Thèse Etude par Rmn de la Machine Moleculaire Clpx - P en Action H/F - Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : CSV- Chimie et Sciences du Vivant
Laboratoire de recherche : Institut de Biologie Structurale
Direction de la thèse : Jérôme BOISBOUVIER ORCID 0000000332783639
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-09T23:59:59

L'ATPase ClpX est un complexe protéique hexamérique en forme d'anneau de 230 kDa qui fonctionne comme un moteur macromoléculaire sophistiqué, entraînant divers processus cellulaires dépendants de l'ATP. ClpX subit des changements conformationnels à grande échelle qui conduisent à la conversion de l'énergie chimique de l'ATP en travail mécanique afin d'accomplir un large éventail de fonctions, telles que le dépliement et la translocation du substrat protéique à l'intérieur d'une chambre de protéolyse de la protéase associée ClpP. Les complexes ClpP sont de grandes protéases à sérines cylindriques formées par deux anneaux heptamériques empilés tête-bêche, d'un poids moléculaire total d'environ 300 kDa. Les anneaux hexamériques de ClpX sont capables de se lier des deux côtés du 14-mère ClpP, formant une machine protéolytique de 26 sous-unités d'environ 760 kDa.
Malgré des études biochimiques approfondies sur ces assemblages macromoléculaires, le mécanisme de dépliement et de dégradation des substrats est resté longtemps méconnu. En effet, jusqu'à récemment, la caractérisation structurelle des complexes protéases ClpX/P était entravée par la taille et la complexité du mécanisme, qui abrite plusieurs sous-unités protéiques agissant ensemble pour traiter les protéines à dégrader. De plus, les principaux réarrangements structuraux impliqués dans le mécanisme de ce complexe représentent un défi pour la biologie structurale. Au cours des dernières années, les progrès de la cryo-microscopie électronique ont permis de déterminer les premières structures de la machine ClpP/X (1-3). Si les techniques de cryo-microscopie électronique et de cristallographie aux rayons X permettent de déterminer la structure de ces grands complexes protéiques, ces méthodes de biologie structurale ne fournissent qu'une image statique du système et ne fournissent que rarement les données cinétiques nécessaires à une compréhension complète du mode d'action à une résolution atomique. Une multitude de questions fondamentales sur le mécanisme ClpP/X restent sans réponse, telles que : Quelle est la base structurale de la reconnaissance ClpX/protéine client ? Comment les anneaux ClpX et ClpP se reconnaissent-ils malgré leur asymétrie ? Quelle est la dynamique de liaison et de libération des sous-unités ClpP/X lorsque la machine est alimentée par l'ATP ? Quels sont les mécanismes par lesquels les protéines clientes sont dépliées et transférées à travers les pores ClpX et ClpP ? Quelles sont les différentes étapes du dépliement, du transfert et de la dégradation des protéines clientes par la machine ClpP/X active ? Quelles sont les cinétiques de chaque étape et les structures des différents intermédiaires du cycle fonctionnel de ClpP/X ?

L'objectif de ce projet de doctorat est de comprendre le mécanisme de la machine ClpP/X, en obtenant par RMN en solution des informations structurales et cinétiques détaillées sur les mécanismes de ces machines protéolytiques alimentées par l'ATP dans des conditions fonctionnelles.

The NMR of Large Assemblies group at the Institute of Structural Biology (IBS) develops and applies novel NMR and isotope labelling methods to study the structure, dynamics, and mechanism of large biomolecular complexes. The team is developping cell-free approaches with optimized isotopic labelling to facilitate biological studies of challenging protein targets using solution NMR.

In this project, the PhD student will integrate state of the art high-field Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy and advanced isotopic labelling methods. Solution NMR spectroscopy will be used to observe such large machinery, fuelled by ATP hydrolysis, while it is processing substrate proteins. These results will be combined with previous cryoEM studies, in order to understand ClpP/X functional cycle in presence of ATP and in interaction with client protein. This integrated structural biology approach will offer a unique opportunity to study, at atomic resolution, the mechanism of dynamics ClpP/X molecular machine in the heat of action.

To achieve these goals, the PhD student will be trained to innovative solution NMR methods (4-10) developed by host group enabling the study of functional chaperone/client protein complexes with molecular as high as 1 MDa using solution state NMR (6). To study ClpP/X proteolytic assembly, while the complex is processing its client protein, the PhD student will use an in house developed ATP regeneration system directly inside a NMR tube to maintain constant the ATP concentration (6), allowing to keep the ClpP/X machine in working condition (powered by ATP hydrolysis) during NMR data acquisition. The PhD student will be part a dynamic team of researchers, post-docs, engineers. On IBS campus, the PhD student will have access to ultra-high field NMR equipment (operating at a magnetic field as high as 22.3 T corresponding to a 1H frequency of 950 MHz), access to cell-free protein production and isotopic labelling facility and various biophysics facilities for control quality of produced samples (SEC-MALLS, MS, AUC, Negative staining EM, ...). During this project the PhD student will significantly contribute to the understanding of the basic mechanism of this key player of cell homeostasis and will be trained to state of the art structural biology methods, a prerequisite to address current and future challenges in biology.

Master 2 ou Ingénieur en Biochimie, Chimie, Biologie Structurale, Biologie Moleculaire, Biophysique