Institut de Biologie StructuraleGrenoble / France

2017

La RMN un outil pour la détection des interactions très faibles dans les protéines

Habituellement, les interactions CH / pi faiblement polaires sont déduites des coordonnées tridimensionnelles des protéines. Les chercheurs de l’IBS, en collaboration avec des groupes des universités de York et d’Ottawa, ont utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) en combinaison avec une stratégie optimisée de marquage isotopique des groupes méthyles (Me) pour observer directement les interactions Me / pi entre les protons des groupes Methyles et les atomes du squelette des protéines. Sur la base des résultats des calculs théoriques (DFT) et des spectres de RMN, les chercheurs fournissent des preuves convaincantes des interactions Me / pi dans les protéines et décrivent comment l’identification simple et sans ambiguïté des groupes donneurs et accepteurs de paires CH-pi peut être obtenue. Ainsi, la nécessité d’une connaissance a priori de la structure tridimensionnelle d’une protéine n’est plus un prérequis pour la caractérisation de ces interactions faibles.

Observation of CH⋅⋅⋅π Interactions between Methyl and Carbonyl Groups in Proteins. Perras FA, Marion D, Boisbouvier J, Bryce DL, Plevin MJ. Angewandte Chemie-International Edition England doi : 10.1002/anie.201702626

Comment l’environnement cristallin modifie le paysage énergétique des protéines

La compréhension de la fonction des protéines nécessite la caractérisation de leur structure ainsi que leur dynamique. Des milliers de structures « figées » existent dans les banques de données, mais relativement peu d’information est connue sur leur dynamique. Des avancés récentes en cristallographie permettent d’obtenir ces informations sur les mouvements des protéines dans leur cristal. Néanmoins, une question centrale était à ce jour peu investiguée : Comment l’empilement des protéines dans le cristal influe-t’il sur la dynamique des protéines ?
Kurauskas et al ont utilisé une combinaison de nouvelles approches de spectroscopie RMN du solide et des longues simulations de dynamique moléculaire pour éclaircir cette question. Cette étude à mis en évidence que les mouvements d’une protéine à des échelles de temps biologiquement importantes sont influencé en effet par le « packing » cristallin. Ces résultats sont importants pour les futures recherches de dynamique moléculaire par cristallographie.

Slow conformational exchange and overall rocking motion in ubiquitin protein crystals. Kurauskas V, Izmailov SA, Rogacheva O, Hessel A, Ayala I, Woodhouse J, Shilova A, Xue Y, Yuwen T, Coquelle N, Colletier JP, Skrynnikov NR, Schanda P. Nature Communications DOI:10.1038/10.1038/s41467-017-00165-8

Comment le phytoplancton domine-t-il les océans ?

La photosynthèse est un processus unique qui, dans le monde vivant, a permis la colonisation des terres et des océans, respectivement par les plantes et le phytoplancton. Si les mécanismes de la photosynthèse sont bien connus chez les plantes, les scientifiques commencent seulement à comprendre comment le phytoplancton a développé une photosynthèse. Dans le cadre d’une collaboration internationale, des chercheurs de l’Institut de Biosciences et Biotechnologies de Grenoble (BIG), de l’Institut de biologie structurale (IBS), de l’Institut nanosciences et cryogénie (INAC), de l’Institut de Biologie Physico-Chimique (IBPC), de l’ETH Zurich (Suisse) et de l’Université de Konstanz (Allemagne) proposent un modèle structural du processus photosynthétique chez le phytoplancton, en étudiant la diatomée Phaeodactylum tricornutum. Ces résultats sont publiés le 20 Juin 2017 dans Nature communications.

Communiqué/Press release

Plastid thylakoid architecture optimises photosynthesis in diatoms. Flori S, Jouneau PH, Bailleul B, Gallet B, Estrozi LF, Moriscot C, Bastien O, Eicke S, Schober A, Río Bártulos C, Maréchal E, Kroth PG, Petroutsos D, Zeeman S, Breyton C, Schoehn G, Falconet D and Finazzi G. Nature Communications ;8:15885.

