeneity of MagΔ5. Moreover, comparing MagΔ5 with other chimeras studied in this work suggests that a large buried surface area and favorable interactions between the target and template limit the flexibility of the chimera and improve its resolution by cryoEM. For the symmetrization of a target of unknown structure, we envisage proceeding by a trial and error approach by fusing it to a panel of templates with helical termini and different surface properties, and subsequently selecting the best ones using biophysical assays. In conclusion, the present work establishes the proof-of-concept that protein symmetrization can be used for the structure determination of monomeric proteins below 100 kDa by cryoEM, thereby providing a promising new tool for analyzing targets resistant to conventional structural analysis.


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