IBS - Institut de Biologie Structurale - Grenoble / France

Un transfert sous haute protection pour l'assemblage du site actif des hydrogénases à [FeFe]

2024-01-05T12:32:00Z

Le groupe Metalloprotéines s'intéresse aux relations structures fonction des métalloprotéines et notamment dans cette étude, aux mécanismes de biosynthèse du site actif des hydrogénases à [FeFe]. Ces dernières sont capables de catalyser de façon très efficace la réaction réversible d'oxydation de l'hydrogène moléculaire. Elles utilisent pour cela un centre organométallique appelé agrégat H, dont les propriétés physicochimiques et structurales servent de source d'inspiration pour l'élaboration de catalyseurs en vue d'une utilisation plus importante de l'hydrogène moléculaire comme source d'énergie renouvelable.

L'agrégat H est constitué d'un centre [Fe₄S₄] lié à un centre binucléaire de fer [2Fe]_H. Ce dernier est le site de fixation et transformation de l'hydrogène proprement dit. La biosynthèse du [2Fe]_H nécessite l'action coordonnée d'au moins trois métalloprotéines accessoires HydF, HydE et HydG et fait appel à de la chimie radicalaire. La protéine HydG est responsable, à partir de L-tyrosine, de la production des ligands cyanure et monoxyde de carbone, sous la forme d'un complexe organométallique appelé complexe-B. Ce dernier sert à son tour de substrat pour la protéine HydE dont la réaction et le produit restent inconnus. La protéine HydF, elle, sert d'échafaudage sur lequel le centre [2Fe]H est construit avant d'être inséré dans l'hydrogénase.

Ici, nous avons utilisé la protéine HydE comme une nano-cage afin de protéger puis analyser par cristallographie le complexe B produit par la protéine HydG. Nous avons aussi étudié le mode de transfert de ce composé qui est hautement instable en milieu aqueux. Nous avons aussi démontré qu'il existe une interaction directe et fugace entre les deux protéines HydG et HydE, permettant un transfert sécurisé du complexe B et évitant sa destruction. Les mécanismes de control de ce transfert sont maintenant à l'étude.

Maturation of the [FeFe]-Hydrogenase : Direct Transfer of the (κ3-cysteinate)FeII(CN)(CO)2 Complex-B from HydG to HydE. Juneina Omeiri, Lydie Martin, Anthony Usclat, Mickael V. Cherrier, and Yvain Nicolet. Angewandte Chemie International Edition 2023, e202314819.

Contact : Yvain Nicolet, chercheur CEA du groupe Métalloprotéines (IBS/METALLO)

La RMN révèle de nouveaux secrets des protéines fluorescentes utilisées en microscopie à super-résolution

2024-01-03T14:23:00Z

Credit photo : Jip Wulffelé (IBS/I2SR)

Les protéines fluorescentes photoconvertibles (PCFP) telles que mEos4b changent leur couleur de fluorescence du vert au rouge lorsqu'elles sont éclairées avec de la lumière UV. Ce sont des marqueurs très utilisés en imagerie à super-résolution, en particulier la microscopie de localisation (SMLM) quantitative et de suivi de particule unique. Les propriétés photophysiques de ces protéines sont toutefois extrêmement complexes. Dans ce travail collaboratif impliquant les groupes RMN et I2SR de l'IBS, les chercheurs ont observé par spectroscopie RMN multidimensionnelle que mEos4b présente deux conformations distinctes à l'état vert qui s'échangent lentement. La RMN a également révélé que ces conformations diffèrent au niveau des états de protonation de deux chaînes latérales d'acides aminés dans la poche du chromophore, ce qui entraîne une modification du réseau de liaisons hydrogène. Ces réarrangements subtils ne sont pas visibles dans les structures cristallographiques à haute résolution de mEos4b . Il est important de noter qu'une seule de ces conformations est capable d'être photoconvertie efficacement vers l'état rouge, tandis que l'autre semble être plus sensible au photoblanchiment. Cette étude permet d'expliquer le comportement photophysique complexe observé chez mEos4b et les PCFPs apparentées. Plus généralement, elle révèle comment la dynamique conformationnelle des protéines fluorescentes affecte leur photophysique, et en particulier les mécanismes de photoconversion des PCFPs dérivées de mEos. Enfin, leurs résultats ouvrent la voie à la conception de nouveaux variants de PCFPs dotées de meilleures propriétés de photoconversion.