Un nouveau moyen de lutter contre les infections fongiques mortelles

Les champignons pathogènes sont responsables d’infections généralisées mortelles, avec 800 000 victimes par an. Un consortium collaboratif* entre trois instituts de recherche de Grenoble, l’Institut Pasteur et l’Université de Californie du Sud a découvert que la protéine Bdf1, membre d’une famille ubiquitaire de facteurs régulant l’expression des gènes, est essentielle à la survie des champignons pathogènes. Ils ont identifié des inhibiteurs spécifiques de cette protéine capables de tuer les levures. Ce travail, publié le 18 mai 2017 dans la revue Nature Communications, ouvre de grands espoirs pour le développement d’une nouvelle classe de médicaments antifongiques. (Détails)

* Équipes de Carlo Petosa (Institut de Biologie Structurale), Jérôme Govin (Institut de Biosciences et Biotechnologies de Grenoble), Muriel Cornet (TIMC-IMAG-TheREx, CHU Grenoble Alpes), Christophe d’Enfert (Institut Pasteur) et Charles McKenna (University of Southern California, Los Angeles).

Selective BET bromodomain inhibition as an antifungal therapeutic strategy. Mietton F, Ferri E, Champleboux M, Zala N, Maubon D, Zhou Y, Harbut M, Spittler D, Garnaud C, Courçon M, Chauvel M, d’Enfert C, Kashemirov BA, Hull M, Cornet M, McKenna CE, Govin J, Petosa C. Nature Communications 8:15482.

Mise en évidence d’un mécanisme d’arrêt de croissance des racines des plantes

Le Groupe de Microscopie Electronique et Méthodes de l’IBS, en collaboration avec le le Laboratoire de Biologie végétale et microbiologie environnementales de Cadarache et le Leibniz Institute of Plant Biochemistry ont mis en évidence un mécanisme d’arrêt de la croissance racinaire des plantes lors d’une carence en phosphate dans le sol. L’exploitation de ces résultats permettrait d’améliorer la résistance de plantes cultivées dans les sols acides ou pauvres en phosphates, ou d’augmenter leurs propriétés d’extraction de métaux polluants. Les résultats de cette étude sont parus dans Nature Communications le 15 mai 2017 (voir communiqué de presse).

Low phosphate activates STOP1-ALMT1 to rapidly inhibit root cell elongation. Balzergue C, Dartevelle T, Godon C, Laugier E, Meisrimler C, Teulon J-M, Creff A, Bissler M, Brouchoud C, Hagège A, Müller J, Chiarenza S, Javot H, Becuwe-Linka N, David P, Péret B, Delannoy E, Thibaud M-C, Armangaud J, Abel S, Pellequer J-L, Nussaume L and Desnos T. Nat. Commun. 8 : 15300.

Découverte de la structure d’une particule fondamentale de la chromatine

Un consortium international, dont fait partie le groupe VIC de l’IBS, dévoile la structure complète du nucléosome. Ce travail représente une avancée très importante dans la connaissance de l’organisation moléculaire de la chromatine qui joue un rôle essentiel dans de nombreux processus nucléaires, tels que l’expression des gènes, la réplication de l’ADN et la réparation de l’ADN endommagé. Cette étude a été publiée le 4 mai 2017 dans la revue Molecular Cell (détails).

Structure and Dynamics of a 197 bp Nucleosome in Complex with Linker Histone H1. Jan Bednar, Isabel Garcia-Saez, Ramachandran Boopathi, Amber R. Cutter, Gabor Papai, Anna Reymer, Sajad H. Syed, Imtiaz Nisar Lone, Ognyan Tonchev, Corinne Crucifix, Hervé Menoni, Christophe Papin, Dimitrios A. Skoufias, Hitoshi Kurumizaka, Richard Lavery, Ali Hamiche, Jeffrey J. Hayes, Patrick Schultz, Dimitar Angelov, Carlo Petosa, Stefan Dimitrov. Molecular Cell. Published : May 4, 2017. vol 66. issue 3, p384–397. DOI : http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2017.04.012

Polyvalan (start-up émanant de l’IBS et de l’ENS Lyon) et Pulsalys signent un contrat d’exploitation exclusif pour déterminer facilement la structure 3D des protéines

PULSALYS, la Société d’Accélération du Transfert de Technologies de Lyon Saint-Etienne annonce la signature d’une licence exclusive avec POLYVALAN, visant à faciliter la détermination de structures de protéines. POLYVALAN, qui bénéficie du savoir-faire de l’IBS et de l’ENS-Lyon, est spécialisée dans le développement, la fabrication et la commercialisation d’additifs chimiques innovants dédiés à la biologie structurale. Voir le communiqué de presse.

