Protein Dynamics in Crowded Systems : Cell Thermal Stability and Protein Complexation
Dynamique des protéines en milieu encombré : stabilité thermique des cellules et complexation des protéines
Résumé
Proteome’s thermal sensitivity play a key role as a determinant for most of the temperature-dependent whole-organism activities.Different pictures have been proposed to link the degradation of the proteome to the upper limit of the cellular thermal niche, i.e. the cell’s death temperature TCD. A first essential aspect is to quantify the proteome thermal stability. On one hand a proposed theoretical model finds that the cell death is linked to a global catastrophe of the proteome with proteins unfolding in a narrow range of temperatures near the TCD. This picture has being challenged recently by experimental investigations of E. coli lysates and cells according to which only a small set of proteins indeed unfolds at the cell death. Thermal adaptation would result from the preferential stabilization of a homologous subset of proteins, thus indicating that the heat sensitivity of cells can be explained by a small number of proteins that serve critical physiological roles.Proteome’s thermal stability is not the only physical determinant of the cell’s growth rate, which is expected to depend also on the proteins’ diffusion throughout the cell which depends in turn on the temperature, and is often a limiting factor of the rates of cellular biochemical processes. To date, the relationship between the diffusive dynamics of proteome and the thermal sensitivity of a cell has not yet been investigated, also due to the extremely difficult challenge to represent the motions of proteins in a crowded milieu cell’s cytoplasm where local concentration may vary from 200 g/L up to 400 g/L.In this thesis we address this problem, combining neutron scattering spectroscopy and multiscale molecular dynamics simulation to characterized the dynamical state of the E. coli’s proteome in the thermal range between 276K and 360K, at increasing and decreasing temperatures to test its reversibility. We focus our studies on E. coli because they are the most studied bacteria, and many useful information are available in the literature that can be used to interpret the results. Moreover, this bacteria represent a good model for all bacterial cells, and, since we are mainly interested in the bulk properties of the system, i.e the dynamical behavior of the cytoplasmic proteins which are the most abundant in the cell, E. coli bacteria are a good reference also for the cytosol of eukaryotic cells.Concerning the experimental techniques, in chapter 2, we present the basics concepts on neutron scattering: introduction to neutron scattering theory, description of the model used for the interpretation of the data, and data reduction. Chapter 3 is dedicated to molecular dynamics simulation where we discuss about: the general aspects of molecular dynamics, the simulation of proteins, and course-grained simulations. Finally, in chapter 4 we report our new results and we discuss their interpretations and implications.In the appendix, we report also two further original results that we obtained, during the PhD, studying the effects of protein-ligand complexation on protein dynamics.
La sensibilité thermique du protéome joue un rôle clé en tant que déterminant pour la plupart des activités de l'organisme entier dépendant de la température.Différentes images ont été proposées pour relier la dégradation du protéome à la limite supérieure de la niche thermique cellulaire, c'est-à-dire la température de mort de la cellule TCD. Un premier aspect essentiel est de quantifier la stabilité thermique du protéome. D'une part, un modèle théorique proposé trouve que la mort cellulaire est liée à une catastrophe globale du protéome avec des protéines se dépliant dans une gamme étroite de températures proches du TCD. Cette image a été récemment remise en question par des investigations expérimentales sur des lysats et des cellules d'E. coli selon lesquelles seul un petit ensemble de protéines se déploie effectivement à la mort cellulaire. L'adaptation thermique résulterait de la stabilisation préférentielle d'un sous-ensemble homologue de protéines, indiquant ainsi que la sensibilité à la chaleur des cellules peut s'expliquer par un petit nombre de protéines qui remplissent des rôles physiologiques critiques.La stabilité thermique du protéome n'est pas le seul déterminant physique du taux de croissance de la cellule, qui devrait également dépendre de la diffusion des protéines dans la cellule, qui dépend à son tour de la température, et est souvent un facteur limitant de la vitesse des processus biochimiques cellulaires. . À ce jour, la relation entre la dynamique de diffusion du protéome et la sensibilité thermique d'une cellule n'a pas encore été étudiée, également en raison du défi extrêmement difficile de représenter les mouvements des protéines dans le cytoplasme d'une cellule en milieu surpeuplé où la concentration locale peut varier de 200 g/L jusqu'à 400 g/L.Dans cette thèse, nous abordons ce problème en combinant la spectroscopie de diffusion de neutrons et la simulation de dynamique moléculaire multi-échelles pour caractériser l'état dynamique du protéome d'E. coli dans la gamme thermique entre 276K et 360K, à des températures croissantes et décroissantes pour tester sa réversibilité. Nous concentrons nos études sur E. coli car ce sont les bactéries les plus étudiées, et de nombreuses informations utiles sont disponibles dans la littérature qui peuvent être utilisées pour interpréter les résultats. De plus, cette bactérie représente un bon modèle pour toutes les cellules bactériennes, et, puisque nous nous intéressons principalement aux propriétés globales du système, c'est-à-dire au comportement dynamique des protéines cytoplasmiques qui sont les plus abondantes dans la cellule, les bactéries E. coli sont une bonne référence également pour le cytosol des cellules eucaryotes.Concernant les techniques expérimentales, au chapitre 2, nous présentons les concepts de base sur la diffusion neutronique : introduction à la théorie de la diffusion neutronique, description du modèle utilisé pour l'interprétation des données, et réduction des données. Le chapitre 3 est consacré à la simulation de la dynamique moléculaire où nous discutons : des aspects généraux de la dynamique moléculaire, de la simulation des protéines, et des simulations à grains de parcours. Enfin, dans le chapitre 4, nous rapportons nos nouveaux résultats et nous discutons de leurs interprétations et implications.En annexe, nous rapportons également deux autres résultats originaux que nous avons obtenus, au cours de la thèse, en étudiant les effets de la complexation protéine-ligand sur la dynamique des protéines.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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