Structural Heterogeneity in a Phototransformable Fluorescent Protein impacts its Photochemical Properties. Arijit Maity, Jip Wulffelé, Isabel Ayala, Adrien Favier, Virgile Adam, Dominique Bourgeois*, and Bernhard Brutscher*. Adv. Sci. (2023), 2306272 Doi : 10.1002/advs.202306272

Contacts : D. Bourgeois, chercheur CNRS du groupe Imagerie Intégrée de la Réponse au Stress (IBS/I2SR) & B. Brutscher, chercheur CEA du groupe de RMN biomoléculaire (IBS/NMR)

Cérémonie Impulscience à l'IBS en l'honneur de nos lauréates 2022 et 2023

2023-12-20T14:59:01Z

Depuis 2022, la Fondation Bettencourt Schueller propose un nouveau programme de soutien des grands talents français de la recherche en sciences de la vie : Impulscience®. Chaque année, Impulscience attribue sept bourses et l'IBS est fier de compter deux récipiendaires parmi ses chercheurs : Malene Jensen, lauréate 2022 et Rebekka Wild, lauréate 2023.

Pour souligner cette belle réussite et mettre en avant ces deux projets de recherche , une cérémonie a eu lieu à l'IBS 13 décembre 2023, en présence d'Armand de Boissière, Secrétaire général de le Fondation, Winfried Weissenhorn, Directeur de l'IBS et des représentants de nos tutelles : Pascale Bayle-Guillemaud, directrice de CEA-IRIG, Yves Mechulam, Délégué Section 20, représentant de CNRS Biologie et Anne-Catherine Favre, Vice-présidente du conseil d'administration et représentante du Président de l'Université Grenoble Alpes.

A cette occasion, les lauréates ont présenté leur projet et fait visiter leur laboratoire, ainsi que les plateformes à la pointe de la technologie qu'elles utilisent : les plateformes de RMN et de microscopie électronique.

Retrouvez l'interview de nos deux lauréates dans le JT12/13 de France 3 Alpes du 14/12/23 (sujet évoqué entre 4mn28 et 6mn47).

L'organisation du génome du virus responsable de la grippe détaillée

2023-12-18T08:17:00Z

Un outil développé à partir de nucléoprotéine virale recombinante et d'ARN synthétique, permet de proposer un modèle d'organisation du génome du virus responsable de la grippe. Dans un article publié dans la revue Science Advances, les scientifiques ont étudié, par cryo-microscopie électronique, l'assemblage de la nucléoprotéine grippale en hélice permettant ainsi de détailler les interactions protéine-protéine et protéine-ARN au sein d'une nucléocapside.

Depuis octobre 2021, l'Europe subit l'épizootie d'influenza aviaire hautement pathogène (IAHP) la plus dévastatrice qu'elle ait jamais connue. Maladie virale hautement contagieuse qui affecte à la fois les oiseaux domestiques et sauvages, la propagation du virus qui en est responsable semble d'essouffler (le Ministère de l'agriculture a recensé un total de 401 foyers confirmés dans des élevages entre août 2022 et juillet 2023, plus d'un tiers de moins que pour l'exercice précédent) et La France a ainsi , conformément aux dispositions de l'Organisation mondiale de la santé animale OMSA, récupéré son statut « indemne » d'IAHP le 14 août 2023. Il n'en demeure pas moins que le virus reste sous très haute surveillance du fait du classement du virus influenza comme agent pathogène à haut potentiel pandémique par l'OMS.