Découverte d’un mécanisme moléculaire permettant aux bactéries de lutter contre la réponse immunitaire humaine à l’infection

L’organisme est doté de plusieurs parades pour résister à une infection bactérienne. Par exemple, la réponse immunitaire initiale à une infection est médiée par des globules blancs qui produisent de l’oxyde nitrique (NO), toxique pour les organismes vivants. Au cours de leur évolution, les bactéries ont développé un arsenal pour lutter contre cette réponse immunitaire. Elles synthétisent notamment NsrR, une protéine qui joue un rôle clé dans la détection de l’NO et la résistance de la bactérie à ce gaz. Cette protéine régulatrice « repère » en effet les molécules NO et contrôle l’activation ou l’inactivation de certains gènes.
Les chercheurs du groupe Metalloprotéines de l’IBS, en collaboration avec des collègues de l’Université d’East Anglia (UEA, Royaume Uni), a déterminé la structure de NsrR par radiocristallographie et montré comment cette protéine détecte l’NO. NsrR contient un type spécialisé de cofacteur - une composante supplémentaire d’une protéine nécessaire à son activité - appelée agrégat fer-soufre. Malgré la fragilité des différentes configurations de la protéine, les chercheurs ont pu accéder à son architecture lorsque le cofacteur est lié au reste de la protéine ou lorsqu’il est absent. Les différences observées ont permis de comprendre le mécanisme de repérage des molécules NO. Plus précisément, les changements structurels entre les deux formes montrent comment NsrR bascule entre une configuration liant l’ADN et une configuration non-liante, ce qui lui permet de réguler l’activation ou la désactivation de la production d’enzymes qui combattent le NO en le neutralisant.
Les processus permettant aux agents pathogènes de survivre aux réponses immunitaires humaines est complexe, et ces résultats sont une étape supplémentaire vers le développement de stratégies d’intervention qui désactivent cette réponse.

Crystal structures of the NO sensor NsrR reveal how its iron-sulfur cluster modulates DNA binding. Anne Volbeda, Erin L. Dodd, Claudine Darnault, Jason C. Crack, Oriane Renoux, Matthew I. Hutchings, Nick E. Le Brun & Juan C. Fontecilla-Camps. Nature Com ;8:15052

Développement de stratégies innovantes pour observer la formation des machineries biologiques

Dans le cadre du projet ERC SeeNanoLifeInAction, des chercheurs de l’IBS (groupes de RMN Biomoléculaire, Microscopie Electronique et Méthodes et Spectrométrie de Masse native de complexes protéiques), ont pour la première fois pu “filmer” le processus d’auto-assemblage d’une machinerie biologique dodécamérique d’un demi mégadalton. (détails).

Unraveling Self-Assembly Pathways of the 468 kDa Proteolytic Machine TET2. Pavel Macek, Rime Kerfah, Elisabetta Boeri Erba, Elodie Crublet, Christine Moriscot, Guy Schoehn, Carlos Amero, Jerome Boisbouvier. Science Advances ; vol3, n4, e1601601

