Caractérisation structurale de l'interaction des homéodomaines avec des membranes contenant du PI(4,5)P2

Les homéoprotéines forment une famille de facteurs de transcription impliquée dans le développement embryonnaire et la physiologie chez adulte. Ces protéines sont caractérisées par la présence d'un domaine de liaison à l'ADN appelé homéodomaine. Les homéodomaines sont dotés de la capacité de traverser directement la membrane plasmique d’une manière non conventionnelle. Cette découverte a conduit au développement de peptides pénétrants capables de délivrer efficacement des molécules hydrophiles dans les cellules. Des modèles in vitro incorporant des lipides chargés négativement montrent que les interactions électrostatiques jouent un rôle important dans les interactions membranaires. En particulier, le PI(4,5)P2 est un lipide impliqué dans le transfert bidirectionnel de l'homéoprotéine d'Engrailed. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle du PI(4,5)P2 dans l'interaction de l'hélice 3, seule ou au sein de l'homéodomaine, avec les membranes. Pour cela, nous avons travaillé en parallèle sur deux systèmes, l'homéodomaine Penetratin et l'homéodomaine d’Engrailed. Nous avons analysé comment la Penetratin s'ancre dans la membrane et induit la formation de clusters de PI(4,5)P2. Des études d'interaction de l'homéodomaine Engrailed avec différentes compositions de lipides anioniques révèlent un effet accru du PI(4,5)P2 par rapport à d'autres lipides chargés négativement, ce qui entraîne des changements de conformation de la protéine tout en laissant la structure secondaire intacte. Nous avons également pu caractériser l'état lié de la protéine afin de mieux comprendre comment une transition conformationnelle de l'homéodomaine est impliquée dans sa translocation membranaire.Homeoproteins are a family of transcription factors that play a key role in animal embryonic development and adult physiology. These proteins are characterized by the presence of a 60-residue DNA-binding domain called homeodomain. Homeodomains are endowed with the ability to directly cross the plasma membrane using unconventional mechanisms. This discovery led to the development of penetrating peptides derived from the third helix of the homeodomain, capable of efficiently delivering hydrophilic molecules into cells. In vitro models incorporating negatively charged lipids show that electrostatic interactions play an important role in membrane interactions. In particular, phosphatidyl-inositol-4,5-bisphosphate (PI(4,5)P2) is a lipid involved in the bidirectional transfer of Engrailed homeoprotein. In this thesis, we studied the role of PI(4,5)P2 in the interaction of the helix 3, alone or within the homeodomain, with membranes. For this purpose, we worked in parallel on two systems, Penetratin and Engrailed homeodomain. Using NMR coupled to MD simulations, we analyzed how Penetratin anchors in the membrane and induces the formation of PI(4,5)P2 clusters. Interaction studies of the Engrailed homeodomain with different anionic lipid compositions reveal an increased effect of PI(4,5)P2 compared to other negatively charged lipids leading to conformational changes of the protein while leaving the secondary structure intact. We were also able to characterize the bound state of the protein to better understand how a conformational transition of the homeodomain is involved in its membrane translocation