Le génome du virus de la grippe A est composé de huit molécules d'ARN simple brin de polarité négative (A). Chacune est recouverte de multiples copies de nucléoprotéines virales (NP) et leurs extrémités 3' et 5' interagissent avec une ARN-polymérase pour former le complexe ribonucléoprotéique (RNP), entité fonctionnelle de la prolifération virale. Extraites directement du virus et observées par microscopie électronique, les RNPs apparaissent être des architectures complexes, extrêmement flexibles et hautement dynamiques (B). Leurs études par cryo-microscopie électronique (cryo-ME) avaient tout juste jusqu'à présent permis d'obtenir uniquement une enveloppe moléculaire dans laquelle un positionnement imprécis des molécules de NP avait été proposé mais sans apporter de détail quant à l'interaction avec l'ARN viral.

Dans cet article publié dans la revue Science Advances, les scientifiques du Groupe Machines de Réplication Virale de l'IBS ont pris le parti de ne pas partir de RNPs purifiées à partir de virus. En s'appuyant sur leur expertise acquise lors des dix dernières années dans l'expression et la purification de la protéine NP recombinante, ils ont développé un protocole permettant d'auto-assembler in vitro à partir de protéines NP recombinantes et de petites sondes d'ARN des particules de type-RNP (C). En développant cette approche, ils ont pu produire nettement plus de matériel biologique qu'en partant de virus, condition primordiale pour mener une étude à haute résolution par cryo-ME. Les conditions expérimentales optimales pour la cryo-ME ont été mises au point sur la plateforme de microscopie électronique de l'ISBG (UMS3518) avant l'obtention d'un jeu de données de 27,000 films grâce au microscope électronique Titan Krios de la ligne CM01 de l'ESRF. Lors du traitement des données, les filaments (RNP) les plus rectilignes ont été sélectionnés et découpés in silico en segments se chevauchant. Une fois triés, les 227000 segments de plus haute qualité classifiés et moyennés pour générer un premier modèle tridimensionnel à résolution nanométrique. Ce modèle souffrant de la flexibilité inhérente aux particules de type-RNP produites, un affinement localisé a été effectué permettant d'aboutir in fine à un modèle à 5 Å de résolution (D).

Les scientifiques disposent maintenant d'une reconstruction 3D à haute résolution de ces particules similaires aux RNP grippales. Celle-ci permet de comprendre comment les molécules de nucléoprotéine interagissent entre elles au sein de cette architecture complexe flexible. Ce mode d'interaction est fortement similaire à celui observé dans les structures tridimensionnelles obtenues par diffraction des rayons X. Par contre, cette reconstruction tridimensionnelle à résolution subnanométrique obtenue par cryo-ME permet pour la première fois de visualiser l'agencement de l'ARN au sein des RNPs. Si l'ARN semble participer à la structuration de cette architecture complexe, il peut coulisser librement à la surface des protéines, sans doute pour pouvoir être facilement accessible pour l'ARN polymérase lors du cycle viral du virus de la grippe (réplication et traduction de l'information génétique au niveau des RNPs).

Cryo-EM structure of influenza helical nucleocapsid reveals NP-NP and NP-RNA interactions as a model for the genome encapsidation. Florian Chenavier, Leandro F. Estrozi, Jean-Marie Teulon, Eleftherios Zarkadas, Lily-Lorette Freslon, Jean-Luc Pellequer, Rob W.H. Ruigrok, Guy Schoehn, Allison Ballandras-Colas, Thibaut Crépin. Science Advances 2023 ; 9(50):eadj9974.
doi : 10.1126/sciadv.adj9974

Contact : Thibaut Crepin, chercheur CNRS de l'IBS (Groupe Machines de Réplication Virale)

