Structure-function analysis of disaggregating chaperones and their evolution across the Tree of Life - Public health, treatment controversy and meta-analyses on COVID-19

For space constraints, this summary focuses only on the six core chapters addressing the main research theme of my thesis: The Structure-function analysis of disaggregating chaperones and their evolution across the Tree of Life. Protein homeostasis is regulated by molecular chaperones and proteases. The apparition of the main chaperone families can be traced at least 3 billion years ago. Previous publications showed evidence that HSP20 and HSP60 already existed in the last common universal ancestor. Chapter 1 was written as an introduction to address the thermodynamic dilemma of cells, between chaperone-mediated protein repair and protease-mediated protein degradation. We found that the genomes of the simplest free-living bacteria and archaea, likely representing a snapshot of the very distant past, contained a full set of complex proteases, but only two out of the five conserved chaperone families (HSP20 and Hsp60). This indicates that at the beginning of life protein degradation likely preceded protein-repair mechanisms. In Chapter 2, I sought to further address the evolutionary history of protein homeostasis, by analyzing proteomes and their chaperomes in the genomes of ~200 distant present-day living organisms, representing the major clades on the tree of life. We found that before eukaryotisation, the 5 main chaperone families (HSP20, 60, 70, 90, and 100) were already present in terrestrial bacteria and complex archaea, at least 2.5 billion years ago. To maintain effective protein homeostasis in the much more complex eukaryotic proteomes, co-chaperones needed to diversify, in particular the JDP family (HSP40), to recruit increasingly complex native and aggregated proteins to be processed by the HSP70 unfoldases. We found that HSP70 acts as a central hub, coordinating all other chaperone families in the network. In Chapter 3 we performed an in vitro study of the eukaryotic nucleotide exchange factor, SSE1 in yeast, and HSP110 in mammals. We created various mutants and observed that interdomain communication is required for its co-disaggregase action with SSA1 (HSP70). Interdomain communication is also required to suppress an otherwise intrinsically unleashed elevated ATPase activity of the HSP110 molecule. Chapter 4 is a preprint. I created Swap mutants of the J-domain between the main yeast class A DnaJ (Ydj1) and class B DnaJ (Sis1). The aim was to investigate in vitro the ability of WT and the SWAP JDPs to prevent protein aggregation and to target and induce HSP70 (Ssa1) to unfold stably misfolded substrates, into natively refolded products. We found that the SWAP mutants were more efficient at preventing aggregation and refolding of misfolded substrates, albeit at a higher ATP cost, suggesting the presence of a stop-and-start mechanism in eukaryotic JDPs, that reduces futile ATP hydrolysis by Hsp70 in the absence of protein substrates. Chapter 5: With global warming, we aimed here to review here the molecular mechanisms by which plants which are sessile organisms, can adapt and survive to heat stress, relying on specific heat- responsive ion channels as sensors, and the accumulation of thermoprotective metabolic compounds and molecular chaperones. Chapter 6: is a forum article that draws a parallel between animal TRPVs and plants CNGCs. The two heat sensors CNGC2 for plants and TRPV1 for animals similarly respond to heat stress and have a very similar structure. In addition, in parts two and three of this thesis, I included several published, peer-reviewed research and review articles, of which I am a co-author, on various pharmaco-medical, ethical and societal aspects of the COVID-19 pandemic. -- Pour des raisons d'espace, ce résumé se concentre uniquement sur les six chapitres principaux qui traitent du thème de recherche principal de ma thèse : l'analyse de la structure et fonction des chaperonnes désagrégatrices et leur évolution à travers