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Institut de Biologie StructuraleGrenoble / France

Comment un électron et un proton modulent la fixation d’une protéine à l’ADN

La protéine bactérienne RsrR, qui contient un centre [2Fe-2S], régule l’expression des gènes qui sont impliqués directement ou indirectement dans l’équilibre redox de la cellule. L’oxydo-réduction du centre fer-soufre contrôle la fixation à son site régulateur dans l’ADN ; seule la forme oxydée +2 peut le fixer. En 2019, le groupe IBS/Metallo en collaboration avec le Pr. Nick Le Brun (University of East Anglia, UK) a publié la première structure cristalline de RsrR (Volbeda et al., JACS 2019) montrant une coordination Cys, Cys, Glu, His, inédite pour un centre fer-soufre. La comparaison des modèles protéiques oxydé et réduit a révélé deux conformations, Out (en vert dans la figure) et In (en orange), pour un résidu tryptophane (W) conservé et le déplacement concomitant d’une histidine (H).
Dans cette nouvelle étude, les deux groupes, en collaboration avec le Dr Jean-Marie Mouesca (IRIG-DIESE-SyMMES-CAMPE), ont résolu la structure de RsrR liée à l’ADN où les trois résidus clés (W, H et Y en noir dans la figure) adoptent une conformation plus proche de la forme Out. En combinant la modification chimique de W, la mutagenèse dirigée, la cristallographie aux rayons X, les calculs quantiques et les simulations de dynamique moléculaire et de métadynamique,ils ont pu montrer que Out et In correspondent aux formes oxydée et réduite du centre fer-soufre, respectivement. De plus, ils ont pu déterminer que sa réduction (1 dans la figure) rend le pKa de l’histidine H plus basique ; la double protonation de H résultante (2) entraine le déplacement significatif de W, H et Y (3). Le moment dipolaire de W répond aux changements électrostatiques causés par la réduction. Finalement, la forme In, ainsi produite, se dissocie de l’ADN (4).
Cette étude a permis de jeter les bases du mécanisme par lequel la protéine RsrR régule la synthèse et la fonction du cofacteur universel NAD. Ce dernier est impliqué dans la photosynthèse, la production d’ATP et la respiration cellulaire.

Electron and Proton Transfers Modulate DNA Binding by the Transcription Regulator RsrR. Crack JC, Amara P, Volbeda A, Mouesca JM, Rohac R, Pellicer Martinez MT, Huang CY, Gigarel O, Rinaldi C, Le Brun NE, Fontecilla-Camps JC. J Am Chem Soc, 142(11):5104-5116 (2020).