Un voyage moléculaire évolutif à travers le paysage structurel et dynamique des enzymes allostériques

Membres du groupe associés : Sandrine Coquille, Sylvain Engilberge, Julien Martel, Eric Girard, Bruno Franzetti, Giuseppe Zaccai

Comment la nature génère-t-elle une nouvelle fonction enzymatique, une régulation catalytique et un mécanisme de stabilisation approprié pour se replier correctement ? C’est là une question centrale en biologie. Pour y répondre, nous utilisons une approche multidisciplinaire combinant bio-informatique, biochimie, caractérisation biophysique, RMN, simulations de dynamique moléculaire et cristallographie à résolution temporelle par rayons X. Pour ces expériences résolues en temps, une nouvelle méthode de mélange in situ a été employée afin d’obtenir des instantanés précis de la catalyse, de quelques centaines de millisecondes à plusieurs minutes après le début de la réaction. Nos enzymes modèles préférées appartiennent à la grande famille des malate et lactate déshydrogénases. En utilisant des enzymes ancestrales ressuscitées, nous pouvons étudier comment les trajectoires évolutives ont façonné les différentes propriétés des enzymes contemporaines. Au stade final de notre recherche, nous décrivons les mouvements moléculaires des enzymes ancestrales et de leurs orthologues modernes, une stratégie qui nous permet de révéler comment les conformères transitoires qui peuplent le paysage conformationnel des enzymes sont enrichis par des remplacements d’acides aminés clés agissant sur la dynamique. Nous décrivons également au niveau atomique les réseaux d’interactions qui favorisent ou empêchent la propagation du signal dans une série d’enzymes représentatives non allostériques, allostériques et pré-allostériques.

De gauche à droite : Arbre phylogénétique de la famille LDH/MalDH. Cations et anions associés à la surface d’une malate déshydrogénase halophile moderne. Représentation électrostatique de la surface d’une malate déshydrogénase halophile moderne. Dessin en ruban d’une malate déshydrogénase halophile ancestrale.

Financements

ANR AlloAnc (2017-2020), AlloSpace (2022-2026)

Collaborations

La bio-informatique est réalisée par le Pr Céline Brochier-Armanet, (LBBE, Université Lyon 1). La dynamique est étudiée par Fabio Sterpone (LBT, Paris), Paul Schanda (IST-Autriche) et Roman Lichtenecker (Université de Vienne). L’effet de l’irradiation sur l’activité et la stabilité conformationnelle des lactate déshydrogénases extrêmophiles est étudié en collaboration avec le Dr Frédéric Halgand et le Pr Chantal Houée Levin (LCP, Université d’Orsay).
Les données de diffraction sont collectées à la ligne de lumière française pour l’étude des protéines.

Publications

• Pereira CS, Coquille S, Brochier-Armanet C, Sterpone F, Madern D
  Unraveling the Link Between Thermal Adaptation and Latent Allostery in Malate Dehydrogenase from Methanococcales. J Mol Biol. 2025 Nov 20:169552.

• Coquille S, Pereira CS, Roche J, Santoni G, Engilberge S, Brochier-Armanet C, Girard E, Sterpone F, Madern D
  Allostery and Evolution : A Molecular Journey Through the Structural and Dynamical Landscape of an Enzyme Super Family. Mol Biol Evol. 2025 Jan 6 ;42(1):msae265.

• Madern D, Halgand F, Houée-Levin C, Dufour AB, Coquille S, Ansanay-Alex S, Sacquin-Mora S, Brochier-Armanet C
  The Characterization of Ancient Methanococcales Malate Dehydrogenases Reveals That Strong Thermal Stability Prevents Unfolding Under Intense γ-Irradiation. Mol Biol Evol. 2024 Dec 6 ;41(12):msae231.

• Bertrand Q, Coquille S, Iorio A, Sterpone F, Madern D
  Biochemical, structural and dynamical characterizations of the lactate dehydrogenase from Selenomonas ruminantium provide information about an intermediate evolutionary step prior to complete allosteric regulation acquisition in the super family of lactate and malate dehydrogenases. J Struct Biol. (2023) 215(4):108039.

• Robin AY, Brochier-Armanet C, Bertrand Q, Barette C, Girard E, Madern D
  Deciphering Evolutionary Trajectories of Lactate Dehydrogenases Provides New Insights into Allostery. Mol Biol Evol. (2023) 40(10):msad223

• Iorio A, Roche J, Engilberge S, Coquelle N, Girard E, Sterpone F, Madern D
  Biochemical, structural and dynamical studies reveal strong differences in the thermal-dependent allosteric behavior of two extremophilic lactate dehydrogenases. J Struct Biol. (2021), 213(3), pp.107769

• Brochier-Armanet C, Madern D
  Phylogenetics and biochemistry elucidate the evolutionary link between l-malate and l-lactate dehydrogenases and disclose an intermediate group of sequences with mix functional properties. Biochimie. (2021) 191, pp.140-153

• Blanquart S, Groussin M, Le Roy A, Szöllosi GJ, Girard E, Franzetti B, Gouy M, Madern D
  Resurrection of Ancestral Malate Dehydrogenases Reveals the Evolutionary History of Halobacterial Proteins : Deciphering Gene Trajectories and Changes in Biochemical Properties. Mol Biol Evol. (2021) 38(9), pp.3754-3774

• Marina Katava, Marco Maccarini, Guillaume Villain, Alessandro Paciaroni, Michael Sztucki et al.
  Thermal activation of ’allosteric-like’ large-scale motions in a eukaryotic Lactate Dehydrogenase. Scientific Reports (2017), 7, pp.41092

• Maria Kalimeri, Eric Girard, Dominique Madern, Fabio Sterpone
  Interface matters : the stiffness route to stability of a thermophilic tetrameric malate dehydrogenase. PLoS ONE (2014), 9 (12), pp.e113895

• Jacques Philippe Colletier, Alexei aleksandrov, Nicolas Coquelle, Sonia Mraihi, Elena Mendoza-Barbera et al.
  Sampling the conformational ernergy landscape of a hyperthermophilic protein by engineering key substitutions. Mol Biol Evol (2012) 29(6), pp1683-1194.