L'interactome des domaines PDZ de Caenorhabditis elegans, Network of Caenorhabditis elegan's PDZ domains

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Sous la direction de Jerome Reboul
Thèse soutenue le 08 juin 2010: Aix Marseille 2
Le domaine PDZ participe aux réseaux moléculaires à l’origine de fonctions cellulaires touchées lors de pathologies diverses. L’exploration de ce réseau par double hybride a permis d’attribuer de nouvelles fonctions putatives aux ligands protéiques des domaines PDZ du ver Caenorhabditis elegans. Les interactions ont laissé apparaitre une proportion inattendue de ligands atypiques interagissant par une séquence interne. Nous avons ensuite validé fonctionnellement in silico des groupes d’interactions de notre interactome qui forment des micro-réseaux co-exprimés par l’intégration de données de profils d’expression. Finalement, ce travail a permis la construction d’un outil exploratoire, le PIPE (PDZ Interacting Protein Explorer) qui permet de cribler l’ensemble des domaines PDZ du ver à la recherche d’interactions avec une protéine d’intérêt révélant déjà de nombreuses interactions supplémentaires entre domaines PDZ et ligands
-Domaine PDZ
-Interactome
-Integration des données
-Caenorhabditis Elegans
-Genomique Fonctionnelle
PDZ domains allow the organization of molecular networks responsible for cellular functions essential for multicellularity as polarization or transduction of extracellular signals. Exploration of this network by two-hybrid revealed a functional diversity for ligands of Caenorhabditis elegans’s PDZ domains. New putative functions were being observed through GO-terms and an unexpected proportion of internal ligands appeared, confirmed by Co-IP. We then functionally validated in silico groups of interactions that form our interactome microarrays co-expressed by the integration of data from expression profiles. Finally, this work has enabled the construction of an exploratory tool, the PIPE (PDZ Interacting Protein Explorer) that allows screening of all PDZ domains looking for interactions with a protein of interest and had already showed many additional interactions between PDZ domains and ligands
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22038/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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THESE


POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE – AIX-MARSEILLE II
DE L’ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE LA VIE ET DE LA SANTE
SPECIALITE : BIOINFORMATIQUE, BIOLOGIE STRUCTURALE ET GENOMIQUE
INTITULE :
L’interactome des domaines PDZ de Caenorhabditis elegans.



PRESENTEE ET SOUTENUE PUBLIQUEMENT
PAR NICOLAS LENFANT
LE MARDI 08 JUIN 2010

DIRECTEUR DE THESE : JEROME REBOUL




MEMBRES DU JURY :
PRESIDENT : PROFESSEUR PASCAL RIHET
RAPPORTEUR : PROFESSEUR PASCALE ZIMMERMANN
RAPPORTEUR : DOCTEUR GILLES TRAVE
EXAMINATEUR : DOCTEUR CHRISTINE BRUN






PREPAREE AU SEIN DU CENTRE DE RECHERCHE EN CANCEROLOGIE DE MARSEILLE U891 INSERM ET
FINANCEE PAR LA REGION PACA ET L’ASSOCIATION POUR LA RECHERCHE SUR LE CANCER

































A Johan et à Magali, avec tout mon amour.






























erci à chacun des membres du Jury pour les nombreuses remarques qui ont permis
d’enrichir aussi bien ce manuscrit que ma réflexion autour des PDZ. Merci aux Dr M Jérôme Reboul et Jolanta Polanowska pour les discussions que nous avons partagées,
pour les conseils éclairés et enfin pour m’avoir permis de faire cette thèse.

Je tiens à remercier les Dr Françoise Birg et Jean-Paul Borg pour m'avoir accueilli et soutenu
dans leur laboratoire.

Yvonne, Henri et Luc pour avoir nourri mes expériences de quelques 2000 boîtes de pétri de
milieu de culture stérile, Julie, Laurence et Laurence pour m'avoir aidé dès que ce fut nécessaire
et enfin tout le laboratoire U891 (ex-U599) pour les happy hours et tout le reste, un grand merci.

