Thèse Caractérisation Structurale et Fonctionnelle des Régulateurs des Protéines Arfr des Archées Asgard H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Santé et médicaments École doctorale : Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué Laboratoire de recherche : I2BC - Institut de Biologie Intégrative de la Cellule Direction de la thèse : Julie MENETREY ORCID 0000000300918842 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-27T23:59:59 Comprendre comment les cellules eucaryotes sont apparues à partir de leurs ancêtres procaryotes est une question centrale en biologie évolutive. Des preuves récentes suggèrent fortement que les eucaryotes trouvent leur origine chez les archées Asgard, faisant de ces micro-organismes un modèle unique pour étudier les innovations moléculaires ayant conduit à l'émergence de la complexité cellulaire. Parmi ces innovations, le système endomembranaire eucaryote, composé d'organites délimités par des membranes, joue un rôle clé dans la compartimentation des fonctions cellulaires. Les GTPases de la famille Arf en sont des régulateurs essentiels, agissant comme des interrupteurs moléculaires qui alternent entre un état inactif lié au GDP dans le cytosol et un état actif lié au GTP au niveau des membranes. Ce cycle est finement régulé par des facteurs d'échange des nucléotides (GEFs) et des protéines activatrices de la GTPase (GAPs), qui activent et inactivent respectivement les protéines Arf.
Notre équipe a identifié et caractérisé des protéines apparentées à Arf (ArfR) chez les archées Asgard, révélant qu'elles partagent un ancêtre commun avec les Arf eucaryotes. Des études structurales ont en outre démontré que les protéines ArfR conservent le mécanisme unique de liaison aux membranes de leurs homologues eucaryotes, suggérant que les caractéristiques régulatrices fondamentales du système Arf étaient déjà présentes dans la lignée archée à l'origine des eucaryotes. Forts de ces résultats, nous cherchons désormais à identifier et caractériser des effecteurs potentiels et des GAPs pour les protéines ArfR. Des analyses préliminaires in silico, réalisées à l'aide du programme AlphaScan, ont mis en évidence deux protéines d'Asgard présentant une forte homologie structurale avec MglB, une GAP de la GTPase procaryote MglA.

Ce projet de thèse se concentrera sur la caractérisation structurale et fonctionnelle : (i) des deux candidats potentiels de type MglB en tant que GAPs pour ArfR, (ii) des nouvelles GAPs potentielles pour ArfR, partageant une forte similarité avec le complexe CSW, caractérisé comme une GAP pour les Arf GTPases eucaryotes, et (iii) des candidats effecteurs identifiés contenant un domaine START, une signature des protéines de transfert des lipides régulées par les Arf GTPases eucaryotes.

Étant donné le rôle central des membranes dans la régulation des fonctions des protéines Arf, une attention particulière sera accordée à l'étude de l'influence des membranes sur la liaison et/ou l'activité de ces candidats. Ces derniers représentent des cibles prometteuses pour élucider la régulation de l'activité d'ArfR, ainsi que leurs fonctions chez les ancêtres archées des eucaryotes.
Understanding how eukaryotic cells emerged from their prokaryotic ancestors is a central question in evolutionary biology. Recent evidence strongly suggests that eukaryotes originated from Asgard archaea, making these microorganisms a unique model for studying the molecular innovations that led to the rise of cellular complexity. Among these innovations, the eukaryotic endomembrane system, composed of membrane-bound organelles, plays a crucial role in compartmentalizing cellular functions. Arf GTPases are key regulators of this system, acting as molecular switches that cycle between an inactive GDP-bound state in the cytosol and an active GTP-bound state at the membrane. This cycle is tightly regulated by guanine nucleotide exchange factors (GEFs) and GTPase-activating proteins (GAPs), which respectively activate and inactivate Arf proteins . This PhD project will focus on the structural and functional characterization of:
(i) the two potential MglB-like ArfR-GAP candidates, (ii) newly identified potential ArfR-GAPs that share high similarity with the CSW complex, which is characterized as a GAP for eukaryotic Arf GTPases, and (iii) identified effector candidates containing a START domain, a hallmark of lipid transfer proteins regulated by eukaryotic Arf GTPases. Given the central role of membranes in regulating Arf protein functions, particular attention will be devoted to investigating how membranes influence the binding and/or activity of these candidates. These candidates represent promising targets for elucidating the regulation of ArfR activity, as well as their functions in the archaeal ancestors of eukaryotes. The PhD candidate will use bioinformatics approaches to identify, evaluate, and select new Asgard ArfR partner candidates. In parallel, candidates will be identified using experimental approaches such as yeast two-hybrid screening in collaboration with Hybrigenics. The selected proteins will then be produced in an E. coli expression system and purified to homogeneity for structural and functional characterization (using SEC-MALS, crystallography, ...). Their interaction with ArfR proteins will be confirmed using biophysical approaches (ITC, MST, ...). The GAP activity of ArfR proteins will be reconstituted in vitro using fluorescence-based assays, alone or in the presence of potential GAP candidates and either in solution or with liposomes to mimic the membrane environment. Finally, crystallization trials will be conducted to obtain high-resolution structures of identified GAPs and effectors, either alone or in complexes with ArfR, with data collection and structure determination performed using synchrotron radiation sources such as SOLEIL and ESRF. If the size of the identified complexes allows it, a structural study using CryoEM could be carried out in the host team, which has expertise in this technique. Finally, the functional impacts of these interactions will be studied both in yeast and in Asgard archaea, in collaboration with cell biologists (Collaboration with Cathy Jackson at the Monod Institut, Paris).

Compétence en biologie moléculaire, biochimie, Bioinformatique et biologie structurales.