Structural basis of the recognition specificity between animal toxins and ion channels | Bases structurales de la specificite de reconnaissance entre les toxines animales et les canaux ioniques

French. Les canaux ioniques occupent une place primordiale dans les mécanismes du vivant, et leurs dysfonctionnements sont à l'origine de nombreuses pathologies. Dans l'optique d'envisager un traitement efficace de ces maladies, la compréhension des mécanismes de fonctionnement des canaux ioniques constitue un objectif majeur à atteindre. Les toxines animales actives sur les canaux ioniques apparaissent aujourd'hui comme un outil de choix pour mieux comprendre le fonctionnement de ces canaux. Au travers de son introduction bibliographique, ce manuscrit présente les canaux K+, Na+ et Ca2+ et les toxines animales dont ces canaux sont les cibles naturelles. Ces toxines s'organisent majoritairement autour de deux motifs structuraux distincts : le motif CsΑΒ (Cystine stabilized ΑΒ motif), décrit principalement dans les toxines de scorpion actives sur les canaux K+ et Na+, et le motif ICK (Inhibitor Cystine Knot) qui est rencontré dans certaines toxines de cônes et d'araignées actives sur les canaux K+, Na+ ou Ca2+. Le travail effectué au cours de cette thèse est sous-tendu par un objectif, améliorer encore la connaissance et la compréhension de l'interaction d'une toxine et de sa cible, le canal. Les résultats obtenus s'articulent autour de la détermination de la structure RMN de plusieurs toxines. Concernant le motif CsΑΒ, nos résultats montrent que, par conception de protéines chimères, nous pouvons modifier la spécificité et/ou la sélectivité des toxines envers les canaux K+. Concernant le motif ICK, nos résultats pour les toxines actives sur les canaux K+ doivent être confirmés par des études complémentaires puisque la structure indique que ces toxines semblent interagir au niveau du pore du canal, hypothèse en contradiction avec les données biologiques ; pour les toxines actives sur les canaux Ca2+, la spécificité envers les différents types de canaux et l'influence de l'anisotropie de répartition des charges électrostatiques sur l'interaction toxine/canal sont discutées.

English. Ionic channels are of crucial importance as they are involved in numerous biological processes. In the aim of finding an efficient treatment against diseases, those are produced by a functional alteration of such channels, the understanding of functional mechanisms of these channels is the main goal to reach. Animal toxins acting against ionic channels are valuable tools for probing channel's pharmacological and structural properties. This manuscript present the K+, Na+ and Ca2+ channels and their natural blockers : animal toxins. These toxins are organized around two main structural motifs : the CsΑΒ motif (Cystine stabilized ΑΒ motif), mainly described for scorpion toxins acting against K+ and Na+ channels, and the ICK motif (Inhibitor Cystine Knot) encountered in many conotoxins and spider toxins that are active on Ca2+, K+ or Na+ channels. The work presented in this manuscript is underlined by the goal to improve the knowledge and understandings of the molecular interaction between a toxin and an ionic channel. The results are organized around the NMR solution structure determination of such toxins. Concerning the CsΑΒ motif, the conception of toxin chimaeras shows that the specificity and/or the selectivity of the toxin toward a type of K+ channel can be modified. Considering the toxins organized around the ICK structural motif, our results concerning those acting against K+ channels have to be confirmed with some more experiments: the structure indicates these toxins might be pore channel blockers whereas biological assay purposes these toxins acting as gating modifiers. Concerning the toxins that are active on Ca2+ channels, the specificity against the different channel's subtypes and the influence of the anisotropy of electrostatic charges repartition on the interaction between the toxin and the channel are discussed.

French. Pr. Andre Nieoullon (president) Pr. Alexandre Bonvin (rapporteur) Dr Pierre Bougis (rapporteur) Dr. Francoise Guerlesquin Dr. herve Darbon