2017

Pascal Poignard parmi les chercheurs les plus cités au monde

Chaque année, la société d’édition Thomson Reuters (devenu Clarivate Analytics) analyse les articles scientifiques couvrant 21 champs disciplinaires, publiés au cours des 11 dernières années dans des revues internationales. Ces données permettent d’obtenir une liste d’environ 3000 chercheurs qui se sont distingués en publiant un grand nombre d’articles qui se classent parmi les 1% les plus cités dans leurs domaines respectifs. Un chercheur de l’IBS, Pascal Poignard, responsable du Groupe VIH et Virus Humains Persistants et Professeur des universités-praticien hospitalier (CHUGA & UGA), figure sur la liste 2017 des 3 300 chercheurs les plus cités dans le monde (catégorie "Microbiologie") .
Les travaux de l’équipe de Pascal Poignard se concentrent sur l’étude des réponses des anticorps neutralisants à large spectre (AcLS) telles qu’elles se développent chez de rares individus infectés par le VIH. La compréhension de la coévolution virus-anticorps qui amène à la sélection d’AcLS devrait permettre la conception d’immunogènes efficaces ainsi que la mise au point de nouvelles stratégies de vaccination pour prévenir l’infection par le VIH.

Les phages : nouvel éclairage sur le fonctionnement de ces redoutables nanomachines tueuses de bactéries

Les bactéries aussi sont attaquées par des virus : les bactériophages. Ces particules sont formées d’une capside renfermant le matériel génétique et d’une queue reconnaissant l’hôte. Mais comment l’extrémité de la queue et la capside communiquent-elles ? Différentes équipes de l’Institut de Biologie Structurale ont répondu à cette question en déterminant la structure du tube de la queue en combinant cryo microscopie électronique et cristallographie. Cette étude a été publiée dans Nature Communication.

Les bactériophages, virus qui attaquent les bactéries, sont l’entité biologique la plus abondante et la plus diversifiée sur Terre. Ils sont présents dans tous les biotopes, de la haute atmosphère aux fosses océaniques profondes en passant par nos intestins et le lait maternel. Tueurs de bactéries, mais également vecteurs d’information génétique entre bactéries, les phages ont un rôle essentiel dans l’évolution, la diversité et la régulation des populations bactériennes. Ils ont par exemple un impact majeur sur les cycles biogéochimiques de la matière et sur le climat. Ils jouent également un rôle important dans l’acquisition de toxines par les souches bactériennes qui peuvent alors devenir infectieuses pour l’homme. Cependant, prédateurs naturels des bactéries, ils commencent à être utilisés pour soigner les maladies infectieuses dues à des bactéries qui sont de plus en plus résistantes aux antibiotiques.
Les phages sont, dans leur grande majorité, composés d’une capside renfermant le matériel génétique, et d’une queue protéique permettant la reconnaissance de l’hôte et l’injection de l’ADN viral dans le cytoplasme de la bactérie. Ceci conduit au détournement de la machinerie biosynthétique de l’hôte au profit de la synthèse de nouveaux et nombreux virions, libérés en fin de cycle par l’éclatement de la bactérie. Les auteurs s’intéressent aux mécanismes moléculaires qui permettent aux phages d’injecter leur matériel génétique dans le cytoplasme de la bactérie après reconnaissance spécifique de leur hôte, en travaillant sur le phage T5 qui possède une longue queue flexible et qui attaque la bactérie Escherichia coli. Ils ont dans un premier temps déterminé la structure atomique à 2,2 Å de résolution par cristallographie aux rayons X de la protéine majeure de queue, mettant en évidence une duplication de domaine au sein de la protéine : chaque sous-domaine est l’homologue structural i) des protéines majeures de queue des phages à longue queue, contractile ou non, ii) des protéines majeures de tube du système de sécrétion de type VI de différentes bactéries et iii) de la protéine majeure du tube des pyocines R. Ces deux derniers systèmes sont des seringues moléculaires structuralement homologues aux queues contractiles des phages, que les bactéries ont hérité des phages pour en faire des machineries permettant d’injecter des toxines dans des cellules cible ou concurrentes, ou des bactéricides sécrétées par des souches de Pseudomonas aeruginosa, respectivement. Ainsi, les auteurs ont pu confirmer que toutes ces protéines majeures de tube, bien que non reliées par homologie de séquence, ont une homologie de structure importante, confirmant leur origine commune.
Les auteurs ont dans un deuxième temps déterminé la structure du tube de la queue du phage à 6 Å de résolution, avant et après reconnaissance de l’hôte, par cryo microscopie électronique. Ils ont pu montrer que, contrairement au mécanisme jusqu’alors proposé, l’information de reconnaissance de l’hôte n’est pas transmise jusqu’à la capside par le tube de la queue ! En effet, les deux structures sont identiques, à la résolution d’étude. Ils proposent que cette fonction soit assurée par la protéine vernier qui, insérée dans le lumen du tube, sert d’échafaudage à la polymérisation de la protéine majeure de queue et détermine la longueur de la queue. Cette protéine serait repliée dans un état métastable au sein de la queue : l’interaction avec l’hôte induirait des modifications de la structure de l’extrémité de la queue, déstabilisant la protéine vernier qui serait alors expulsée de la queue. Ceci constituerait le signal permettant à la capside de s’ouvrir et libérer l’ADN viral. Aux vues de la grande conservation de structure des protéines majeures de queues, les auteurs proposent que ce mécanisme soit commun à tous les phages à longue queue, qui ne représentent pas moins de 86% des phages.