La remarquable complexité de la biosynthèse de la vitamine B6

La principale enzyme responsable de la biosynthèse de la vitamine B6 est l’enzyme dodecamérique Pdx1, dont le mécanisme est resté longtemps énigmatique. Pdx1 catalyse la condensation de deux glucides phosphorylés et de l’ammoniac en une forme active de vitamine B6. La réaction complexe implique plus de dix étapes catalytiques et deux sites actifs éloignés. Parmi les nombreux intermédiaires successivement formés lors de la réaction, plusieurs sont colorés, ce qui facilite leur détection in crystallo par spectroscopie optique au Cryobench, plateforme IBS/ESRF, avant la résolution de leur structure sur les lignes de lumière de Biologie Structurale. En particulier, l’intermédiaire I320, qui absorbe fortement dans la région UV se forme après que le premier glucide et l’ammoniac ont été ajoutés. La structure cristallographique montre la présence d’un double adduit covalent entre deux résidus lysine distants situés dans chacun des sites actifs. Ensuite, la réorientation d’une lysine déplace le produit vers le second site actif. La position de relais de l’intermédiaire I320 est une solution élégante de transfert d’intermédiaire, et représente un nouvel exemple de mécanisme de canalisation de substrat où l’utilisation d’attaches covalentes empêche la perte d’intermédiaires vers le solvant environnant et maintient une haute concentration apparente de substrat.

Lysine relay mechanism coordinates intermediate transfer in vitamin B6 biosynthesis. Rodrigues M, Windeisen V, Zhang Y, Guedez G, Weber S, Strohmeier M, Hanes J, Royant A, Evans G, Sinning I, Ealick S, Begley T & Tews I. Nat. Chem. Biol. ;13(3):290-294.

Nouvel éclairage sur la formation des nucléosomes

Les cellules eucaryotes comportent des molécules d’ADN très longues rigoureusement emballées et enveloppées autour des protéines d’histones pour former des structures connues sous le nom de nucléosomes. Bien que ce soit un moyen utile de stocker l’ADN, il rend également l’ADN inaccessible à de nombreuses molécules qui activent les gènes, copient de l’ADN ou effectuent d’autres processus cellulaires importants. Pour éviter cela, les cellules décomposent sélectivement des nucléosomes particuliers et éliminent les histones. Après la réplication de l’ADN, les nucléosomes doivent être réassemblés pour reconditionner l’ADN.
Un seul nucléosome contient quatre paires d’histones, dont deux paires sont constituées des histones H3 et H4. Les chaperons histone assemblent les nucléosomes dans un processus en deux étapes. Tout d’abord, deux des paires H3-H4 (c’est-à-dire un tétramère) interagissent avec l’ADN et forment un complexe macromoléculaire. Ensuite, deux autres paires d’histones différentes se lient pour compléter le nucléosome. Une enzyme appelée CAF1 est connue pour charger les tétrastes H3-H4 sur l’ADN lorsque l’ADN est en cours de copie. De cette façon, les nucléosomes emballent l’ADN nouvellement fabriqué. La façon dont CAF1 dépose les tétrastes H3-H4 sur l’ADN n’est pas connue.
Le laboratoire EMBL dirigé par Daniel Panne, l’équipe se Spectrométrie de masse de l’IBS et les scientifiques de l’Institut Curie et de l’Université Paris-Sud ont étudié la fonction CAF1 de levure par SEC-MALLS, AUC, SAXS et spectrométrie de masse native (MS). Ils ont montré que chaque enzyme CAF1 est capable de lier une seule paire H3-H4. Ensuite, deux enzymes CAF1 se lient à l’ADN et attaquent un tétramère H3-H4. Le tétramère est formé de cette façon pour s’assurer que les histones sont correctement transmises à l’ADN après que l’ADN a été copié.
Ces résultats expliquent la séquence des événements clés qui se déroulent lorsque CAF1 attache les tétrastes H3-H4 sur l’ADN, ce qui constitue la première étape de formation des nucléosomes. Mieux comprendre le fonctionnement de CAF1 nous permettra de mieux comprendre la formation des nucléosomes.

Insights into the molecular architecture and histone H3-H4 deposition mechanism of yeast Chromatin assembly factor 1. Sauer PV, Timm J, Liu D, Sitbon D, Boeri-Erba E, Velours C, Mücke N, Langowski J, Ochsenbein F, Almouzni G, Panne D. Elife ;6. pii : e23474. doi : 10.7554/eLife.23474

