Institut de Biologie StructuraleGrenoble / France

2018

Un centres Fe-S modifié module le dommage oxydant subi par l’hydrogénase à [Ni-Fe]

Les hydrogénases sont des enzymes d’un intérêt considérable pour leurs applications biotechnologiques potentielles à la fois en tant que catalyseurs dans des piles à combustible que productrices d’hydrogène. Cependant, ces applications peuvent être grandement affectées par leurs réactions avec l’oxygène atmosphérique. Afin de mieux comprendre ce problème, nous avons étudié une mutation de l’hydrogénase-1 à [NiFe] -naturellement tolérante à l’O2- d’E. coli, qui, en changeant son agrégat [4Fe-3S] en un nouveau centre [4Fe -4S], la rend sensible à l’O2. Notre étude théorique explique en détail les différentes propriétés rédox de ces deux agrégats et jette une lumière considérable sur la solution biologique pour éviter la désactivation par l’O2.

X-ray structural, functional and computational studies of the O2-sensitive E. coli hydrogenase-1 C19G variant reveal an unusual [4Fe–4S] cluster. A. Volbeda, J. M. Mouesca, C. Darnault, M. M. Roessler, A. Parkin, F. A. Armstrong and J. C. Fontecilla-Camps. ChemComm ; accepted 4th June 2018, DOI : 10.1039/c8cc02896f

Les opsonines C1q et MBL utilisent un site d’ancrage commun sur le récepteur cr1

CR1 (Complement receptor 1) est une glycoprotéine membranaire polymorphique impliquée dans l’élimination des agents nocifs pour l’organisme. En fixant des cibles étiquetées par des opsonines du système du complément, le récepteur CR1 à la surface des érythrocytes contribue à leur élimination par transport vers le foie puis phagocytose par des monocytes, macrophages ou neutrophiles. CR1 est un récepteur de type I de 30 modules CCP homologues qui servent de station d’ancrage des opsonines C3b et C4b du complément. Si C3b et C4b sont connues depuis longtemps comme ligands de CR1, ce n’est que plus récemment qu’il a été montré que les collagènes de défense C1q et MBL ont également un rôle d’opsonine.
Dans cette étude, l’équipe IRPAS a localisé le site de fixation de C1q et de la MBL à CR1 grâce à une stratégie de dissection moléculaire particulièrement adaptée à l’étude des protéines multi-modulaires. Le site de fixation identifié est commun pour C1q et MBL et se réduit à une paire de modules CCP24 et 25 parmi les 30 de CR1. Cette étude contribue à élargir les connaissances sur le rôle multifonctionnel des collagènes de défense du complément humain et plus particulièrement sur cette nouvelle fonction d’opsonine qui permet le transfert d’agents étrangers ou du soi modifié sur divers récepteurs cellulaires en vue de leur élimination.

C1q and MBL interact with CR1 in the same region on CCP24-25 modules. Jacquet M, Cioci G, Fouët G, Bally I, Thielens NM, Gaboriaud C, Rossi V. Frontiers in Immunology ;9, 453

L’impact du détergent sur les protéines membranaires

De nombreux processus cellulaires impliquent des protéines membranaires et la caractérisation de leur structure, interactions et dynamique reste un défi pour la biologie structurale. La difficulté est liée à la nécessité d’extraire ces protéines de leur membrane biologique pour pouvoir les étudier. Les détergents sont fréquemment utilisés mais leurs propriétés physiques diffèrent de celles des lipides. Mais à quel point la conformation des protéines membranaires en détergent est-elle comparable à celle dans la membrane ?
Dans cette étude, une famille de protéines membranaires, les transporteurs mitochondriaux, a été analysée en détail dans un détergent courant, le dodecylphosphocholine (DPC). Plusieurs études sur ces transporteurs mitochondriaux en DPC avaient déjà proposé des détails sur la structure, la dynamique et les interactions et ont interprété ces observations d’un point de vue biologique, mais leur pertinence biologique a été controversée. Les études du groupe NMR et MEMBRANE, en collaboration avec des chercheurs à Nancy et Cambridge croisent des méthodes de RMN, biochimie et simulations MD pour clarifier la situation et obtenir une vue réaliste des effets du détergent. Les résultats montrent une subtile balance des interactions entre protéine et détergent, qui induit une perturbation importante de la protéine ; la spécificité d’interaction avec des substrats est fortement impactée, et la protéine échantillonne des conformations partiellement dépliées. Une revue sur un nombre de structures obtenues en DPC illustre que ces effets sont relativement généraux, et permet de clarifier un débat sur l’impact des détergents.