Bacteriophage T5 tail tube structure suggests a trigger mechanism for Siphoviridae DNA ejection. Charles-Adrien Arnaud, Grégory Effantin, Corinne Vivès, Sylvain Engilberge, Maria Bacia, Pascale Boulanger, Eric Girard, Guy Schoehn and Cécile Breyton. Nature Communication ; doi:10.1038/s41467-017-02049-3

Le coloriage innovant et spécifique de la surface du pneumocoque

Le peptidoglycane (PG) est la molécule vedette de la paroi bactérienne. Chez les bactéries Gram-positives, les acides teïchoiques (TA) font figurent de parents pauvres bien que représentant environ la moitié de la masse des molécules de surface. Ces glycopolymères, ancrés sur la membrane plasmique ou sur le PG, sont décorés, chez le pneumocoque, par des phosphorylcholines (PCho). Cette propriété a été exploitée pour marquer les TA afin de pouvoir les localiser et les suivre au cours du cycle cellulaire. Le marquage se déroule en deux étapes simples : culture des pneumocoques en présence de Propargyl-choline puis couplage des PCho modifiées liées aux TA avec un fluorophore par chimie « click ». Ce marquage efficace et spécifique, réalisé sur bactéries vivantes, a révélé la probable co-localisation des machines moléculaires de synthèse du PG et des TA. Il permet aussi de repérer les pneumocoques dans un mélange de bactéries, une capacité exploitable pour le diagnostic médical (Figure). Ce travail initié dans le Groupe Pneumocoque de l’IBS a bénéficié d’un excellent partenariat avec le Département de Pharmacochimie Moléculaire de l’UGA et d’une contribution importante en analyses moléculaires de la part de collaborateurs en Allemagne.

Specific and spatial labeling of choline-containing teichoic acids in Streptococcus pneumoniae by click chemistry. Di Guilmi AM, Bonnet J, Peiβert S, Durmort C, Gallet B, Vernet T, Gisch N, Wong YS. Chemical Commununications (Camb) ;53(76):10572-10575

Un instrument clé des neurosciences révèle un de ses secrets

Le traitement de l’information dans le cerveau repose sur l’activité électrique des neurones elle-même contrôlée par l’ouverture et la fermeture de canaux ioniques membranaires permettant le passage d’ions à travers la membrane des neurones. En induisant par manipulation génétique l’expression dans des cellules excitables (neurones ou cellules musculaires) de canaux ioniques activables par la lumière (notamment les canaux cationiques ChannelRhodopsin 1 et 2), il devient possible de contrôler par la lumière l’activité électrique de ces cellules et ce avec une excellente résolution spatiotemporelle. Ceci a été démontré dès 2003 et a fait de la ChannelRhodopsin2 (ChR2) un instrument clé de l’optogénétique dans le champ des neurosciences. En 2010, l’optogénétique a été désignée "Méthode de l’année" dans tous les domaines scientifiques et techniques par la revue de recherche interdisciplinaire Nature Methods.

Malgré l’importance extraordinaire de la protéine ChannelRhodopsin2, aucune structure à haute résolution de cette protéine n’avait été obtenue jusqu’à présent et les mécanismes fins du mode opératoire de ChR2 et des autres ChannelRhodopsins restaient très hypothétiques.

Dans ce travail, les chercheurs du groupe MEMBRANE de l’IBS et leurs collaborateurs ont utilisé une approche de cristallisation en phase lipidique pour déterminer à haute résolution la structure cristalline de ChR2 et d’un mutant (C128T) ayant une durée de vie à l’état ouvert plus longue. Ce travail a permis de mettre en lumière les mécanismes moléculaires de la Channelrhodopsin 2 et notamment de comprendre comment la photoisomérisation du rétinal, le chromophore présent dans cette protéine, contrôle l’ouverture au sein de cette même protéine d’un pore perméable aux ions. Ces travaux sont essentiels pour la conception dans le futur de meilleurs outils optogénétiques.

Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2. Volkov O, Kovalev K., Polovinkin V, Borshchevskiy V, Bamann C, Astashkin R, Marin E, Popov A, Balandin T, Willbold D, Büldt G, Bamberg E, Gordeliy V. Science : Vol. 358, Issue 6366, pp. 1000-1001.

Structure de l’ADN polymérase du virus de la vaccine

Malgré l’éradication en 1979 du virus de la variole, le virus le plus dévastateur de la famille des poxvirus, ces virus présentent toujours un risque de réémergence, que ce soit par le biais d’une utilisation bioterroriste ou à l’occasion d’une introduction à partir d’un réservoir animal. Des chercheurs de l’IBS, en collaboration avec des scientifiques de l’IRBA, ont déterminé la structure cristallographique de l’ADN polymérase E9 du virus de la vaccine, à une résolution de 2,7 Å. Elle représente une cible antivirale importante car elle est à 98 % identique à celle du virus de la variole. En utilisant une combinaison d’approches comme la sensibilité de peptides à l’échange hydrogène/deutérium analysée par spectrométrie de masse et l’effet de mutations analysé par résonance plasmonique de surface, nous avons localisé le site d’interaction avec le cofacteur A20/D4. La connaissance détaillée des interfaces entre les différentes sous-unités pourrait être utilisée pour la conception d’inhibiteurs interférant avec l’assemblage du complexe tout comme la structure à haute résolution permet de comprendre le mécanisme d’antiviraux et de mutations de résistance.

