NADPH oxidases (NOX) are transmembrane proteins, widely spread in eukaryotes and prokaryotes, that produce reactive oxygen species (ROS). Eukaryotes use the ROS products for innate immune defence and signaling in critical (patho)physiological processes. These enzymes facilitate electron transfer through membrane from NAD(P)H to O2 via internal relays involving a flavin cofactor (FAD) and heme groups. The production of ROS, due to their potential toxicity, implies a tight regulation of these enzymes. Despite the recent structures of human NOX isoforms, the activation of electron transfer remains incompletely understood. The Membrane & Pathogens group (M&P) at the IBS has been working on NOX enzymes and their activating partners for two decades. They discovered that some bacterial homologs are constitutively active, not requiring an activation. SpNOX, a homolog from Streptococcus pneumoniae, can serves as a robust model for exploring electron transfers in the NOX family thanks to its constitutive activity. In this work, in collaboration with the HTX lab (EMBL), the MMSB lab (Lyon) and Kennesaw State Univ. (USA) ; they obtained the crystal structures of the full-length SpNOX membrane protein and its isolated dehydrogenase (DH) domain. It revealed that both constructs use either NADPH or NADH as substrate and that the initial hydride transfer from NAD(P)H to FAD is the rate-limiting step. They identify a key phenylalanine residue for nicotinamide access to the flavin ring as well as flavin binding contributions from both DH and transmembrane domains allowing further electrons transfer to the hemes. Comparing SpNOX with human NOX enzymes shows a key difference : NAD(P)H is positioned close to FAD for efficient hydride transfer into the active site. This distance is much larger in human NOX enzymes, impeding this transfer. It provided the first explanation for the regulation of human enzymes and suggest that their activation likely involves a conformational change that aligns NADPH closer to FAD, transitioning the enzyme from a relax to a tense conformational state. These mechanistic insights provide the basis for future drug design strategies aimed at better controlling these ROS-producing enzymes in the immune response, hormone synthesis or cardiovascular disease.
Les NADPH oxydases (NOX) sont des protéines transmembranaires, largement répandues chez les eucaryotes et les procaryotes, qui produisent des espèces réactives de l’oxygène (ROS). Les eucaryotes utilisent ces ROS pour la défense immunitaire innée et la signalisation dans des processus (patho)physiologiques importants. Ces enzymes facilitent le transfert transmembranaire d’électrons du NAD(P)H à l’O2 via des relais internes impliquant un cofacteur de flavine (FAD) et des hèmes. Le groupe Membrane & Pathogens de l’IBS travaille depuis vingt ans sur les enzymes NOX et leurs partenaires activateurs. Les chercheurs ont découvert que des homologues bactériens sont actifs sans activateur. SpNOX, un homologue de Streptococcus pneumoniae, peut servir de modèle pour explorer les transferts d’électrons des NOXs grâce à son activité constitutive. Dans cette collaboration avec les laboratoires HTX (EMBL), MMSB (Lyon) et Kennesaw State Univ. (USA), les chercheurs du groupe M&P ont résolu les structures cristallines de la protéine membranaire SpNOX et de son domaine déshydrogénase (DH) isolé. Ils ont ainsi pu montrer que les deux constructions utilisent le NADPH ou le NADH comme substrat et que le transfert initial d’hydrure du NAD(P)H au FAD est l’étape limitante de la réaction. Un résidu phénylalanine clé, pour l’accès du nicotinamide au cycle du FAD, est identifié ainsi que des contributions provenant des domaines DH et transmembranaire pour la fixation du FAD, permettant le transfert des électrons vers les hèmes. La comparaison entre SpNOX et les enzymes NOX humaines souligne une différence majeure : le NAD(P)H est positionné à proximité du FAD pour un transfert d’hydrure efficace dans le site actif. Cette distance est beaucoup plus grande dans les enzymes NOX humaines, ce qui entrave ce transfert. Cette étude fournit la première explication de la régulation des enzymes humaines et suggère que leur activation implique un changement de conformation qui rapprocherait le NADPH du FAD, faisant passer l’enzyme d’un état de relaxation à un état de conformation tendu. Ces connaissances mécanistiques constitueront la base de nouvelles conceptions de molécules visant à mieux contrôler ces producteurs de ROS dans la réponse immunitaire, la synthèse hormonale ou les maladies cardiovasculaires.
X-ray structure and enzymatic study of a bacterial NADPH oxidase highlight the activation mechanism of eukaryotic NOX. Petit-Hartlein I, Vermot A, Thepaut M, Humm AS, Dupeux F, Dupuy J, Chaptal V, Marquez JA, Smith SME, Fieschi F. Elife 2024 ; 13:RP93759.
Contact : Franck Fieschi (IBS/Membrane and Pathogens Group)