Olfaction des insectes : spéléologie moléculaire dans un co-récepteur

2023-12-12T08:14:00Z

L'olfaction est un sens vital pour les insectes mais également d'intérêt en santé humaine et animale comme cible de répulsifs, notamment contre les insectes piqueurs, ou de pièges à phéromones contre les nuisibles. Chez les insectes ailés, les récepteurs olfactifs (OR) forment des complexes composés de sous-unités ORx liant l'odorant et de corécepteurs d'OR (Orco). Ces sous-unités ont évolué dans des directions opposées avec une haute divergence des sous-unités OR afin de reconnaître divers ligands, tandis que les sous-unités Orco sont restées hautement conservées à travers les espèces et génèrent le signal électrique en tant que canal cationique. Récemment, les structures d'un Orco et d'un OR « ancestral » ont été résolues, fournissant de précieuses informations sur ces récepteurs. Cependant, elles n'ont pas permis de comprendre comment les rares ligands d'Orco atteignent leur site de fixation, qui est suspecté être dans une cavité profondément enfouie dans le récepteur.

L'étude actuelle, menée en collaboration par des chercheurs du groupe Transporteurs membranaires de l'IBS et l'Institut de Chimie de Nice, combine des simulations approfondies de dynamique moléculaire et une caractérisation structure-fonction. Elle a révélé plusieurs caractéristiques essentielles pour la liaison du ligand, telles que i) la voie de diffusion ; ii) le processus de désolvatation du ligand ; et iii) le site de liaison de l'agoniste. Ainsi, leurs résultats apportent de nouvelles preuves de la localisation exacte du site de liaison de l'agoniste et un mécanisme détaillé et original de translocation du ligand. L'analyse des séquences de 176 Orco suggère un mécanisme largement conservé entre espèces. Ces données faciliteront le criblage virtuel et réel de nouvelles molécules pour cibler l'olfaction des insectes. En savoir plus

Elucidation of the structural basis for ligand binding and translocation in conserved insect odorant receptor co-receptors. Pacalon J, Audic G, Magnat J, Philip M, Golebiowski J, Moreau CJ, Topin J. Nat Commun 14, 8182 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44058-5

Contact : Christophe Moreau, chercheur CNRS du Groupe Transporteurs Membranaires (IBS/MEMBRANE)

Film moléculaire de la réparation de l'ADN par une photolyase

2023-12-01T07:15:43Z

La photolyase est une enzyme qui capte la lumière visible afin de réparer un brin d'ADN endommagé par le rayonnement ultraviolet. Dans une étude parue dans Science, des chercheurs ont utilisé les rayons X de lasers à électrons libres pour révéler les détails atomiques du mécanisme moléculaire de la réparation d'un brin d'ADN lésé. Pour ce faire, ils ont utilisé la cristallographie résolue en temps sur une échelle de temps allant de la centaine de picosecondes jusqu'à la centaine de microsecondes.

Antoine Royant et Sylvain Engilberge, du groupe Synchrotron de l'IBS, en compagnie de Nicolas Caramello, du groupe de Biologie Structurale de l'ESRF, ont caractérisé spectroscopiquement au laboratoire icOS les cristaux destinés au XFEL, contribué à la préparation des échantillons en conditions anaérobies sous lumière rouge lors des expériences de diffraction, puis développé une analyse globale des cartes de densité électronique afin fournir un modèle robuste de l'enchaînement des différentes étapes du mécanisme de réparation.

L'ensemble des données obtenues à deux XFEL en plusieurs sessions expérimentales constitue un véritable film moléculaire de la séquence complète des événements de la réparation de l'ADN catalysée par la photolyase, depuis l'absorption d'un photon lumineux par le cofacteur flavine jusqu'à la dissociation du complexe protéine/ADN.