The vaccinia virus DNA polymerase structure provides insights into the mode of processivity factor binding. Tarbouriech N, Ducournau C, Hutin S, Mas PJ, Man P, Forest E, Hart DJ, Peyrefitte CN, Burmeister WP, Iseni F. Nature Communications ;8(1):1455

Résistance aux antibiotiques : une nouvelle cible dans la paroi bactérienne

Depuis leur introduction dans le marché international dans les années 30, les antibiotiques type b-lactamine, comme les pénicillines et céphalosporines, sont le traitement de choix pour des infections qui vont de la pneumonie jusqu’à la peste bubonique. Les b-lactamines perturbent la machinerie de la formation de la paroi cellulaire en bloquant l’activité des Penicillin-Binding Proteins (PBPs), qui catalysent les dernières étapes de la synthèse du peptidoglycane, un composant essentiel de la paroi bactérienne. Lors de la synthèse du composant principal de la paroi, les PBPs participent aux différentes étapes du cycle cellulaire (élongation et division). Ceci explique pourquoi plusieurs PBPs sont indispensables pour la survie bactérienne. Nous avons donc pu caractériser, pour la première fois, le complexe entre une PBP et MreC, une protéine du cytosquelette bactérien, qui sert comme ‘ancre’ pour d’autres membres du complexe d’elongation. Le complexe PBP2 :MreC représente donc le ‘cœur’ structurale de l’elongasome, et toute atteinte à sa formation, par exemple par l’introduction de mutations, empêche la bonne formation de la paroi lors de l’élongation des cellules filles, générant des cellules de diamètre aberrant et qui éventuellement meurent. La superficie d’interaction entre les deux proteines pourrait etre une cible potentielle pour le developpement d’inhibiteurs specifiques. Détails

Molecular architecture of the PBP2:MreC core bacterial cell wall synthesis complex. Contreras-Martel C, Martins A, Ecobichon C, Maragno Trindade D, Mattei PJ, El Ghachi M, Hicham S, Hardouin P, Boneca IG, Dessen A. Nature Communications

Inauguration d’une plateforme de cryomicroscopie électronique sur le Campus EPN

Un cryo-microscope électronique, TITAN KRIOS, a été inauguré le 10 novembre à l’ESRF, le Synchrotron Européen, basé à Grenoble. Cette inauguration s’est tenue en présence d’Ada Yonath, lauréate du prix Nobel de Chimie 2009, de Francesco Sette, directeur général de l’ESRF et de l’ensemble des partenaires qui vont faire fonctionner cette plateforme collaborative : l’IBS (Institut de Biologie Structurale), l’EMBL (Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire) et l’ILL (Institut Laue Langevin). Cette plateforme de cryo-microscopie électronique va offrir, à la communauté scientifique européenne et internationale, un équipement innovant, complémentaire des techniques déjà proposées par l’ESRF et ses partenaires pour la biologie structurale. Elle va permettre de mieux comprendre le monde du vivant à l’échelle atomique et répondre à des enjeux de santé majeurs.

Dossier de presse

Communiqué de presse

Nobel de chimie : le vivant vitrifié sous le regard du microscope électronique

Le jury du prix Nobel de chimie met cette année la biologie structurale sur le devant de la scène. Jacques Dubochet, Joachim Frank et Richard Henderson reçoivent les honneurs pour la mise au point de la cryo-microscopie électronique. Décryptage par Guy Schoehn. responsable du groupe de Microscopie Electronique et Méthodes de l’IBS

Cristallophore, un outil tout-en-un pour la cristallographie des protéines

La cristallographie des rayons X est une méthode de choix pour déterminer la structure 3D des macromolécules biologiques. En effet, cette méthode est à l’origine de 90 % des structures présentes dans la Protein Data Bank. Comme son nom l’indique, la cristallographie repose sur l’utilisation d’un cristal de bonne qualité qui sera soumis à un rayonnement X. Dans le cas des macromolécules biologiques, l’obtention de tels cristaux reste un processus aléatoire encore mal compris et constitue le point bloquant majeur de la méthode. Le second goulot d’étranglement est inhérent à la méthode puisque lié au processus même de détermination de la structure à partir des données expérimentales (problème de la phase). Ainsi, on estime que seuls 30 % des protéines purifiées produiront des cristaux et qu’un cristal sur deux, qui présente une diffraction satisfaisante, permettra de déterminer la structure d’intérêt.
Dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire de chimie de l’ENS-Lyon et le groupe ELMA de l’IBS, nous avons développé une famille de complexes de lanthanide que nous avons dénommée cristallophore (Xo4). En effet, le premier d’entre eux, Tb-Xo4, facilite la cristallisation des protéines, conduit à l’obtention de conditions de cristallisation uniques et permet la détermination des structures grâce au fort pouvoir phasant des lanthanides. Xo4 est donc un outil unique qui permet de résoudre simultanément les deux verrous majeurs de la bio-cristallographie.
La technologie Xo4 a bénéficié du soutien financier de l’ANR et de la SATT Pulsalys et est protégée par brevet n° WO2017103545. Une licence exclusive a été octroyée à la société POLYVALAN (www.polyvalan.com), spin-off de l’ENS-Lyon et de l’IBS, pour la synthèse et la commercialisation de ces molécules.

Crystallophore : a versatile lanthanide complex for protein crystallography combining nucleating effects, phasing properties, and luminescence. Engilberge S, Riobe F, Di Pietro S, Lassalle L, Coquelle N, Arnaud CA, Pitrat D, Mulatier JC, Madern D, Breyton C, Maury O, Girard E. Chemical Science. DOI : 10.1039/c7sc00758b

Le Groupe Machines de Réplication Virale de Marc Jamin, labellisé Equipe FRM

Le groupe Machines de Réplication Virale (VRM) de Marc Jamin vient d’être labellisé "Equipe FRM 2017".
Le Programme "Espoirs de la recherche" de la Fondation pour la Recherche Médicale (FRM) accorde des financements sur trois ans à des équipes de recherches sélectionnées sur la base de projets particulièrement innovants et labellisées « Équipes FRM ». Dans ce cadre, le groupe Machines de Réplication Virale (VRM) de Marc Jamin a obtenu un financement de 395 000€ de la FRM, qui débutera le 1er octobre pour 3 ans et vise à améliorer notre connaissance des mécanismes de la réplication virale et ouvrir la voie au développement d’antiviraux.
Il s’agit d’un soutien fort et durable accordé par la FRM à des équipes proposant un programme de recherche innovant en biologie avec des applications potentielles en santé. Une trentaine d’équipes sont ainsi soutenues en France chaque année.

