Protéines infectieuses chez la levure Saccharomyces cerevisiae : un mal pour un bien ? Modulation de la propagation de prions de levure par le protéasome et les chaperons moléculaires durant la transition duauxique et la phase stationnaire

par Kai Wang

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Mehdi Kabani.

Le président du jury était Marc le Maire.

Le jury était composé de Mehdi Kabani, Marc le Maire, Isabelle Sagot, Anna Babour, Véronique Albanèse.

Les rapporteurs étaient Isabelle Sagot, Anna Babour.


  • Résumé

    Les prions sont des protéines qui suite à des changements de conformation acquièrent un caractère infectieux. Ils sont à l’origine de traits dominants, héritables de façon non-Mendélienne, chez les mammifères, les champignons filamenteux et les levures. Le mauvais repliement et l’agrégation des protéines sont à l’origine de plus de 40 maladies, parmi lesquelles on retrouve des maladies neurodégénératives telles que les maladies d’Alzheimer, de Parkinson et de Huntington. Il a été montré que les formes agrégées des protéines supposées responsables de ces maladies (i.e. peptide amyloïde-β, tau, α-synucléine, huntingtine) se propagent de cellule en cellule à la manière des prions. La levure Saccharomyces cerevisiae possède plusieurs prions qui sont autant d’excellents modèles biologiques pour la compréhension des mécanismes de formation et de propagation des prions.[PSI+] et [URE3], issus respectivement de la conversion sous forme prion du terminateur de la traduction Sup35p et d’un régulateur du métabolisme azoté Ure2p, sont à ce jour les deux prions les mieux documentés chez la levure. Les chaperons moléculaires et leurs co-chaperons modulent la formation, la réplication et la propagation des prions chez la levure. Cependant, l’élimination ou la dégradation de ces prions sont encore mal connus. Notre laboratoire a montré que le protéasome 26S est capable de dégrader les formes soluble et fibrillaire de Sup35p. Dans la première partie de ma thèse, nous avons étudié le rôle du protéasome 26S dans la dégradation des formes soluble et fibrillaire d’Ure2p. Nous avons montré que, comme pour Sup35p, le protéasome 26S dégrade Ure2p soluble en générant des peptides amyloïdes issus du domaine prion N-terminal ainsi qu’un fragment C-terminal résistant à la protéolyse. Nous avons montré que le domaine prion déstructuré est nécessaire pour la reconnaissance et la dégradation par le protéasome. Contrairement à ce qui avait été observé pour Sup35p, Ure2p sous sa forme fibrillaire est totalement résistante à la dégradation protéasomale. Nous suggérons que la variabilité structurale aux seins des particules de prions dans un contexte cellulaire dicte leurs interactions avec les machineries protéolytiques, et plus particulièrement avec le protéasome.Les prions de levure ont principalement été étudiés dans un contexte de cellules en division active. Cependant, dans la nature, la plupart des cellules sont retrouvées dans un état quiescent post-mitotique. Nous n’avons que très peu d’informations sur le devenir des particules de prions lorsque les cellules entrent dans un état quiescent. De même les conséquences physiologiques des prions sur la survie à long terme des levures sont très peu documentées. Dans la seconde partie de ma thèse, nous avons utilisé le prion [PSI+] comme modèle pour répondre à ces questions. Différentes conformations des agrégats de Sup35p conduisent à des souches phénotypiquement distinctes du prion [PSI+]. Nous avons constaté que les agrégats de Sup35p subissent des changements ultra-structuraux et fonctionnels au cours des différentes phases de croissance cellulaire. Ainsi, nous avons observés des changements importants dans la distribution de taille et dans l’infectiosité des polymères de Sup35p résistants au SDS formant les briques élémentaires du prion [PSI+]. Ces changements interviennent sans affecter les informations structurales spécifiques à chaque souche de prion [PSI+]. De façon remarquable, bien que [PSI+] n’affecte pas le taux de croissance des levures, ce prion semble prolonger significativement la durée de vie des levures. Cet effet bénéfique semble pouvoir se fixer de façon efficace et permanente dans les cellules et persister même après élimination de [PSI+]. La fixation génétique de caractéristiques épigénétiques induites par [PSI+] ont été déjà observées et l’ensemble de ces résultats suggère que [PSI+] (et éventuellement d’autres prions) peut jouer le rôle de capaciteurs évolutifs transitoires.

  • Titre traduit

    Infectious Proteins in the Yeast Saccharomyces Cerevisiae : a Blessing in Disguise ? Modulation of Yeast Prion Propagation by the Proteasome and Molecular Chaperons During Diauxic Shift and Stationary Phase


  • Résumé

    “Proteinaceous infectious particles”, or prions, are self-perpetuating alternate conformations of proteins that are responsible for heritable non-Mendelian traits in mammals, filamentous fungi and yeast. On a more general note, protein misfolding and aggregation is at the origin of over forty protein folding disorders including devastating neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s, Parkinson’s or Huntington’s diseases. The aggregated proteins responsible for these diseases (i.e. amyloid-β peptide/tau, α-synuclein and huntingtin) were shown to propagate from cell to cell in a prion-like manner. The yeast Saccharomyces cerevisiae hosts many prion or prion-like proteins, unrelated in sequence and function, which proved to be excellent models for understanding the dynamics of prion aggregation and distribution upon cell division.Sup35p and Ure2p which cause the [PSI+] and [URE3] heritable traits, respectively, stand out as the most studied and best characterized yeast prions to date. A plethora of cellular factors, mostly belonging to various molecular chaperone families, were shown to affect yeast prion formation and propagation. Clearance of protein aggregates and prion particles is however poorly understood and documented. Our laboratory showed that the 26S proteasome degrades both the soluble and prion-associated fibrillar forms of Sup35p. In the first part of my thesis, we investigated the role of the 26S proteasome in the degradation of the soluble and fibrillar forms of Ure2p. We found that, as with Sup35p, the 26S proteasome is able to degrade the soluble native Ure2p, generating an array of amyloidogenic N-terminal peptides and a C-terminal fragment which is resistant to proteolysis. The N-terminal prion domain was shown to act as a degron required for proteasomal engagement and degradation. In contrast to Sup35p, fibrillar Ure2p resisted proteasomal degradation. We expect the structural variability within prion assemblies in a cellular context to dictate their interaction with proteolytic machineries in general and the proteasome in particular.The biology of yeast prions has been mostly explored in the context of logarithmically dividing cells. In nature however, most cells are generally in a post-mitotic non-dividing quiescent state. Yet little is known about the fate and properties of prion particles upon yeast cells entry into the stationary or quiescent states and the physiological consequences of harboring these prions throughout the lifespan of yeast cells. In the second part of my thesis, we addressed this issue using the [PSI+] prion as a model. Structurally different conformers of Sup35p aggregates can lead to distinct [PSI+] strains with different prion phenotypes. We found that Sup35p prion particles undergo growth phase-dependent ultrastructural and functional changes. Indeed, the size distributions of SDS-resistant core-prion particles significantly change during growth without affecting the structural information specific to each prion strain. The infectious properties of Sup35p prion particles undergo dramatic growth phase-dependent changes. Importantly, we found that while [PSI+] has little to no effects on the growth rates of yeasts, it robustly prolongs their chronological lifespan. Furthermore, this beneficial effect can then be permanently and efficiently fixed in the cells even when [PSI+] is subsequently lost. Similar genetic fixation of [PSI+]-induced epigenetic characteristics were previously observed and suggested [PSI+] (and possibly other prions) can act as transient evolutionary capacitators.


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