Inauguration de la salle graphique 3D du CIBB

L’inauguration de la salle graphique 3D du bâtiment CIBB sur le Campus EPN a eu lieu le 17 février 2017.
Située dans le Carl-Ivar Brandèn Building (CIBB), cette salle a été mise à disposition par l’IBS, le matériel a pu être acquis grâce au financement du Labex “Grenoble Alliance for Integrated Structural & Cell Biology” (GRAL) et de l’UFR de Chimie-Biologie de l’UGA. L’installation a été réalisée avec l’aide des personnels des instituts du Partenariat pour la Biologie Structurale (PSB).
Cette salle, dédiée aux cours en biologie structurale pour les étudiants en master et en thèse, ainsi qu’aux ateliers pratiques du site EPN, offre 10 stations de travail sous Debian Linux avec une carte graphique Nvidia permettant un travail en 3D avec des lunettes stéréoscopiques. La salle peut accueillir jusqu’à 20 étudiants.


Etude d’une protéine membranaire en nanodisques natifs par RMN du solide à détection du proton

Dans les cellules, les protéines membranaires sont impliquées dans des nombreux processus essentiels. Cependant, leur étude est rendue compliquée par le fait que ces protéines doivent être extraites de la membrane native. Ceci implique habituellement la solubilisation de la membrane par des détergents avant que les protéines purifiées sont reconstituées dans des membranes modèles comme des liposomes, bicelles ou des nanodisques, stabilisées par des protéines amphipathiques.
En collaboration avec J. Dörr et A. Killian (Membrane Biochemistry and Biohysics, Bijvoet Center for Biomolecular Research, Utrecht, NL) nous avons démontré que les nanodisques dites natifs, contenant une protéine CDF (cation diffusion facilitator) bactérienne, peuvent être étudiés par la RMN du solide à haute résolution. Ces nanodisques natifs ont été obtenus par l’extraction directe de la protéine membranaire à l’aide d’un copolymère, le Styrene Maleic Acid (SMA). L’originalité de cette approche réside dans un échantillon contenant la protéine membranaire dans des bicouches composées des lipides natifs, et ceci sans l’utilisation des détergents. Nous avons observé que des caractéristiques RMN de ces échantillons sont très favorables et proches de ceux des protéines cristallines. Cette étude ouvre la voie pour les études à résolution atomique des protéines membranaires dans un environnement membranaire qui ressemble étroitement aux membranes natives.

Proton-Detected Solid-State NMR Spectroscopy of a Zinc Diffusion Facilitator Protein in Native Nanodiscs. Bersch B, Dörr JM, Hessel A, Killian JA, Schanda P. Angew Chem Int Ed Engl. 2017 Jan 27. doi : 10.1002/anie.201610441.

Une nouvelle technique pour sonder la dynamique des protéines par RMN

La biologie structurale a produit un nombre impressionnant de structures à haute résolution de protéines dans leurs états natifs (à basse énergie). Cependant, il est bien connu que les protéines sont des entités dynamiques, et que des conformations alternatives à plus haute énergie, aussi appelés états excités, ont souvent un rôle important pour la fonction de la protéine ou son implication dans une maladie. La spectroscopie RMN permet d’étudier la dynamique de protéines à l’échelle atomique sur une vaste échelle de temps. En particulier, la RMN de dispersion-relaxation permet d’accéder à des échanges entre différents états à l’échelle de la milliseconde. Cela donne des informations sur la cinétique de l’échange, les populations des états (thermodynamique), ainsi que les changements de structure. Afin de sonder les états excités, séparés par des barrières énergétiques plus importantes, la RMN en temps réel est la technique de choix. Dans ce travail, publié dans la revue JACS, nous avons combiné ces deux techniques puissantes de RMN, permettant ainsi d’accéder à la dynamique dans des états de courte durée de vie, qui apparaissent par exemple de manière transitoire lors du repliement d’une protéine. Appliqué à la b2 microglobuline, une protéine qui forme des fibres amyloïdes chez des patients sous dialyse, nous avons ainsi pu caractériser un échange monomère-dimère dans un état intermédiaire de repliement qui est considéré responsable de l’initiation du processus d’agrégation.

Probing Conformational Exchange Dynamics in a Short-Lived Protein Folding Intermediate by Real-Time Relaxation–Dispersion NMR. FrancoSergio R, Caballero G, Ayala I, Favier A and Brutscher B. Journal of the American Chemical Society ; 139(3):1065-1068