En quoi consiste le projet sélectionné ?
Les interactions protéine-protéine sont au cœur de tous les processus biologiques, y compris de la réplication des virus, et constituent un vaste ensemble largement sous-exploité de cibles thérapeutiques. Différents types d’interface, appelés “motif linéaire”, constitués de courtes séquences d’acides aminés contigus sont abondamment utilisés par les virus pour assembler leurs complexes réplicatifs et détourner des machines moléculaires de leurs hôtes. Ce projet vise à : (1) caractériser des interactions protéine-protéine impliquant une interface de ce type au sein de la machine réplicative de divers virus ou d’interactions hôte-virus, (2) démontrer que des peptides mimant ces interfaces bloquent la réplication de ces virus et (3) optimiser ces peptides par des méthodes combinatoires d’évolution dirigée afin d’augmenter leur affinité ou d’étendre leur spectre d’activité.

Une nouvelle lumière sur les états noirs des protéines fluorescentes

Les protéines fluorescentes photoconvertibles (PCFPs) sont les marqueurs les plus utilisés en microscopie super-résolution « PALM ». Cependant, en plus de leurs formes verte (native) et rouge (photo-convertie), ces protéines ont une fâcheuse tendance à passer de manière stochastique dans de multiples états noirs non fluorescents, ie à « scintiller ». Les travaux publiés s’intéressent aux états noirs atteints depuis la forme verte des PCFPs et révèlent leur importance pour la microscopie PALM. Le premier article montre que ces états noirs limitent fortement l’efficacité du processus de photoconversion vert-rouge. Le deuxième, en collaboration avec une équipe allemande, montre que les PCFPs peuvent être classées en deux catégories. Les PCFPs de la première catégorie scintillent moins dans leur forme verte, et il est montré que la photo-conversion vert-rouge dite « amorçée » fonctionne. Ce n’est pas le cas pour les PCFPs de la seconde catégorie, qui scintillent plus. Il est montré que ce processus de photoconversion amorcée, récemment découvert par une équipe suisse, permet de réduire de manière substantielle la phototoxicité des expériences.

Photoswitching of Green mEos2 by Intense 561-nm Light Perturbs Efficient Green-to-Red Photoconversion in Localization Microscopy. D. Thédié, R. Berardozzi, V. Adam, D. Bourgeois. J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 4424−4430

A General Mechanism of Photoconversion of Green-to-Red Fluorescent Proteins Based on Blue and Infrared Light Reduces Phototoxicity in Live-Cell Single-Molecule Imaging. B. Turkowyd, A. Balinovic, D. Virant, H. G. Gölz Carnero, F. Caldana, M. Endesfelder, D. Bourgeois, and U. Endesfelder. Angewandte Chemie International Edition England ; 56, 1-7

AminoCraft : apprendre les acides aminées en s’amusant

Deux enseignantes-chercheuses de l’IBS ont développé une application ludique pour apprendre la structure chimique des 20 acides aminés.

Communiqué de presse

Disponible gratuitement, en français et en anglais, en téléchargement sur smartphone (Android ou Apple), cette application « embarquée » ne nécessite pas de connexion wifi ou mobile. Le développement de AminoCraft a été rendu possible grâce à un financement de la région Rhône Alpes Auvergne et l’aide de l’Université Grenoble Alpes.

Cinéma moléculaire ultra-rapide : voir les protéines absorber la lumière

Grâce à un procédé inédit, des scientifiques ont pu filmer les processus ultra-rapides à l’œuvre dans les protéines fluorescentes, largement utilisées comme marqueur en imagerie du vivant. Ce nouveau procédé, qui utilise des lasers gigantesques aux rayons X, permet d’étudier les processus tels que la vision, la bioluminescence et d’autres jusqu’ici inobservables. Ces travaux sont publiés dans Nature Chemistry le 11 septembre 2017 par une collaboration internationale impliquant les scientifiques de l’IBS, de l’Université de Lille, de Rennes 1 et Paris-Sud, ainsi que l’Institut Max-Planck de Heidelberg en Allemagne.

Communiqué de presse

Chromophore twisting in the excited state of a fluorescent protein captured by time-resolved serial femtosecond crystallography. Coquelle N, Sliwa M, Woodhouse J, Schirò G, Adam V, Aquila A, Barends T, Boutet S, Byrdin M, Carbajo S, De la Mora E, Doak B, Feliks M, Fieschi F, Foucar L, Guillon V, Hilpert M, Hunter M, Jakobs S, Koglin J, Kovacsova G, Lane TJ, Lévy B, Liang M, Nass K, Ridard J, Robinson J, Roome C, Ruckebusch C, Seaberg M, Thepaut M, Cammarata M, Demachy I, Field M, Shoeman R, Bourgeois D, Colletier J-P, Schlichting I, Weik M. Nature Chemistry

La RMN un outil pour la détection des interactions très faibles dans les protéines

Habituellement, les interactions CH / pi faiblement polaires sont déduites des coordonnées tridimensionnelles des protéines. Les chercheurs de l’IBS, en collaboration avec des groupes des universités de York et d’Ottawa, ont utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) en combinaison avec une stratégie optimisée de marquage isotopique des groupes méthyles (Me) pour observer directement les interactions Me / pi entre les protons des groupes Methyles et les atomes du squelette des protéines. Sur la base des résultats des calculs théoriques (DFT) et des spectres de RMN, les chercheurs fournissent des preuves convaincantes des interactions Me / pi dans les protéines et décrivent comment l’identification simple et sans ambiguïté des groupes donneurs et accepteurs de paires CH-pi peut être obtenue. Ainsi, la nécessité d’une connaissance a priori de la structure tridimensionnelle d’une protéine n’est plus un prérequis pour la caractérisation de ces interactions faibles.

