IBS - Institut de Biologie Structurale - Grenoble / France

Résurrection de protéines préhistoriques thermostables et résistantes aux radiations gamma

2024-12-06T12:37:00Z

Les enzymes assurent les réactions chimiques qui fournissent l'énergie et transforment divers constituants au cours du métabolisme cellulaire. Comment ont été acquises leurs propriétés au cours de l'évolution est une question fondamentale. En effet, leur fonctionnement actuel est le fruit d'étapes évolutives qui se sont déroulées sur de très longues périodes. Dans le cadre d'un projet collaboratif avec le LBBE de Lyon et le LPC d'Orsay, des chercheurs du groupe « Extrêmophiles et grands assemblages moléculaires » de l'IBS ont caractérisé des enzymes très anciennes, dites extrêmophiles (capables de fonctionner dans des conditions extrêmes de température, pression, …), en utilisant une approche de paléo-enzymologie permettant de comprendre comment se sont construites certaines enzymes d'aujourd'hui.

Certains micro-organismes, comme les archées méthanogènes (micro-organismes unicellulaires procaryotes produisant du méthane), ont colonisés de nombreux environnements où règnent des conditions de températures très diverses. Par exemple, la température de croissance avoisine 100°C pour les espèces isolées sur des cheminées hydrothermales profondes. Leurs enzymes sont donc adaptées pour fonctionner dans ces conditions.

En utilisant la malate déshydrogénase (MalDH), enzyme impliquée dans le métabolisme, et en utilisant une approche de biochimie évolutive couplée à une approche biophysique précédemment décrite, qui a déjà fait ses preuves, il a été possible d'identifier les mutations responsables de l'adaptation de cette enzyme au sein de diverses lignées d'enzymes modernes à partir d'une forme ancestrale capable de résister à des conditions de radioactivité et de température considérées comme extrêmement délétères. Jusqu'à présent la capacité de résistance à la radioactivité n'avait été mise en évidence qu'au niveau de certaines cellules, en particulier via des mécanismes de protection/réparation de l'ADN. Pour la première fois, ces chercheurs, démontrent qu'il existe une capacité favorable de résistance contre la radioactivité et que cette propriété protéique est très ancienne.

La mise en évidence d'un lien entre la stabilité thermique d'une enzyme et sa capacité de résistance à un stress radioactif intense ouvre des perspectives vis-à-vis de l'étude des conditions d'émergence de cellules anciennes sur une Terre plus radioactive qu'aujourd'hui ou sur d'autres planètes. Cette étude contribue aussi à une meilleure connaissance du processus d'ingénierie rationnelle d'enzymes utiles à la dépollution de sites radioactifs.

Informations complémentaires :
La résurrection de protéines anciennes se base d'abord sur une méthode bio-informatique de reconstruction de séquences ancestrales. Les séquences codantes calculées sont ensuite entièrement synthétisées chimiquement. Les gènes ainsi obtenus sont introduits dans des bactéries qui « fabriquent » les protéines correspondantes. Celles-ci seront caractérisées en laboratoire via diverses techniques.

The characterization of ancient Methanococcales malate dehydrogenases reveals that strong thermal stability prevents unfolding under intense γ-irradiation. Madern D, Halgand F, Houée-Levin C, Dufour A-B, Coquille S, Ansanay-Alex S, Sacquin-Mora S, Brochier-Armanet C. Molecular Biology and Evolution 2024, msae231

Contact : Dominique Madern, chercheur CNRS du groupe Extremophiles et grands assemblages moléculaires (IBS/ELMA)

Développement d'un antagoniste spécifique d'un des deux récepteurs lectines des virus Ebola et SARS-CoV-2 : exploitation d'une différence d'un acide aminé au sein du site actif

2024-12-04T15:08:50Z

DC-SIGN et L-SIGN sont deux récepteurs lectine de type C (CLR) utilisés par le SARS-CoV-2 en tant que co-récepteurs viraux. Le SARS-CoV-2 manipule à la fois DC-SIGN et L-SIGN pour renforcer l'infection, ce qui suscite l'intérêt pour le développement d'antagonistes de ces récepteurs. Ces récepteurs très proches, 82% d'identité, ont des localisations différentes. DC-SIGN, dans les cellules dendritiques, façonne la réponse immunitaire en reconnaissant les motifs glucidiques des pathogènes. En revanche, L-SIGN, est exprimé dans les cellules endothéliales des voies respiratoires. La principale menace du COVID-19 est l'hyperactivation du système immunitaire, renforcée si DC-SIGN est engagé avec des ligands exogènes. Ainsi, L-SIGN, colocalisé avec les cellules exprimant ACE2 dans les voies respiratoires, est une cible plus appropriée pour la thérapie anti-adhésion. La conception d'un ligand sélectif pour L-SIGN est un défi en raison de la forte identité de séquence des deux lectines.

