Caractérisation in silico et purification des ligases à ARN de type RtcB de Diplonema papillatum

Abstract

Les acides ribonucléiques (ARN) subissent plusieurs modifications posttranscriptionnelles avant de remplir leur rôle dans la cellule. Un des acteurs responsables de ces modifications sont les ligases à ARN. Il existe deux grandes familles de ligases à ARN soit les « ATP-grasp » et les « RtcB-like ». Malgré le fait que ces enzymes ont des rôles biologiques similaires dans la cellule, leurs mécanismes moléculaires sont très différents. Notre équipe a découvert chez un eucaryote marin la présence de trois gènes codant pour des homologues de ligases à ARN de type RtcB. Ceci est pour le moins inhabituel considérant que la plupart des espèces eucaryotes n’ont qu’un seul gène codant pour des ligases de ce type. Diplonema papillatum, l’organisme en question, est un eucaryote dont l’étude a gagné en popularité au courant des dernières années dû au mode d’expression particulier de son matériel génétique mitochondrial. Celui-ci est fragmenté en plusieurs morceaux appelés modules qui, durant le processus de maturation de l’ARN, sont joints ensemble via épissage en trans. Nous supposons que l’une des ligases de type RtcB présente chez D. papillatum, plus spécifiquement DpRTCB1, est un des acteurs principaux de ce phénomène d’épissage en trans. Nous pensons aussi que les deux autres RtcB présentes chez cet organisme, soit DpRTCB2 et DpRTCB3, ont chacune leur propre rôle dans la cellule. Nous avons donc modélisé la structure tertaire de ces protéines in silico donnant ainsi des indices quant à ce qui pourraient être requis comme cofacteurs par ces trois enzymes. Nous proposons aussi un système de classification des ligases de type RtcB en fonction de leurs rôles biologiques et de leurs variations au niveau des résidus composant le site actif de l’enzyme. Nous avons tenté de purifier des protéines de fusion DpRTCB pour de futurs essais enzymatiques afin de déterminer les rôles biologiques potentiels de ces enzymes. Toutefois, ces protéines formaient des corps d’inclusion rendant leur purification difficile. Ce faisant, nous démontrons les différentes techniques qui existent actuellement pour purifier des protéines à partir d’agrégats insolubles. Ce mémoire prédit les potentiels cofacteurs et substrats nécessaires pour de futurs essais biochimiques des ligases DpRTCB. Nous établissons aussi une base robuste pour un système de classification des ligases de type RtcB. Ce document prodigue entre autres des solutions de base aux chercheurs désireux de purifier des protéines qui forment des corps d’inclusion avant de considérer passer à des méthodes de purification plus laborieuses et coûteuses.

Ribonucleic acids (RNA) undergo several post-transcriptional modifications before fulfilling their role in the cell. One of the actors responsible for these modifications are RNA ligases. There are two main families of RNA ligases, namely “ATP-grasp” and “RtcB-like”. Despite the fact that these enzymes have similar biological roles in the cell, their molecular mechanisms are very different. Our team has discovered in a marine eukaryote the presence of three genes encoding RtcB RNA ligase homologs. This is unusual considering that eukaryotes generally have only one gene encoding for an homolog of this ligase. Diplonema papillatum, the organism in question, is a eukaryote that has grown in popularity in recent years due to the particular mode of expression of its mitochondrial genetic material. Its genome is fragmented into several pieces called modules which, during the RNA maturation process, these modules undergo ligation via trans-splicing. We posit that one of the RtcB-type ligases present in D. papillatum, more specifically DpRTCB1, is a major player in this trans-splicing phenomenon. We also believe that the other two RtcB ligases present in this organism, DpRTCB2 and DpRTCB3, each have its own role in the cell. We therefore established in silico models for these proteins which could hint at the cofactors required by these three enzymes. We also propose a classification system for RtcB-type ligases according to their biological roles and variations in known active site residues. We attempted to purify DpRTCB fusion proteins for future enzymatic assays in order to get a better understanding in the biological role of these enzymes. These proteins, however, formed inclusion bodies making their purification difficult. Thus, we demonstrate various techniques that currently exist to attempt to purify proteins from insoluble aggregates. This Master’s thesis attempts to predict the potential cofactors and substrates necessary for future biochemical assays of DpRTCB enzymes. We also establish a robust foundation for a classification system of RtcB-type ligases. Among other things, this document provides basic solutions to researchers wishing to purify proteins that form inclusion bodies before considering switching to more laborious and expensive purification methods.