Observation of CH⋅⋅⋅π Interactions between Methyl and Carbonyl Groups in Proteins. Perras FA, Marion D, Boisbouvier J, Bryce DL, Plevin MJ. Angewandte Chemie-International Edition England doi : 10.1002/anie.201702626

Comment l’environnement cristallin modifie le paysage énergétique des protéines

La compréhension de la fonction des protéines nécessite la caractérisation de leur structure ainsi que leur dynamique. Des milliers de structures « figées » existent dans les banques de données, mais relativement peu d’information est connue sur leur dynamique. Des avancés récentes en cristallographie permettent d’obtenir ces informations sur les mouvements des protéines dans leur cristal. Néanmoins, une question centrale était à ce jour peu investiguée : Comment l’empilement des protéines dans le cristal influe-t’il sur la dynamique des protéines ?
Kurauskas et al ont utilisé une combinaison de nouvelles approches de spectroscopie RMN du solide et des longues simulations de dynamique moléculaire pour éclaircir cette question. Cette étude à mis en évidence que les mouvements d’une protéine à des échelles de temps biologiquement importantes sont influencé en effet par le « packing » cristallin. Ces résultats sont importants pour les futures recherches de dynamique moléculaire par cristallographie.

Slow conformational exchange and overall rocking motion in ubiquitin protein crystals. Kurauskas V, Izmailov SA, Rogacheva O, Hessel A, Ayala I, Woodhouse J, Shilova A, Xue Y, Yuwen T, Coquelle N, Colletier JP, Skrynnikov NR, Schanda P. Nature Communications DOI:10.1038/10.1038/s41467-017-00165-8

Un mécanisme de signalisation transmembranaire par les capteurs histidine kinases

L’une des classes majeures et essentielles de récepteurs transmembranaires, présents dans tous les domaines de la vie, sont les récepteurs histidine kinases (HK), qui font partie des systèmes de signalisation à deux composants (TCS). Les mécanismes structuraux de la signalisation transmembranaire par ces récepteurs sont mal compris. Une collboration des chercheurs, dont fait partie le groupe MEMBRANE de l’IBS, a résolu les structures cristallines des domaines périplasmique, transmembranaire et cytoplasmique (domaine HAMP) du senseur de nitrate / nitrite de Escherichia coli HK NarQ dans les états ligandé et sans ligand. Ces structures révèlent que la liaison du ligand induit des réarrangements significatifs et des déplacements de type piston d’hélices transmembranaires. Les protomères des domaines HAMP subissent des mouvements de levier et convertissent les mouvements de type piston en rotation hélicoïdale. Ces résultats permettent de mieux comprendre la signalisation transmembranaire des TCS et pourraient conduire au développement de traitements antimicrobiens ciblant les TCS.

Mechanism of transmembrane signaling by sensor histidine kinases. Gushchin I, Melnikov I, Polovinkin V, Ishchenko A, Yuzhakova A, Buslaev P, Bourenkov G, Grudinin S, Round E, Balandin T, Borshchevskiy V, Willbold D, Leonard G, Büldt G, Popov A, Gordeliy V. Science ;356(6342

Comment le phytoplancton domine-t-il les océans ?

La photosynthèse est un processus unique qui, dans le monde vivant, a permis la colonisation des terres et des océans, respectivement par les plantes et le phytoplancton. Si les mécanismes de la photosynthèse sont bien connus chez les plantes, les scientifiques commencent seulement à comprendre comment le phytoplancton a développé une photosynthèse. Dans le cadre d’une collaboration internationale, des chercheurs de l’Institut de Biosciences et Biotechnologies de Grenoble (BIG), de l’Institut de biologie structurale (IBS), de l’Institut nanosciences et cryogénie (INAC), de l’Institut de Biologie Physico-Chimique (IBPC), de l’ETH Zurich (Suisse) et de l’Université de Konstanz (Allemagne) proposent un modèle structural du processus photosynthétique chez le phytoplancton, en étudiant la diatomée Phaeodactylum tricornutum. Ces résultats sont publiés le 20 Juin 2017 dans Nature communications.

Communiqué/Press release

Plastid thylakoid architecture optimises photosynthesis in diatoms. Flori S, Jouneau PH, Bailleul B, Gallet B, Estrozi LF, Moriscot C, Bastien O, Eicke S, Schober A, Río Bártulos C, Maréchal E, Kroth PG, Petroutsos D, Zeeman S, Breyton C, Schoehn G, Falconet D and Finazzi G. Nature Communications ;8:15885.

Désagregation sélective des nanotubes de carbone par la protéine de l’immunité innée C1q

La protéine de l’immunité innée C1q est une protéine multifonctionnelle. En tant qu’élément de la première ligne de défense immunitaire, C1q peut interagir avec divers corps étrangers et déclencher une réaction de défense plus ou moins puissante, tout en jouant un rôle essentiel dans de nombreux processus physiopathologiques. Au vu des récents développements des nanotubes de carbone (NTC) en vue d’applications biomédicales, les scientifiques des groupes MEM et IRPAS de l’IBS, en collaboration avec le LIEN et le SCBM, ont jugé essentiel d’étudier leur interaction avec C1q. Alors que cette question a déjà été abordée d’un point de vue toxicologique ou clinique, aucun travail antérieur ne l’a abordé du point de vue de la physique.
Cette étude quantifie pour la première fois par un calcul théorique la force de liaison du domaine globulaire de la protéine C1q aux NTC en solution. Ce calcul valide en particulier une observation expérimentale claire : la désagrégation sélective par C1q de NTC de diamètre suffisant. En effet, les résultats des calculs théoriques, réalisés avec des modèles atomiques, prédisent sans équivoque que les molécules C1q dissocient les faisceaux de NTC uniquement si les diamètres de NTC sont supérieurs à 10 nm. Ces prédictions sont en accord avec les observations réalisées par microscopie électronique en transmission. Comme la dispersion des NTC a été un problème de longue date, cette propriété de C1q à les disperser, ainsi que les autres résultats de notre étude, peuvent s’avérer utiles pour le développement d’applications biomédicales des NTC.