Visualizing the DNA repair process by a photolyase at atomic resolution. Maestre-Reyna M, Wang PH, Nango E, Hosokawa Y, Saft M, Furrer A, Yang CH, Putu EPGN, Wu WJ, Emmerich HJ, Caramello N, Franz-Badur S, Yang C, Engilberge S, Wranik M, Glover HL, Weinert T, Wu HY, Lee CC, Huang WC, Huang KF, Chang YK, Liao JH, Weng JH, Gad W, Chang CW, Pang AH, Yang KC, Lin WT, Chang YC, Gashi D, Beale E, Ozerov D, Nass K, Knopp G, Johnson PJM, Cirelli C, Milne C, Bacellar C, Sugahara M, Owada S, Joti Y, Yamashita A, Tanaka R, Tanaka T, Luo F, Tono K, Zarzycka W, Müller P, Alahmad MA, Bezold F, Fuchs V, Gnau P, Kiontke S, Korf L, Reithofer V, Rosner CJ, Seiler EM, Watad M, Werel L, Spadaccini R, Yamamoto J, Iwata S, Zhong D, Standfuss J, Royant A, Bessho Y, Essen LO, Tsai MD. Science 2023, 382:eadd7795.

Contact : Antoine Royant, chercheur CNRS de l'IBS (Groupe Synchrotron)

Rebekka Wild, lauréate 2023 du Programme Impulscience® de la Fondation Bettencourt Schueller

2023-11-22T15:18:24Z

Rebekka Wild, chef d'équipe dans le groupe "Structure et activité des glycosaminoglycanes" à l'IBS, a reçu le 21 novembre 2023 la bourse Impulscience® de la Fondation Bettencourt Schueller pour ses travaux sur les longues chaînes de sucre, qui jouent un rôle important dans de nombreux processus cellulaires.
Comprendre la biosynthèse de ces longues chaînes participera au développement de médicaments capables de modifier leur structure, protégeant ainsi les cellules contre les infections virales ou le cancer (détails).

10 plus 10 ne font pas 20 : la réponse au stress des plantules d'Arabidopsis thaliana aux métaux Fe et Al

2023-11-21T09:51:46Z

Après la germination, les racines de plantules doivent se développer rapidement pour ancrer la plante en croissance dans le sol. Cependant, la croissance est régulée en s'assurant que l'environnement est satisfaisant pour la plante. Lorsqu'elles sont confrontées à un stress dans le sol, les racines ont un nombre très limité d'options : elles peuvent arrêter de croître, développer des racines secondaires, changer de direction. Souvent, toutes ces options sont combinées.

Les racines des plantes se développent par division et élongation cellulaires. L'un de ces processus, ou les deux, peuvent être altérés en cas de stress et une racine végétale peut ou non continuer à croître. La relation entre la croissance et l'arrêt de la croissance n'est pas clairement comprise au niveau moléculaire. Dans un travail précédent, l'équipe de JL. Pellequer au sein du groupe MEM de l'IBS a montré que l'arrêt de l'extension des racines dû à la présence de fer était concomitant avec un raidissement de la paroi cellulaire primaire externe de plantules d'Arabidopsis thaliana âgées de 4 jours.

Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont évalué non seulement la rigidification des racines des plantes sous le stress Fe, mais aussi sous le stress Al, ainsi que leur effet combiné. Pour effectuer des mesures mécaniques précises de cette rigidité sur des plantules vivantes, ils ont préalablement mis au point un protocole robuste amélioré (https://doi.org/10.1016/j.xpro.2023.102265). Les nouveaux résultats indiquent que l'utilisation d'un stress de 10 µM FeCl₂ ou 10 µM AlCl₃ ne modifiait pas la rigidité des racines des plantes ni le phénotype de croissance des racines. Cependant, en combinant 10 µM FeCl₂ avec 10 µM AlCl₃, ils ont obtenu un arrêt total de l'extension des racines et une augmentation significative de la rigidité de la paroi cellulaire externe de la plante. Ils ont décidé de stresser les racines avec 20 µM de FeCl₂ ou 20 µM d'AlCl₃. Ils ont été surpris de constater que, bien qu'aucun arrêt de l'extension des racines n'ait été observé (les plantes continuent à croître au moins pendant plusieurs jours), une augmentation significative de la rigidité de la paroi cellulaire a été mesurée (de la même manière qu'avec 10 µM FeCl₂ et 10 µM AlCl₃).
En résumé, la rigidité de la paroi cellulaire primaire externe est un bon détecteur de stress pour les plantes. Ils ont constaté que le raidissement de la paroi cellulaire n'était pas un déclencheur de l'arrêt de l'extension des racines. Ils ont proposé un mécanisme qui implique la liaison des métaux à la pectine chargée négativement pour augmenter la rigidité de la paroi cellulaire. Ils concluent également qu'en présence d'Al et de Fe, le malate agit comme un hyperaccumulateur de Fe dans l'apoplaste de la paroi cellulaire, ce qui déclenche une réponse des espèces réactives de l'oxygène conduisant à l'arrêt de la croissance.