1) How Detergent Impacts Membrane Proteins : Atomic-Level Views of Mitochondrial Carriers in Dodecylphosphocholine. Kurauskas V, Hessel A, Ma P, Lunetti P, Weinhäupl K, Imbert L, Brutscher B, King MS, Sounier R4, Dolce V, Kunji ERS, Capobianco L, Chipot C, Dehez F, Bersch B, Schanda P. Journal of Physical Chemistry Letters ;9(5):933-938
2) Perturbations of Native Membrane Protein Structure in Alkyl Phosphocholine Detergents : A Critical Assessment of NMR and Biophysical Studies. Chipot C, Dehez F, Schnell JR, Zitzmann N, Pebay-Peyroula E, Catoire L, Miroux B, Kunji ERS, Veglia G, Cross TA, Schanda P. Chemical Reviews ;118(7):3559-3607
3) Dynamics and interactions of ADP/ATP transporter AAC3 in DPC detergent are not functionally relevant. Kurauskas V, Hessel A, Dehez F, Chipot F, Bersch B, Schanda P. Nature Structural & Molecular Biology ;doi : https://doi.org/10.1101/317669

La clé de la réaction de biosynthèse du mévalonate chez les archées dévoilée

Les microbiologistes ont longtemps scindé le monde biologique en deux catégories : les eucaryotes, organismes multicellulaires dont nous faisons partie, et les procaryotes, organismes unicellulaires. Or, cette seconde catégorie mérite davantage d’égards car elle regroupe deux espèces bien différentes : les bactéries et les archées. On retrouve ces dernières dans les milieux extrêmes (anaérobies, à forte salinité, très chauds ou à grande profondeur), mais pas seulement. Les archées représenteraient pas moins de 20% des procaryotes en biomasse sur notre Terre ! Elles sont aujourd’hui considérées comme le troisième domaine du Vivant.
Des chercheurs de l’Institut de Biologie Structurale, en collaboration avec linstitut Max Planck (Allemagne) et l´ENS de Lyon ont déterminé la structure du complexe d’enzymes responsable de la synthèse du mévalonate, brique de base constituant la membrane des Archées. La première réaction de cette synthèse, catalysée par l’enzyme thiolase, est très endergonique (le flux de production est très faible, la réaction nécessite un apport d’énergie pour avoir lieu) ce qui est en contradiction avec la vitesse de croissance rapide des archées, et donc de leur synthèse lipidique. Les chercheurs ont joint leurs efforts pour dévoiler l´astuce moléculaire qui permet aux archées d´accélérer la vitesse de la thiolase. En la purifiant directement à partir de cellules d´archées, les chercheurs se sont aperçu que cette enzyme forme un complexe naturel avec l´HMGCS, la deuxième enzyme de la biosynthèse du mévalonate. Les deux enzymes sont maintenues ensemble par une troisième petite protéine connectrice (appelée DUF35). En utilisant le Tb-Xo4, un nouvel outil induisant la cristallisation et facilitant fortement la détermination structurale, et la technique de diffraction de rayons-X de cristaux de protéines sur la ligne de lumière PROXIMA-2A de SOLEIL, la structure du complexe protéique thiolase/HMGCS/DUF35 a été résolue.
Outre le caractère fondamental de cette découverte, ces résultats intéressent aussi le domaine de l’industrie, le mévalonate étant une molécule utilisée pour la synthèse de nombreuses substances chimiques.

Archaeal acetoacetyl-CoA thiolase/HMG-CoA synthase complex channels the intermediate via a fused CoA-binding site. Vögeli, B., Engilberge, S., Girard, E., Riobé, F., Maury, O., Erb, T.J., Shima, S., Wagner, T. PNAS, 115(13) : 3380-3385

Décryptage par spectroscopie d’échange RMN de la dynamique d’une protéine intrinsèquement désordonnée dans un complexe

Les protéines intrinsèquement désordonnées (PIDs) sont dépourvues de structure tridimensionnelle et sont fonctionnelles dans leur état désordonné. Leur grande flexibilité leur permet de s’adapter facilement à la surface de leurs partenaires et elles sont capables de se replier lors d’une interaction. Dans certains cas, elles peuvent même former un complexe « flou », dans lequel la PID n’adopte pas une seule conformation définie sur la surface du partenaire, mais continue à échantillonner plusieurs conformations dans un complexe hautement dynamique.
Le groupe FDP de l’IBS, en collaboration avec des chercheurs de l’IAB (Grenoble) et l’ENS (Paris), a réussi à obtenir une description à résolution atomique de la dynamique d’une PID sur la surface de son partenaire en utilisant des techniques d’échange par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Ils ont appliqué cette approche au complexe de signalisation formé par la protéine kinase MAPK p38α et son domaine de régulation intrinsèquement désordonné MKK4. L’étude démontre que MKK4 utilise une combinaison de modes d’interaction pour se lier à p38α, conduisant à un complexe affichant des dynamiques significativement différentes entre les régions liées. Les résultats montrent comment les PIDs peuvent s’engager dans des interactions très spécifiques sans présenter une forte affinité de liaison.