L'équipe MIT du groupe M&P de l'IBS, en collaboration avec des équipes des Universités de Milan et de Madrid, a développé ici un antagoniste, Man84. Ce glycomimétique, un dérivé du mannose, se lie à L¬SIGN avec un Kd de 12,7 μM et est son premier ligand sélectif connu, avec une sélectivité de 50 fois par rapport à DC-SIGN. La structure aux rayons X du complexe L-SIGN/Man84 révèle le rôle du groupe guanidinium en position 2 dans l'obtention d'une complémentarité stérique et électrostatique avec le site de liaison. La source de la sélectivité se joue à un seul acide aminé de différence, entre les deux récepteurs, dans leur site de reconnaissance. Les versions dimériques de Man84 permettent une avidité supplémentaire dans la gamme des nanomolaires. Ces composés inhibent la trans-infection, dépendante de L-SIGN, pour le SARS-CoV-2 et le virus Ebola et présentent la meilleure avidité rapportée à ce jour pour des glycomimétiques de si faible valence ciblant des CLRs.

Ils constituent des outils prometteurs pour lutter contre l'ancrage virale dans les voies respiratoires et ont un potentiel pour d'autres applications médicales. Ces travaux font l'objet d'un brevet entre l'UGA et l'Université de Milan.

Unprecedented selectivity for homologous lectin targets : differential targeting of the viral receptors L-SIGN and DC-SIGN. Delaunay C, Pollastri S, Thépaut M, et al. Chem Sci. 2024 ; DOI : 10.1039/d4sc02980a.

Contact : Franck Fieschi, chercheur CNRS du Groupe Membrane et pathogènes (IBS/M&P)

Graphène modifié pour Cryo-EM

2024-11-15T13:19:00Z

La cryo-microscopie électronique (cryo-EM) est une technique puissante pour la biologie structurale, mais l'obtention des grilles optimales pour la collecte de données est délicate. Les échantillons de cryo-EM sont vitrifiés dans leur solution native sur des grilles dotées d'un film de support en carbone troué. Les molécules de protéines suspendues dans la glace vitreuse à travers les trous sont ensuite imagées. La couche de glace doit être suffisamment épaisse pour préserver la structure des protéines et suffisamment fine pour obtenir le meilleur rapport signal/bruit. Le contrôle de l'épaisseur de la glace est l'une des principales difficultés pour la cryo-EM.

Des chercheurs de l'IBS et du CEA ont avancé l'utilisation d'une membrane de graphène comme solution à ce problème. Les membranes de graphène peuvent avoir une épaisseur d'une couche atomique et sont transparentes aux électrons. Leurs excellentes propriétés mécaniques en font des films de support robustes et leur conductivité thermique et électrique élevée protège les échantillons des dommages d'irradiations. Néanmoins, l'hydrophobie intrinsèque du graphène entrave son utilisation avec des échantillons biologiques.

Ce travail montre que les propriétés de mouillage du graphène peuvent être contrôlées par un traitement au plasma. L'imagerie à haute résolution et la spectroscopie Raman établissent une corrélation entre les changements structurels et chimiques au niveau atomique et l'hydrophilie du graphène. Une couche uniforme de glace dont l'épaisseur est mieux contrôlée que celle de la glace en suspension peut ainsi être obtenue, ce qui facilitera l'utilisation du graphène comme film de support pour les études de cryo-EM à haute résolution.

Precision defect integrated graphene as reliable support membrane for high-resolution cryo-transmission electron microscopy. Sharma K, López-Sánchez U, Nury H, Schoehn G, Darnault C, Breyton C, Petit-Etienne C, Vergnaud C, Ling WL, Cunge G, Okuno H. Carbon 230 (2024) ; 119625.

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

Inauguration d'un cryo-microscope électronique de dernière génération

2024-11-08T14:44:11Z

Financé dans le cadre de l'initiative nationale « Equipex+ France Cryo-EM » du Programme d'Investissement d'Avenir 3 (PIA3), ce cryo-microscope électronique Titan Krios est spécialement conçu pour la cryo-microscopie électronique (Cryo-EM) en biologie. Localisé à l'ESRF, il est mis à la disposition de la communauté scientifique française et européenne et co-géré par l'IBS et l'ISBG. Détails ci-dessous.