Correlation between plant cell wall stiffening and root extension arrest phenotype in the combined abiotic stress of Fe and Al. Kaur H, Teulon J-M, Godon C, Desnos T, Chen S-wW and Pellequer J-L. Plant Cell Environ. in press. DOI:10.1111/pce.14744

Contact : Jean-Luc Pellequer, chercheur CEA de l'IBS (Groupe Microscopie Electronique et Méthodes)

Cristallographie électronique des protéines à température ambiante

2023-11-06T12:34:00Z

Par rapport à la cristallographie aux rayons X, la cristallographie électronique peut être réalisée sur des cristaux de taille nanométrique et peut fournir, à partir de la carte du potentiel de Coulomb qui en résulte (Acta Cryst. D 2021, 77, 75– 85), des informations supplémentaires, comme la valence des ions. Bien que la cristallographie électronique ait permis de résoudre avec succès les structures tridimensionnelles de protéines à partir de cristaux vitrifiés, son utilisation généralisée en tant qu'outil de biologie structurale est limitée. L'une des raisons est la fragilité de ces cristaux, qui peuvent être facilement endommagés par des contraintes mécaniques, des changements de température, etc.. Dans cette publication, en collaboration avec Nanomegas en Belgique, John Hopkins University aux Etats Unis, et Universitat Rovira en Espagne, les chercheurs du groupe MEM et du groupe GSY de l'IBS utilisent, comme alternative à la vitrification et à la cryo-microscopie électronique (Nat Commun. 2023 ; 14, 5641), le graphène pour encapsuler des nano-cristaux de lysozyme dans leur liqueur mère. Ils réalisent ensuite des expériences de diffraction électronique sur ces cristaux à température ambiante. Avec le détecteur de pixels hybrides installé sur le microscope F20 de la plateforme de microscopie électronique de l'IBS/ISBG, ces expériences permettent d'obtenir des tâches de diffraction allant jusqu'à 3Å de résolution et leur indexation est également possible grâce à un algorithme de correspondance de modèle.

High-Resolution Electron Diffraction of Hydrated Protein Crystals at Room Temperature. Plana-Ruiz S, Gómez-Pérez A, Budayova-Spano M, Foley DL, Portillo-Serra J, Rauch E, Grivas E, Housset D, Das PP, Taheri ML, Nicolopoulos S, Ling WL. ACS Nano 2023 ;17(24):24802-24813.

Contact : Wai Li Ling, chercheuse CEA du groupe Microscopie Electronique et Méthodes (IBS/MEM)

Jérôme Boisbouvier, lauréat d'une troisième prestigieuse bourse ERC

2023-10-27T09:17:03Z

Le Conseil européen de la recherche (ERC) vient de décerner une bourse "Advanced Grant" à Jérôme Boisbouvier, chercheur de l'Institut de Biologie Structurale de Grenoble (Groupe de RMN biomoléculaire), dans le cadre d'un projet visant à développer de nouvelles voies pour étudier les assemblages biomoléculaires de très haut poids moléculaire par RMN en solution.
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