Human Immune Protein C1q Selectively Disaggregates Carbon Nanotubes. Saint-Cricq M, Carrete J, Gaboriaud C, Gravel E, Doris E, Thielens N, Mingo N, Ling WL. Nano Letters ;17(6):3409-3415

Un nouveau moyen de lutter contre les infections fongiques mortelles

Les champignons pathogènes sont responsables d’infections généralisées mortelles, avec 800 000 victimes par an. Un consortium collaboratif* entre trois instituts de recherche de Grenoble, l’Institut Pasteur et l’Université de Californie du Sud a découvert que la protéine Bdf1, membre d’une famille ubiquitaire de facteurs régulant l’expression des gènes, est essentielle à la survie des champignons pathogènes. Ils ont identifié des inhibiteurs spécifiques de cette protéine capables de tuer les levures. Ce travail, publié le 18 mai 2017 dans la revue Nature Communications, ouvre de grands espoirs pour le développement d’une nouvelle classe de médicaments antifongiques. (Détails)

* Équipes de Carlo Petosa (Institut de Biologie Structurale), Jérôme Govin (Institut de Biosciences et Biotechnologies de Grenoble), Muriel Cornet (TIMC-IMAG-TheREx, CHU Grenoble Alpes), Christophe d’Enfert (Institut Pasteur) et Charles McKenna (University of Southern California, Los Angeles).

Selective BET bromodomain inhibition as an antifungal therapeutic strategy. Mietton F, Ferri E, Champleboux M, Zala N, Maubon D, Zhou Y, Harbut M, Spittler D, Garnaud C, Courçon M, Chauvel M, d’Enfert C, Kashemirov BA, Hull M, Cornet M, McKenna CE, Govin J, Petosa C. Nature Communications 8:15482.

Mise en évidence d’un mécanisme d’arrêt de croissance des racines des plantes

Le Groupe de Microscopie Electronique et Méthodes de l’IBS, en collaboration avec le le Laboratoire de Biologie végétale et microbiologie environnementales de Cadarache et le Leibniz Institute of Plant Biochemistry ont mis en évidence un mécanisme d’arrêt de la croissance racinaire des plantes lors d’une carence en phosphate dans le sol. L’exploitation de ces résultats permettrait d’améliorer la résistance de plantes cultivées dans les sols acides ou pauvres en phosphates, ou d’augmenter leurs propriétés d’extraction de métaux polluants. Les résultats de cette étude sont parus dans Nature Communications le 15 mai 2017.

Communique de presse / Press release

Low phosphate activates STOP1-ALMT1 to rapidly inhibit root cell elongation. Balzergue C, Dartevelle T, Godon C, Laugier E, Meisrimler C, Teulon J-M, Creff A, Bissler M, Brouchoud C, Hagège A, Müller J, Chiarenza S, Javot H, Becuwe-Linka N, David P, Péret B, Delannoy E, Thibaud M-C, Armangaud J, Abel S, Pellequer J-L, Nussaume L and Desnos T. Nat. Commun. 8 : 15300.

Découverte de la structure d’une particule fondamentale de la chromatine

Un consortium international, dont fait partie le groupe VIC de l’IBS, dévoile la structure complète du nucléosome. Ce travail représente une avancée très importante dans la connaissance de l’organisation moléculaire de la chromatine qui joue un rôle essentiel dans de nombreux processus nucléaires, tels que l’expression des gènes, la réplication de l’ADN et la réparation de l’ADN endommagé. Cette étude a été publiée le 4 mai 2017 dans la revue Molecular Cell (détails).

Structure and Dynamics of a 197 bp Nucleosome in Complex with Linker Histone H1. Jan Bednar, Isabel Garcia-Saez, Ramachandran Boopathi, Amber R. Cutter, Gabor Papai, Anna Reymer, Sajad H. Syed, Imtiaz Nisar Lone, Ognyan Tonchev, Corinne Crucifix, Hervé Menoni, Christophe Papin, Dimitrios A. Skoufias, Hitoshi Kurumizaka, Richard Lavery, Ali Hamiche, Jeffrey J. Hayes, Patrick Schultz, Dimitar Angelov, Carlo Petosa, Stefan Dimitrov. Molecular Cell. Published : May 4, 2017. vol 66. issue 3, p384–397. DOI : http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2017.04.012

Polyvalan (start-up émanant de l’IBS et de l’ENS Lyon) et Pulsalys signent un contrat d’exploitation exclusif pour déterminer facilement la structure 3D des protéines

Communique de presse / Press release

PULSALYS, la Société d’Accélération du Transfert de Technologies de Lyon Saint-Etienne annonce la signature d’une licence exclusive avec POLYVALAN, visant à faciliter la détermination de structures de protéines. POLYVALAN, qui bénéficie du savoir-faire de l’IBS et de l’ENS-Lyon, est spécialisée dans le développement, la fabrication et la commercialisation d’additifs chimiques innovants dédiés à la biologie structurale.