Ce travail de thèse n’aurait pu être réalisé sans les personnes qui m'auront accompagné tout au
long de ce voyage.
François Coulier tu m’as appris { lire une carte topographique, { trouver des chemins alternatifs
et à écrire en PERL, pour tout ça un grand merci.
Akou, Jenn, Kossai, Shizue, Slaveia, vous m'avez soutenu et supporté durant ces quatre années,
MERCI
Alex, Adrien, Geo, Richard, Steph, pour toutes ces soirées PFMTPQM qui auront égrainé cette
période avec beaucoup de plaisir, et pour votre gentillesse, merci.
Dija, mon amie, t’as présence m’aura été indispensable. Ton énergie, ta gentillesse, ta culture, ta
philosophie… ;-*
Une mention toute particulière pour remercier et leur dire à quel point je les aime, Maman, Jean-
Louis, Guillaume, Fred, Ben, PIPE et Chachou.

Enfin, Magali et Johan, avec tout mon amour, je vous dédie ce travail.
RESUME

Le domaine PDZ (PSD95, DLG, ZO1) est un domaine protéique présent en grande quantité chez
les métazoaires, notamment chez l’homme où il est présent en 250 exemplaires environ et chez
le ver où l’on retrouve 93 de ces domaines. Il est impliqué majoritairement et historiquement
dans la clusterisation polarisée de protéines à la membrane de cellules comme les cellules
épithéliales ou les neurones par exemple. Il interagit principalement avec des séquences
consensus situées { l’extrémité CtR de ligands protéiques mais aussi de manière occasionnelle
avec des régions internes de ligands protéiques ou avec des lipides.
De nombreuses protéines { domaine PDZ restent inconnues et il n’existe pas { ce jour, malgré
ces consensus, d’outil capable d’identifier avec quelle protéine { domaine PDZ pourrait interagir
un ligand putatif. De plus, il manque une vision globale du domaine PDZ, qui permettrait d’une
part de vérifier les définitions des classes de séquences consensus existantes, d’autre part de
déterminer la proportion de ligands liants les domaines PDZ par leur extrémité CtR ou par une
partie interne et enfin d’observer globalement les fonctions de tous les domaines PDZ à travers
celle de leurs ligands. Pour répondre à ces problématiques, nous avons recherché des ligands
pour chacun des domaines PDZ du ver par l’utilisation d’une méthode exploratoire en haut débit.
Nous avons utilisé le crible de banque par la technique du double hybride dans la levure. Ce
travail a abouti in fine { une grande quantité d’interactions entre domaines PDZ et protéines et
nous les avons étudiées par une approche bioinformatique.
Nous avons abordé dans un deuxième chapitre, l’intégration des interactions générées avec des
données différentes, dont des données de profils d’expression génique accessibles en ligne.
Chaque jeu de données pris séparément permet d’émettre des conclusions spécifiques mais il est
difficile d’extraire des informations par l’intégration de plusieurs jeux de données.
Est-il possible, { partir d’une carte d’interactions protéine-protéine, d’isoler les interactions
impliquées dans des complexes protéiques ou des voies de signalisations, par exemple ? Nous
avons utilisé les nombreuses expériences de puce à ADN qui ont généré autant de jeux de profils
d’expression pour essayer de répondre { cette question. Nous avons essayé d’appliquer { l’étude
des domaines PDZ une approche permettant de faire apparaitre des sous-ensembles de
protéines ayant des profils d’expressions similaires.