Titan Krios G4

© CEA/Aurélien Delos
Titan Krios G4

© CEA/Aurélien Delos

Cet équipement à la pointe de la technologie fait partie d'un réseau de trois microscopes implantés en France, répartis entre l'IGBMC à Illkirch-Graffenstaden, le Synchrotron Soleil à Saint-Aubin, et l'Institut de Biologie Structurale/ESRF à Grenoble.

Ce cryo-microscope électronique de 300 kV (Thermo Scientific Titan Krios G4) est équipé d'une source cold-FEG, d'un filtre d'énergie (Selectris X), d'un détecteur direct d'électrons (Falcon 4i) et d'une Volta Phase Plate.

Grâce à ses performances exceptionnelles, le Titan Krios G4 constitue une avancée technologique majeure pour la recherche en biologie structurale. Il permettra de résoudre les structures de complexes macromoléculaires biologiques à l'échelle atomique et ouvrira de nouvelles perspectives pour le développement de thérapies médicales, ainsi que pour la compréhension des mécanismes biologiques fondamentaux.

Il a été inauguré le vendredi 8 novembre 2024, par les représentants du CNRS, de l'ESRF, de l'Université Grenoble Alpes (UGA) et du CEA, ainsi que par les représentants des collectivités.

En savoir plus : Communiqué de presse

Inauguration du Titan Krios

De gauche à droite : Yves Mechulam, DAS CNRS Biologie, Yassine Lakhnech, Président de l'UGA, Gabriele Fioni, recteur délégué pour l'enseignement supérieur, la recherche et l'innovation de la Région Auvergne-Rhône-Alpes, Pascale Bayle Guillemaud, Directrice du CEA-IRIG, Jean Daillant, Directeur Général de l'ESRF , Bruno Robert, Direction du GIS IBISA, Winfried Weissenhorn, Directeur de l'IBS, Francesco Sette, du Conseil de l'ESRF Council et Guy Schoehn, chercheur à l'IBS en charge de l'instrument.

Yvain Nicolet, Prix Labbé de l'Académie des Sciences

2024-10-23T06:16:42Z

L'Académie des sciences attribue chaque année de nombreux prix et médailles, couvrant l'ensemble des domaines scientifiques, tant fondamentaux qu'appliqués. L'IBS est fier de compter un de ses chercheurs parmi les lauréats 2024. En effet, le Prix du Docteur Henri Labbé et de Madame Henri Labbé* a été attribué à Yvain Nicolet, Directeur de recherche et chef du groupe Métalloprotéines (IRIG/IBS).

Yvain Nicolet étudie les relations structure-fonction des métalloprotéines avec un intérêt particulier pour celles contenant des centres fer-soufre. Ses recherches se concentrent sur la compréhension des mécanismes réactionnels au sein de ces protéines, du rôle particulier du cofacteur métallique ainsi que de l'influence de la matrice protéique sur ces réactions. La chimie rendue possible par ces cofacteurs est à la fois variée et remarquable, inspirant de nombreux chimistes dans leurs travaux de synthèse. Elle inclue notamment des réactions métaboliques fondamentales comme l'oxydation réversible de l'hydrogène ou la fixation de l'azote atmosphérique. Yvain s'intéresse également aux processus de biosynthèse de ces cofacteurs, tant du point de vue chimique que des interactions moléculaires entre protéines lors du transfert d'espèces inorganiques. Par ailleurs, il se penche sur une famille d'enzymes utilisant la chimie radicalaire pour élucider les mécanismes de modifications post-traductionnelles de peptides des processus clés dans la production de nouvelles molécules antibiotiques ou antivirales. Ses travaux illustrent la diversité et le potentiel immense de ces enzymes exceptionnelles.

* Ce prix de chimie biologique et nutrition a été créé en 1948 par la Fondation Labbé de l'Académie des Sciences

Découverte d'une nouvelle oxygénase, $\alpha$KG-HExxH, fusionnée à une protéine à radical SAM pour coupler formation de cyclophanes et β-hydroxylations de peptides