Découverte d’un mécanisme moléculaire permettant aux bactéries de lutter contre la réponse immunitaire humaine à l’infection

L’organisme est doté de plusieurs parades pour résister à une infection bactérienne. Par exemple, la réponse immunitaire initiale à une infection est médiée par des globules blancs qui produisent de l’oxyde nitrique (NO), toxique pour les organismes vivants. Au cours de leur évolution, les bactéries ont développé un arsenal pour lutter contre cette réponse immunitaire. Elles synthétisent notamment NsrR, une protéine qui joue un rôle clé dans la détection de l’NO et la résistance de la bactérie à ce gaz. Cette protéine régulatrice « repère » en effet les molécules NO et contrôle l’activation ou l’inactivation de certains gènes.
Les chercheurs du groupe Metalloprotéines de l’IBS, en collaboration avec des collègues de l’Université d’East Anglia (UEA, Royaume Uni), a déterminé la structure de NsrR par radiocristallographie et montré comment cette protéine détecte l’NO. NsrR contient un type spécialisé de cofacteur - une composante supplémentaire d’une protéine nécessaire à son activité - appelée agrégat fer-soufre. Malgré la fragilité des différentes configurations de la protéine, les chercheurs ont pu accéder à son architecture lorsque le cofacteur est lié au reste de la protéine ou lorsqu’il est absent. Les différences observées ont permis de comprendre le mécanisme de repérage des molécules NO. Plus précisément, les changements structurels entre les deux formes montrent comment NsrR bascule entre une configuration liant l’ADN et une configuration non-liante, ce qui lui permet de réguler l’activation ou la désactivation de la production d’enzymes qui combattent le NO en le neutralisant.
Les processus permettant aux agents pathogènes de survivre aux réponses immunitaires humaines est complexe, et ces résultats sont une étape supplémentaire vers le développement de stratégies d’intervention qui désactivent cette réponse.

Crystal structures of the NO sensor NsrR reveal how its iron-sulfur cluster modulates DNA binding. Anne Volbeda, Erin L. Dodd, Claudine Darnault, Jason C. Crack, Oriane Renoux, Matthew I. Hutchings, Nick E. Le Brun & Juan C. Fontecilla-Camps. Nature Com ;8:15052

Développement de stratégies innovantes pour observer la formation des machineries biologiques

Dans le cadre du projet ERC SeeNanoLifeInAction, des chercheurs de l’IBS (groupes de RMN Biomoléculaire, Microscopie Electronique et Méthodes et Spectrométrie de Masse native de complexes protéiques), ont pour la première fois pu “filmer” le processus d’auto-assemblage d’une machinerie biologique dodécamérique d’un demi mégadalton. (détails).

Unraveling Self-Assembly Pathways of the 468 kDa Proteolytic Machine TET2. Pavel Macek, Rime Kerfah, Elisabetta Boeri Erba, Elodie Crublet, Christine Moriscot, Guy Schoehn, Carlos Amero, Jerome Boisbouvier. Science Advances ; vol3, n4, e1601601

La remarquable complexité de la biosynthèse de la vitamine B6

La principale enzyme responsable de la biosynthèse de la vitamine B6 est l’enzyme dodecamérique Pdx1, dont le mécanisme est resté longtemps énigmatique. Pdx1 catalyse la condensation de deux glucides phosphorylés et de l’ammoniac en une forme active de vitamine B6. La réaction complexe implique plus de dix étapes catalytiques et deux sites actifs éloignés. Parmi les nombreux intermédiaires successivement formés lors de la réaction, plusieurs sont colorés, ce qui facilite leur détection in crystallo par spectroscopie optique au Cryobench, plateforme IBS/ESRF, avant la résolution de leur structure sur les lignes de lumière de Biologie Structurale. En particulier, l’intermédiaire I320, qui absorbe fortement dans la région UV se forme après que le premier glucide et l’ammoniac ont été ajoutés. La structure cristallographique montre la présence d’un double adduit covalent entre deux résidus lysine distants situés dans chacun des sites actifs. Ensuite, la réorientation d’une lysine déplace le produit vers le second site actif. La position de relais de l’intermédiaire I320 est une solution élégante de transfert d’intermédiaire, et représente un nouvel exemple de mécanisme de canalisation de substrat où l’utilisation d’attaches covalentes empêche la perte d’intermédiaires vers le solvant environnant et maintient une haute concentration apparente de substrat.

Lysine relay mechanism coordinates intermediate transfer in vitamin B6 biosynthesis. Rodrigues M, Windeisen V, Zhang Y, Guedez G, Weber S, Strohmeier M, Hanes J, Royant A, Evans G, Sinning I, Ealick S, Begley T & Tews I. Nat. Chem. Biol. ;13(3):290-294.

Nouvel éclairage sur la formation des nucléosomes

Les cellules eucaryotes comportent des molécules d’ADN très longues rigoureusement emballées et enveloppées autour des protéines d’histones pour former des structures connues sous le nom de nucléosomes. Bien que ce soit un moyen utile de stocker l’ADN, il rend également l’ADN inaccessible à de nombreuses molécules qui activent les gènes, copient de l’ADN ou effectuent d’autres processus cellulaires importants. Pour éviter cela, les cellules décomposent sélectivement des nucléosomes particuliers et éliminent les histones. Après la réplication de l’ADN, les nucléosomes doivent être réassemblés pour reconditionner l’ADN.
Un seul nucléosome contient quatre paires d’histones, dont deux paires sont constituées des histones H3 et H4. Les chaperons histone assemblent les nucléosomes dans un processus en deux étapes. Tout d’abord, deux des paires H3-H4 (c’est-à-dire un tétramère) interagissent avec l’ADN et forment un complexe macromoléculaire. Ensuite, deux autres paires d’histones différentes se lient pour compléter le nucléosome. Une enzyme appelée CAF1 est connue pour charger les tétrastes H3-H4 sur l’ADN lorsque l’ADN est en cours de copie. De cette façon, les nucléosomes emballent l’ADN nouvellement fabriqué. La façon dont CAF1 dépose les tétrastes H3-H4 sur l’ADN n’est pas connue.
Le laboratoire EMBL dirigé par Daniel Panne, l’équipe se Spectrométrie de masse de l’IBS et les scientifiques de l’Institut Curie et de l’Université Paris-Sud ont étudié la fonction CAF1 de levure par SEC-MALLS, AUC, SAXS et spectrométrie de masse native (MS). Ils ont montré que chaque enzyme CAF1 est capable de lier une seule paire H3-H4. Ensuite, deux enzymes CAF1 se lient à l’ADN et attaquent un tétramère H3-H4. Le tétramère est formé de cette façon pour s’assurer que les histones sont correctement transmises à l’ADN après que l’ADN a été copié.
Ces résultats expliquent la séquence des événements clés qui se déroulent lorsque CAF1 attache les tétrastes H3-H4 sur l’ADN, ce qui constitue la première étape de formation des nucléosomes. Mieux comprendre le fonctionnement de CAF1 nous permettra de mieux comprendre la formation des nucléosomes.

