Incorporation de la beta alanine dans des polypeptides

par Giuliano Nigro

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Yves Mechulam et de Emmanuelle Schmitt.

Le président du jury était Magali Remaud.

Le jury était composé de Yves Mechulam, Emmanuelle Schmitt, Claude Sauter, Dominique Fourmy, Philippe Marlière.

Les rapporteurs étaient Claude Sauter.


  • Résumé

    Les cellules vivantes utilisent 20 acides α aminés canoniques lors de la synthèse ribosomale des protéines, même si dans de rares occasions, d’autres acides aminés (selenocysteine ou pyrrolysine) peuvent être utilisés. Le répertoire des acides aminés utilisables est donc assez restreint. Cela limite la possibilité de construire des protéines ayant de nouvelles propriétés. Une tendance forte dans le domaine de l’ingénierie des protéines est la construction de systèmes permettant d’incorporer des acides aminés non canoniques pendant la biosynthèse in vivo. Ces travaux ont connu d’importants succès, mais tous les acides aminés incorporés jusqu'aux années 2010 étaient des acides aminés α. L’incorporation d’acides aminés β à des sites spécifiques créerait une flexibilité supérieure à celle des acides aminés α dans la chaîne principale, ce qui augmenterait les possibilités de repliement de la protéine. Il a été montré récemment en utilisant un système de traduction in vitro de synthèse protéique qu’il était possible d’incorporer des acides aminés β à des positions spécifiques (Katoh and Suga, 2018). Pour parvenir à transposer ce système in vivo, la principale limitation est l’aminoacylation des ARNt avec les acides aminés β. Il a été récemment proposé que certaines aminoacyl-ARNt synthetases étaient capables d’utiliser les acides aminées β, mais cette capacité reste limitée.Le but de cette thèse est d’incorporer la β-méthionine dans des polypeptides in vivo. Pour cela nous avons caractérisé la reconnaissance et l’utilisation de la L-β-homométhionine par la méthionyl-ARNt synthetase (MetRS) d’E. coli. Nous avons en particulier déterminé une structure cristallographique à haute résolution du complexe MetRS: β -Met. En utilisant la spectroscopie de fluorescence ainsi que la spectroscopie de masse, nous avons pu mettre en évidence l’activation de la -Met en adénylate ainsi que son estérification à un ARNtMet. Toutefois, les efficacités mesurées sont très petites par rapport à ce qui avait été publié. Une contamination de la -Met commerciale par de la méthionine pourrait expliquer ces différences. Une étude in silico basée sur la structure du complexe MetRS:β-Met a été menée en collaboration avec l’équipe de Bio-informatique du laboratoire afin de rechercher des enzymes mutantes plus efficaces vis à vis des acides aminés β. Enfin, nous avons amorcé la mise en place d’une méthode d’évolution dirigée destinée à améliorer l’efficacité d’incorporation des acides aminés β in vivo.

  • Titre traduit

    Incorporation of beta alanine in polypeptides


  • Résumé

    Living cells use 20 canonical α amino acids during ribosomal protein synthesis, although in rare cases, other amino acids such as selenocysteine or pyrrolysine can be used. The repertoire of usable amino acids is therefore quite limited. This limits the ability to build proteins having new properties. A dominant trend in the field of protein engineering is the construction of systems capable of incorporating non-canonical amino acids during in vivo protein synthesis. These studies have been very successful, but all amino acids incorporated until the 2010s were α-amino acids. Incorporation of β-amino acids at discrete sites would create unprecedented flexibility in the main chain, which would increase the potential for new protein folds. It has recently been shown using an in vitro protein synthesis system that it is possible to incorporate β-amino acids at specific positions (Katoh and Suga, 2018). In order to transpose this system in vivo, the main limitation is the aminoacylation of tRNAs with β -amino acids. It has recently been proposed that some aminoacyl-tRNA synthetases can use β-amino acids, but this capacity remains limited. The aim of this thesis is to incorporate β-methionine in polypeptides in vivo. For this purpose, we have characterized the recognition and use of L-β-homomethionine by methionyl-tRNA synthetase (MetRS) from E. coli. In particular, we have determined a high-resolution crystallographic structure of the MetRS:β-Met complex. Using fluorescence spectroscopy and mass spectroscopy, we were able to demonstrate the activation of -Met into adenylate as well as its esterification onto tRNAMet. However, the measured efficiencies are very small compared to what was published. Contamination of commercial β-Met with methionine may explain these differences. An in silico study based on the structure of the MetRS:β-Met complex was conducted in collaboration with the laboratory's bioinformatics team in order to search for mutant enzymes more efficient in the use of β-amino acids. Finally, we initiated the implementation of a directed evolution method to improve the efficiency of incorporation of amino acids in vivo.


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