Structure, fonction, dynamique et évolution au sein d’une grande famille de déshydrogénases

Membres du groupe associés : Sandrine Coquille, Eric Girard, Bruno Franzetti, Giuseppe Zaccaï

Comprendre comment la nature génère de nouvelles fonctions enzymatiques, régule leur activité catalytique et développe un mécanisme de stabilisation approprié pour assurer un repliement correct constitue une question centrale en biologie. Pour y répondre, nous adoptons une approche multidisciplinaire combinant bioinformatique, biochimie, biologie structurale, caractérisations biophysiques et simulations de dynamique moléculaire.
Nos enzymes modèles de prédilection 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. À l’issue de notre démarche, nous souhaitons analyser les mouvements moléculaires des enzymes ancestrales et de leurs orthologues modernes par résonance de spin des neutrons (neutron spin echo) et par simulation de dynamique moléculaire.

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 bioinformatique est réalisée par le Pr Céline Brochier-Armanet et le Dr Manolo Gouy, (LBBE, Université Lyon 1) et le Dr Samuel Blanquart (INRIA Rennes). La dynamique est étudiée par Marco Maccarini (INAC, Grenoble) et Fabio Sterpone (LBT, Paris), par Paul Schanda (IST-Austria), Roman Lichtenecker (University of Vienna) et Gianluca Santoni (ESRF, Grenoble). 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).

Publications

• 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.