l'Arbre de la Vie. L'homéostasie des protéines est régulée par les chaperonnes moléculaires et les protéases. L'apparition des principales familles de chaperonnes peut être retracée il y a au moins 3 milliards d'années. Des publications précédentes ont montré que HSP20 et HSP60 existaient déjà chez le dernier ancêtre universel commun. Le Chapitre 1 a été rédigé comme une introduction pour aborder le dilemme thermodynamique des cellules, entre la réparation des protéines médiée par les chaperonnes et la dégradation des protéines médiée par les protéases. Nous avons découvert que les génomes des bactéries et des archées autonomes les plus simples, représentant probablement un instantané d'un passé très lointain, contenaient un ensemble complet de protéases complexes, mais seulement deux des cinq familles de chaperonnes conservées (HSP20 et Hsp60). Cela indique qu'au début de la vie, la dégradation des protéines a probablement précédé les mécanismes de réparation des protéines. Dans le Chapitre 2, j'ai cherché à approfondir l'histoire évolutive de l'homéostasie des protéines, en analysant les protéomes et leurs chaperonnes chez près de 200 organismes vivants actuels éloignés, représentant les principaux clades de l'arbre de la vie. Nous avons découvert qu'avant l'eucaryotisation, il y a environ 2 milliards d'années, les 5 principales familles de chaperonnes (HSP20, 60, 70, 90 et 100) étaient déjà présentes chez les bactéries terrestres et les archées complexes, il y a au moins 2,5 milliards d'années. Afin de maintenir une homéostasie protéique efficace dans les protéomes eucaryotes beaucoup plus complexes, les co-chaperonnes ont dû se diversifier, en particulier la famille des JDP (HSP40), pour recruter des protéines natives et agrégées de plus en plus complexes à traiter par les dépliants HSP70. Nous avons découvert que la HSP70 agit comme le hub central des autres familles de chaperonnes. Dans le Chapitre 3, nous avons réalisé une étude in vitro du facteur d'échange de nucléotides eucaryotes, SSE1 chez la levure, HSP110 chez les mammifères, et observé qu'une communication inter domaine est nécessaire pour son action de co-disaggregase avec SSA1 (HSP70). Nous avons créé divers mutants et remarqué que cette communication est nécessaire pour l'activité co-disaggregase de HSP70, et aussi pour supprimer l'activité ATPase intrinsèquement élevée exercée par la molécule HSP110. Le Chapitre 4 est un preprint. J'ai créé des mutants en échangeant (SWAP) le J-domain entre la principale DnaJ de classe A (Ydj1) et la principale DnaJ de classe B (Sis1). L'objectif était d'étudier in vitro la capacité des JDPs WT et SWAP à prévenir l'agrégation des protéines et à cibler et induire HSP70 (Ssa1) à déplier un substrat mal plié en produits nativement repliés. Nous avons constaté que les mutants SWAP étaient plus efficaces pour prévenir l'agrégation et le repliement des substrats mal repliés, bien qu'à un coût plus élevé en ATP, ce qui suggère la présence d'un mécanisme stop-and-start dans les JDPs eucaryotes, qui réduit l'hydrolyse futile de l'ATP par Hsp70 en l'absence de substrats protéiques. Chapitre 5 : Avec le réchauffement climatique, nous avons voulu ici passer en revue les mécanismes moléculaires par lesquels les plantes, qui sont des organismes sessiles, peuvent s'adapter et survivre au stress thermique, en s'appuyant en particulier sur les canaux ioniques thermosensibles comme capteurs, et sur l'accumulation de composés métaboliques thermoprotecteurs et de chaperonnes moléculaires. Le Chapitre 6 est un article de forum qui établit un parallèle entre les TRPV des animaux et les CNGC des plantes. Les deux capteurs de chaleur CNGC2 pour les plantes et TRPV1 pour les animaux répondent au stress thermique de manière similaire et ont une structure très proche. En outre, en tant que deuxième et troisième partie de cette thèse, j'ai inclus un certain nombre d'articles de recherche et de revue publiés, évalués par les pairs et dont je suis co-auteur, sur divers aspects pharmaco-médicaux, éthiques et sociétaux à propos de la pandémie de COVID-19