Insights into the molecular architecture and histone H3-H4 deposition mechanism of yeast Chromatin assembly factor 1. Sauer PV, Timm J, Liu D, Sitbon D, Boeri-Erba E, Velours C, Mücke N, Langowski J, Ochsenbein F, Almouzni G, Panne D. Elife ;6. pii : e23474. doi : 10.7554/eLife.23474

Inauguration de la salle graphique 3D du CIBB

L’inauguration de la salle graphique 3D du bâtiment CIBB sur le Campus EPN a eu lieu le 17 février 2017.
Située dans le Carl-Ivar Brandèn Building (CIBB), cette salle a été mise à disposition par l’IBS, le matériel a pu être acquis grâce au financement du Labex “Grenoble Alliance for Integrated Structural & Cell Biology” (GRAL) et de l’UFR de Chimie-Biologie de l’UGA. L’installation a été réalisée avec l’aide des personnels des instituts du Partenariat pour la Biologie Structurale (PSB).
Cette salle, dédiée aux cours en biologie structurale pour les étudiants en master et en thèse, ainsi qu’aux ateliers pratiques du site EPN, offre 10 stations de travail sous Debian Linux avec une carte graphique Nvidia permettant un travail en 3D avec des lunettes stéréoscopiques. La salle peut accueillir jusqu’à 20 étudiants.

Etude d’une protéine membranaire en nanodisques natifs par RMN du solide à détection du proton

Dans les cellules, les protéines membranaires sont impliquées dans des nombreux processus essentiels. Cependant, leur étude est rendue compliquée par le fait que ces protéines doivent être extraites de la membrane native. Ceci implique habituellement la solubilisation de la membrane par des détergents avant que les protéines purifiées sont reconstituées dans des membranes modèles comme des liposomes, bicelles ou des nanodisques, stabilisées par des protéines amphipathiques.
En collaboration avec J. Dörr et A. Killian (Membrane Biochemistry and Biohysics, Bijvoet Center for Biomolecular Research, Utrecht, NL) nous avons démontré que les nanodisques dites natifs, contenant une protéine CDF (cation diffusion facilitator) bactérienne, peuvent être étudiés par la RMN du solide à haute résolution. Ces nanodisques natifs ont été obtenus par l’extraction directe de la protéine membranaire à l’aide d’un copolymère, le Styrene Maleic Acid (SMA). L’originalité de cette approche réside dans un échantillon contenant la protéine membranaire dans des bicouches composées des lipides natifs, et ceci sans l’utilisation des détergents. Nous avons observé que des caractéristiques RMN de ces échantillons sont très favorables et proches de ceux des protéines cristallines. Cette étude ouvre la voie pour les études à résolution atomique des protéines membranaires dans un environnement membranaire qui ressemble étroitement aux membranes natives.

Proton-Detected Solid-State NMR Spectroscopy of a Zinc Diffusion Facilitator Protein in Native Nanodiscs. Bersch B, Dörr JM, Hessel A, Killian JA, Schanda P. Angew Chem Int Ed Engl. 2017 Jan 27. doi : 10.1002/anie.201610441.

Une nouvelle technique pour sonder la dynamique des protéines par RMN

La biologie structurale a produit un nombre impressionnant de structures à haute résolution de protéines dans leurs états natifs (à basse énergie). Cependant, il est bien connu que les protéines sont des entités dynamiques, et que des conformations alternatives à plus haute énergie, aussi appelés états excités, ont souvent un rôle important pour la fonction de la protéine ou son implication dans une maladie. La spectroscopie RMN permet d’étudier la dynamique de protéines à l’échelle atomique sur une vaste échelle de temps. En particulier, la RMN de dispersion-relaxation permet d’accéder à des échanges entre différents états à l’échelle de la milliseconde. Cela donne des informations sur la cinétique de l’échange, les populations des états (thermodynamique), ainsi que les changements de structure. Afin de sonder les états excités, séparés par des barrières énergétiques plus importantes, la RMN en temps réel est la technique de choix. Dans ce travail, publié dans la revue JACS, nous avons combiné ces deux techniques puissantes de RMN, permettant ainsi d’accéder à la dynamique dans des états de courte durée de vie, qui apparaissent par exemple de manière transitoire lors du repliement d’une protéine. Appliqué à la b2 microglobuline, une protéine qui forme des fibres amyloïdes chez des patients sous dialyse, nous avons ainsi pu caractériser un échange monomère-dimère dans un état intermédiaire de repliement qui est considéré responsable de l’initiation du processus d’agrégation.

Probing Conformational Exchange Dynamics in a Short-Lived Protein Folding Intermediate by Real-Time Relaxation–Dispersion NMR. FrancoSergio R, Caballero G, Ayala I, Favier A and Brutscher B. Journal of the American Chemical Society ; 139(3):1065-1068