Au terme de ce travail, nous avons mis au point un outil de détection des domaines PDZ liant une
protéine d’intérêt, le PIPE pour PDZ interacting protein explorer. Il nous a permis d’identifier un
certain nombre d’interactions qui sont venues s’ajouter aux 674 interactions obtenues par les
cribles de banques. Parmi ces 674 interactions, on retrouve celle impliquant LIN-7 et LET-23,
déjà largement décrite dans la littérature. On peut aussi citer une interaction inattendue entre deux protéines impliquées dans la gastrulation : PAR-6 et PAC-1. Le domaine PDZ de la protéine
PAR-6 est localisé au cortex situé au niveau de la partie externe (surface de l’embryon) des
cellules précurseurs de l’endoderme où il est impliqué dans la concentration de l’actomyosine II.
Il interagit dans notre réseau avec PAC-1 que l’on retrouve au cortex situé au niveau de la partie
interne de ces mêmes cellules d’où elle inactive CDC-42. C’est { la suite de cette inactivation que
PAR-6 est exclu de cette région cellulaire et facilite la concentration de l’actomyosine II. Un autre
groupe d’interactions semble ouvrir de nouvelles perspectives de fonctions dans la mitose pour
le complexe LIN-2/LIN-7/LIN-10 impliqué initialement dans la localisation polarisée de
récepteurs à la membrane. En effet, plusieurs interactions semblent lier ce complexe à ICP-1 et
CSC-1, des protéines impliquées dans la ségrégation des chromosomes durant la mitose. A
travers ces quelques exemples, nous voyons la richesse en termes d’informations biologiques
contenues dans ces interactions.
L’étude globale des ligands de ces domaines PDZ nous a montré une proportion importante de
ligands cytoplasmiques et nucléaires ayant des fonctions cellulaires très variées comme le
maintien de la structure cellulaire et la signalisation et des fonctions plus inattendues dans le
métabolisme, la division cellulaire ou encore la régulation de la transcription par exemple.
Ensuite, l’étude des séquences carboxy-terminale en regard des consensus décrits dans la
littérature a montré une moins grande spécificité de la part des ligands présentant de tels
consensus : ces ligands pourraient lier plus de domaine PDZ que les ligands ne présentant pas de
consensus. Plus surprenante encore est la proportion que nous avons pu observer, de ligands ne
présentant pas ces consensus. L’interaction de ces ligands par une séquence interne a été validée
et confirmée par une technique biochimique de co-affinité. Leur quantité relative est telle qu’elle
peut remettre en cause le dogme selon lequel les domaines PDZ interagissent principalement
avec l’extrémité CtR de leurs ligands.
Enfin ces interactions forment un réseau. Les domaines PDZ y apparaissent comme des modules
pouvant présenter un nombre relativement important de ligands qu’ils peuvent d’ailleurs
parfois partager. Cette structure en réseau nous a permis de mettre au point une approche
originale pour valider in silico des groupes d’interactions fortement connectées dans ce réseau.
Pour se faire, nous avons utilisé des données provenant de profils d’expression d’une part et
d’interaction du réseau Wormnet, réseau d’interaction fonctionnelle entre gènes, d’autre part.
L’utilisation de profils d’expression a permis d’observer des interactions entre protéines co-
exprimées formant des groupes co-exprimées de protéines fortement connectées sur le réseau
PDZ/ligand. D’un autre côté, Wormnet, en connectant des gènes fonctionnellement liés, a permis
de valider par leur proximité dans ce réseau, des interactions entre protéines qui sont apparues
fortement connectées dans notre réseau. Ces groupes fortement connectés forment des micro-
réseaux pouvant nous faire penser à des complexes protéiques ou à des voies de signalisation.
Suite { ces résultats, le domaine PDZ apparait, comme un domaine bien plus complexe qu’il n’y
semblait { première vue. Ces résultats répondent partiellement { l’interrogation portant sur la
fonction de la grande majorité des domaines PDZ inconnus et proposent de nouvelles fonctions
putatives pour des protéines déjà connues. De plus, une proportion importante de ligands
internes a été révélée montrant l’importance de la diversité des modes d’interactions. Par la
suite, la cartographie des régions internes pourra être envisagée tandis que les interactions
décrites pourront amener à des études fonctionnelles spécifiques.
Enfin, nous avons montré qu’il est possible d’intégrer des données de différentes natures pour
extraire de notre réseau des groupes d’interactions validées in silico. Il sera possible par la suite
d’annoter ces groupes d’interactions en ajoutant par exemple, le niveau de corrélation de chaque
interaction par rapport au groupe ou bien en utilisant d’autres types de données comme des
données de phénotypes de RNAi.

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