Deciphering the Dynamic Interaction Profile of an Intrinsically Disordered Protein by NMR Exchange Spectroscopy. Delaforge E, Kragelj J, Tengo L, Palencia A, Milles S, Bouvignies G, Salvi N, Blackledge M, Jensen MR. Journal of the American Chemical Society ;140(3):1148-1158

Mise en évidence d’un état « fantôme » chez les protéines fluorescentes vertes

Les protéines fluorescentes vertes (GFPs) sont des protéines utilisées comme marqueurs (génétiquement encodés) pour permettre de localiser jusqu’aux protéines individuelles par microscopie optique. Leur fluorophore est formé de trois acides aminés et il se trouve au centre d’un tonneau beta qui le protège de l’environnement. Bien que les GFPs soient doté d’un remarquable rendement d’absorption et de fluorescence, leur fluorophore est capricieux et fragile. Ainsi, il peut entrer dans des périodes dites « obscures » d’inactivité temporaire et après environ 100000 cycles d’excitation et d’émission, il s’éteint définitivement. A l’IBS, l’équipe Pixel a déjà résolu les structures de certains de ces états obscurs. Ils montrent tous des modifications chimiques plus ou moins sévères, ce qui pose la question de leur irréversibilité. On soupçonnait un état en amont où ces modifications ne sont pas encore irréversibles et dont la connaissance permettrait d’améliorer le comportement des GFP. Mais cet état était mal connu : quel est son caractère chimique (triplet, radical, biradical ?), son rendement (pour cents, pour milles ?), son temps de vie (nano-, micro-, millisecondes ?), sa réactivité (oxydative, réductive, les deux ?), et son spectre d’absorption (UV, VIS, IR ?).

Grace à une collaboration avec l’équipe de Klaus BrettelL à l’I2BC (CEA Saclay), l’équipe Pixel du groupe DYNAMOP de l’IBS a soumis l’EGFP – protéine fluorescente paradigmatique - à des études par spectroscopie d’absorption transitoire. Il s’agit d’une technique peu appliquée auparavant aux protéines fluorescentes, que les chercheurs ont poussée aux limites de sa résolution. Cela leur a permis de détecter la signature spectrale de l’état obscur « fantôme » et de le caractériser en répondant à tous les questionnements évoqués ci-dessus. Ces avancées ouvrent la voie pour mieux comprendre le fonctionnement photophysique des protéines fluorescentes et alimentent l’espoir de trouver des clés pour leur optimisation continue.

A Long-Lived Triplet State Is the Entrance Gateway to Oxidative Photochemistry in Green Fluorescent Proteins. Byrdin M, Duan C, Bourgeois D, Brettel K. Journal of the American Chemical Society ;. doi : 10.1021/jacs.7b12755

Comment les bactéries conversent au sein des biofilms flottants

Les biofilms sont des communautés bactériennes qui présentent une résistance élevée aux antibiotiques. Au sein des biofilms, les bactéries échangent de l’information par voie chimique – un mécanisme nommé quorum-sensing. Des chercheurs de l’Institut de Biologie Structurale de Grenoble, de l’Université de la Méditerranée à Marseille, et de l’Université Jacobs à Brême ont mis en évidence que certaines bactéries forment des communautés flottantes, au sein desquelles elles sont en contact et en communication directe. Les protéines impliquées dans cette interaction pourraient être de nouvelles cibles dans la lutte contre biofilms. Détails

Porin self-association enables cell-to-cell contact in Providencia stuartii floating communities. El-Khatib M, Nasrallah C, Lopes J, Tran QT, Tetreau G, Basbous H, Fenel D, Gallet B, Lethier M, Bolla JM, Pagès JM, Vivaudou M, Weik M, Winterhalter M, Colletier JP. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2018 Feb 23. pii : 201714582. doi : 10.1073/pnas.1714582115.

