Disentangling structural complexity in proteins by decomposing SAXS data with chemometric approaches

De nombreux systemes biologiques sont intrinsequement polydisperses, presentant de multiples especes coexistantes, de taille, de forme ou de conformation differentes (c'est-a-dire, melanges oligomeriques, des complexes faiblement lies se dissociant en composantes individuelles ou des especes apparaissant lors de processus amyloidogeniques). L'etude de tels systemes complexes est une tâche difficile en raison de l'instabilite des especes concernees, de leurs concentrations relatives faibles et interdependantes et des difficultes rencontrees pour l'isolation des composantes pures. Dans cette these, j'ai developpe des approches methodologiques pour appliquer la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), une technique de biologie structurale, a l'etude de systemes polydisperses. SAXS est une technique additive et par consequent, le diagramme de diffusion mesure pour un echantillon polydisperse correspond a la somme ponderee en concentration des contributions de chacune des composantes individuelles du melange. Cependant, la decomposition des donnees de SAXS en des spectres specifiques des especes et de leurs concentrations relatives est extremement laborieuse et ambigue. Dans cette these, je presente d'abord une approche objective pour solidement decomposer les jeux de donnees de SAXS en composantes individuelles. Cette approche adapte la methode chimiometrique « Multivariable Curve Resolution Alternate Least Squares » (MCR-ALS) aux specificites des donnees de SAXS. Notre methode permet une decomposition rigoureuse et robuste des donnees de SAXS en introduisant simultanement differentes representations de ces donnees et par consequent, en mettant l'accent sur des changements moleculaires a differentes plages de temps et de resolution structurale. Nous avons applique cette approche, que nous appelons COSMiCS (Analyse structurelle objective complexe des systemes multi-composants) pour etudier deux systemes polydisperses: la fibrillation des proteines, et les fluctuations conformationnelles de proteines grâce a l'analyse de donnees obtenues a l'aide d’une technique de couplage de chromatographie d'exclusion de taille (SEC) avec le ligne de SAXS (SEC-SAXS). L'importance d'etudier les processus de fibrillation reside dans leur implication dans des pathologies amyloidogeniques telles que les maladies de Parkinson ou d'Alzheimer. Il existe de fortes indications que les especes oligomeriques solubles, et non les fibrilles matures, sont la cause principale de la cytotoxicite et des dommages neuronaux. Cette observation souligne l'importance de caracteriser les premiers stades des processus de fibrillation. Notre approche COSMiCS a permis d'etudier les processus amyloidogeniques de l'insuline et du mutant familial E46K de l'α-synucleine, une proteine associee a la maladie de Parkinson. Cette analyse permet la caracterisation structurale des especes presentes (y compris les especes oligomeriques) et la caracterisation cinetique de leurs transformations.La deuxieme partie de la these est consacree a l'utilisation de COSMiCS pour analyser des donnees de SEC-SAXS. Le SEC-SAXS est extremement populaire et a ete implemente sur plusieurs lignes de SAXS a travers le monde. En utilisant des donnees synthetiques, je demontre la capacite des approches chimiometriques a decomposer des profils chromatographiques complexes. A l'aide de cette approche, j'ai decompose l’ensemble des donnees SEC-SAXS mesures pour la Prolyl OligoPeptidase (POP). En resume, cette these presente une nouvelle approche chimiometrique qui peut etre generalement appliquee a tout melange macromoleculaire pouvant subir une modifacation de son equilibre et pouvant etre aborde par SAXS. Les complexes biomoleculaires transitoires, les processus de repliement, les rearrangements structuraux dependants d’un ligand ou la formation de grands ensembles supramoleculaires peuvent etre sondes de facon structurale en utilisant l'approche COSMiCS.