Liza Ammar Khodja

Les microtubules sont des assemblages dynamiques du cytosquelette des cellules eucaryotes formés par une protéine globulaire appelée « tubuline ». La tubuline est un hétérodimère dont chacune des sous-unités, appelées alpha et béta, fixe un nucléotide GTP. L'hydrolyse du GTP de la sous-unité béta accompagne l'assemblage en microtubules. La dynamique des microtubules est régulée par différentes protéines cellulaires. Parmi ces facteurs, la protéine Tau stabilise les microtubules dans les axones des neurones. Tau forme par ailleurs des amas fibrillaires qui sont un des marqueurs d'un ensemble de maladies neurodégénératives appelées tauopathies, dont la maladie d'Alzheimer fait partie. La structure de Tau dans différentes types de fibres est aujourd'hui connue. Nous disposons également de modèles de Tau décorant le microtubule. Dans ce paysage structural, les données principales manquantes sont celles de l'interaction de Tau avec la tubuline avant assemblage en microtubule. L'objectif initial de ma thèse était d'obtenir ces données.Pour cet objectif, j'ai conçu des protéines fusion rassemblant, au sein d'une même molécule, un fragment de la protéine Tau et une protéine stabilisatrice de la tubuline, afin de former avec cette dernière de petits assemblages stables et homogènes qui pourront être étudiés structuralement. Certains assemblages ont été étudiés par cryo-microscopie électronique, mais la résolution est restée trop basse pour être utile. Par contre, j'ai déterminé par cristallographie aux rayons X la structure d'un complexe entre la tubuline et une protéine fusion formée d'une protéine artificielle qui cible la partie distale de la sous-unité béta et d'une région de 23 résidus de Tau. La structure indique que le fragment de Tau se fixe, sous forme d'un petit motif de deux brins béta parallèles, à une surface de la tubuline qui correspond à une ouverture entre protofilaments au niveau du microtubule.Mes résultats définissent donc un nouveau mode de liaison de Tau aux microtubules. Ils suggèrent un modèle selon lequel Tau stabilise les microtubules en renforçant les contacts entre protofilaments. Ces résultats ouvrent également de nouvelles perspectives dans le contexte d'une oligomérisation de Tau qui serait initiée à la surface du microtubule, et qui conduirait en conditions physiologiques à des condensats sur le microtubule, ou à des agrégats fibrillaires dans les conditions pathologiques.

Deep learning has revolutionized computational protein design, enabling the generation of sequences that fold onto target backbones with unprecedented accuracy. However, state-of-the-art inverse folding tools largely rely on auto-regressive sampling. While powerful, this paradigm is increasingly recognized for its inability to “think ahead”, a crucial capacity to reliably create the complex, long-range inter-residue dependencies essential for most biological functions. To overcome these fundamental limitations, we introduce EffieDes, a generative neuro-symbolic AI framework that synergizes the predictive capabilities of deep learning with the logical precision of automated reasoning. EffieDes leverages deep learning to encode the target backbone’s fitness landscape into Effie— a fully decomposable probabilistic graphical model (Potts model). This landscape is then rigorously explored by an automated reasoning prover to identify sequences that simultaneously satisfy complex design constraints and optimize backbone fitness. We validated this neuro-symbolic approach through the design of orthogonal sequence pairs that adopt identical folds but exhibit selective self-assembly, as well as the design of a de novo selective nanobody with nanomolar affinity for an immune-evasive SARS-CoV-2 variant. EffieDes provides a robust architecture for precisely dissecting learned fitness landscapes, offering a new path toward proteins with highly optimized performances and sophisticated functional objectives.

Significance: Microtubules are dynamic assemblies of αβ-tubulin that are involved in key cellular functions, including cell division and intracellular transport. Microtubule dynamics is inhibited by several families of small molecules, some of which are used in oncology. The extent to which these compounds target the binding sites of cellular partners of tubulin remains poorly characterized. We show here that a region of the CPAP protein binds to the so-called vinca domain of β-tubulin in a way very similar to that of peptide-like inhibitors produced by bacteria and fungi. Therefore, our work identifies a structural convergence for tubulin binding between inhibitors and a regulator of microtubule dynamics.