Des pathogènes bactériens peuvent occasionner des modifications épigénétiques dans des cellules cibles

Le système de sécrétion de type III (T3SS) est une nanomachine complexe utilisée par plusieurs bactéries Gram-négatives pour injecter des toxines directement dans les cellules cibles. Son architecture ressemble à celle d’une seringue, et les toxines sont transportées à l’intérieur. Un aspect clé du T3SS est le translocon, un complexe entre deux protéines membranaires qui sont synthétisées dans le cytoplasme bactérien, transportées au sein de l’aiguille, et insérées directement dans la membrane de la cellule eucaryote, ce qui permet le passage de toxines. Dans ce travail, des scientifiques du groupe Pathogénie bactérienne de l’IBS, en collaboration avec des équipes de BIG et de l’Imperial college of London, ont montré que l’insertion des deux protéines du translocon (PopB et PopD) par le pathogène humain Pseudomonas aeruginosa dans des membranes cibles occasionne des modifications épigénétiques dans l’histone H3 en conséquence d’un échange d’ions à travers le pore. Ceci indique, pour la première fois, que le translocon est capable d’agir non seulement en tant que pore, mais aussi comme un véritable facteur de virulence.

Pore-forming activity of the Pseudomonas aeruginosa type III secretion system translocon alters the host epigenome. Laurent Dortet, Charlotte Lombardi, François Cretin, Andréa Dessen, Alain Filloux. Nature Microbiology 2018 Feb 5. doi : 10.1038/s41564-018-0109-7

Quand la description analytique de la relaxation RMN met en évidence une dynamique corrélée dans les protéines intrinsèquement désordonnées

La dynamique des protéines intrinsèquement désordonnées (PIDs) joue un rôle très important dans leurs mécanismes d’interaction. La RMN constitue un outil de choix pour décrire les informations sur le mouvement local au sein de protéines. Comme les PIDs échantillonnent un ensemble d’états conformationels très différents en solution, les simulations de Dynamique Moléculaire (DM) fournissent une aide précieuse permettant d’interpréter les données RMN et de modéliser la dynamique des protéines au niveau atomique. Dans le but de combiner la RMN et la DM pour l’étude des PIDs, les chercheurs du groupe FDP ont développé une méthode qui permet de séparer les contributions distinctes, décrivant différents phénomènes – les vibrations rapides des liaisons chimiques, les transitions conformationnelles locales de la chaîne principale, et la rotation des plans peptidiques. Ces contributions peuvent être calculées à partir d’un DM et comparés directement aux vitesses de relaxation mesurées par RMN. L’un des avantages de ce modèle est de permettre de définir de façon simple mais rigoureuse la corrélation entre les mouvements de différents résidus d’acides aminés. Cela donne pour la première fois une description claire de l’organisation de plusieurs résidus en unités dynamiques (segments) et de la corrélation entre des segments distincts. Ce sont ces mouvements qui sont soupçonnés de jouer un rôle très important dans la fonction de PIDs.

Analytical Description of NMR Relaxation Highlights Correlated Dynamics in Intrinsically Disordered Proteins. Salvi N, Abyzov A, Blackledge M. Angewandte Chemie International Edition England  ;56(45):14020-14024.

Antibiotiques et chimie radicalaire : les dessous du mécanisme de la 1,2-diol déshydratase AprD4

Le développement de nouveaux antibiotiques est un enjeu majeur pour lutter contre les phénomènes accrus de résistance. De plus, les voies de biosynthèse de nombreux produits naturels sont une source importante d’inspiration pour le développement de nouveaux procédés de synthèse chimiques plus efficaces et plus respectueux de l’environnement. A ce titre, la chimie radicalaire, en impliquant des intermédiaires à haute énergie, permet des réactions difficiles en milieu aqueux. La famille des protéines dites à ‘radical SAM’ est capable de contrôler ces intermédiaires pour des réactions régio- et stéréo- spécifiques. La structure cristalline de la protéine AprD4, résolue par le groupe Métalloprotéines de l’IBS en collaboration avec le groupe du Pr Qi Zhang de l’Université de Fudan (Shanghai, Chine), révèle que, de façon exceptionnelle, l’organisation tridimensionnelle du site actif, tout en gardant la spécificité de reconnaissance, laisse le substrat libre d’adopter différentes conformations afin d’éliminer une molécule d’eau d’une position spécifique. Cette modification permet à certains antibiotiques de la famille des aminoglycosides de devenir insensibles aux principaux mécanismes de résistance bactériens.

1,2-diol dehydration by the radical SAM enzyme AprD4 - a matter of proton circulation and substrate flexibility. Liu WQ, Amara P, Mouesca JM, Ji X, Renoux O, Martin L, Zhang C, Zhang Q, Nicolet Y. Journal of the American Chemical Society 2018 Jan 4. doi : 10.1021/jacs.7b10501. [Epub ahead of print]