2024-09-23T13:02:00Z

Les enzymes à radical SAM (rSAM) et les oxygénases sont deux des domaines structurels des métalloprotéines les plus courants et les plus polyvalents dans la nature. En collaboration avec des groupes de Singapour et de Chine, le groupe Métalloprotéines de l'IBS a identifié un groupe d'enzymes rSAM-oxygénases fusionnées qui catalysent la formation de liaisons C-C entre les chaines latérales d'acides aminés et l'introduction de groupements hydroxyles dans des peptides synthétisés par voie ribosomale et modifiés après traduction (RiPPs). La détermination de la structure cristalline du domaine de l'oxygénase a révélé un nouveau repliement structural, nommé $\alpha$-KG-HExxH, différent du repliement jelly-roll caractéristique des oxygénases à base d'$\alpha$-cétoglutarate et de fer non héminique. Ce nouveau repliement $\alpha$KG-HExxH, originaire des protéases à Zn, étend la famille des enzymes de fer non héminiques dépendants d'$\alpha$-cétoglutarate et représente un groupe unique d'enzymes de modification de RiPPs. La découverte d'une fusion de l'oxygénase αKG-HExxH avec un domaine rSAM est fascinante, car la nécessité de l'oxygène moléculaire de catalyser les hydroxylations à une telle proximité du domaine rSAM, qui contient des centres FeS sensibles à l'inactivation induite par l'oxygène, exige une régulation dynamique complexe entre les deux domaines enzymatiques fusionnés. Cette découverte conduira à la synthèse, par ce type d'enzymes, de nouveaux produits naturels avec de potentielles activités antimicrobiennes, antivirales ou anticancéreuses.

Fused radical SAM and αKG-HExxH domain proteins contain a distinct structural fold and catalyse cyclophane formation and β-hydroxylation. Morishita, Y., Ma, S., De La Mora, E. et al. Nat. Chem. 2024 ; doi : 10.1038/s41557-024-01596-9.

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

Une affaire de famille : régulation en finesse de l'activation des cascades de kinases

2024-09-05T07:01:00Z

Les protéines kinases activées par les mitogènes (MAPK) sont des composants essentiels des réseaux eucaryotes de transduction du signal, coordinant une réponse appropriée à différents stimuli extracellulaires. La voie de JNK (c-Jun N-terminal kinase) est l'une des trois voies MAPK identifiées et est impliquée dans la réponse à divers stress, l'apoptose, et plusieurs pathologies. Les protéines d'échafaudages JIP, composées de longues queues désordonnées et de domaines repliés, interviennent pour s'assurer de la spécificité de la signalisation en coordonnant l'assemblage simultané de plusieurs kinases de la voie de JNK.

Des chercheurs de l'IBS (groupe SIGNAL), de l'IAB (groupe d'Andrés Palencia) et de l'université de Massachusetts (groupe de Roger Davis) se sont associés pour comprendre comment l'hétérodimérisation de JIP1 et JIP2, dont la colocalisation a été mise en évidence in cellulo dans de précédentes études, était possible d'un point de vue structural. La résolution de la structure des homo- et hétéro-dimères par cristallographie aux rayons X a permis de montrer comment la nature a exploité les caractéristiques structurales des deux interfaces pour permettre la formation d'un hétérodimère : échanges de ponts salins et intégration de résidus chargés dans l'interface de l'hétérodimère compensés par des liaisons H et des interactions électrostatiques supplémentaires. L'homo et hétérodimérisation sont caractéristiques de plusieurs protéines d'échafaudage des voies de signalisation, ce qui pourrait être un moyen d'assembler de larges complexes de signalisation de façon à fournir la réponse adéquate aux stimuli reçus.

Structural basis of homodimerization of the JNK scaffold protein JIP2 and its heterodimerization with JIP1. Mariño Pérez L, Ielasi FS, Lee A, Delaforge E, Juyoux P, Tengo M, Davis RJ, Palencia A, Jensen MR. Structure 2024 ; 32, 1394-1403.e5

Contact : Malene R. Jensen, directrice de recherche CNRS dans le groupe Dynamique Structurelle des Complexes de Signalisation de l'IBS

Remodelage du nucleoïde et variation de la dynamique de la proteine HU chez Deinococcus radiodurans en réponse au stress

2024-09-02T14:53:20Z

La réorganisation du nucléoïde est une stratégie commune de réponse au stress chez les bactéries afin de protéger leur patrimoine génétique. Ce processus est régulé par de petites protéines, les NAPs (Nucleoid-Associated Proteins), qui interagissent avec l'ADN et jouent un rôle clé dans l'organisation et la régulation du génome bactérien.
Par des approches de microscopie avancée, le groupe I2SR, en collaboration avec l'équipe de F. Confalonieri de l'I2BC, a montré que, chez la bactérie radiorésistante Deinococcus radiodurans, l'exposition aux rayons UV-C ou l'entrée en phase stationnaire induit de profonds changements morphologiques et de volume du nucléoïde, ainsi que des modifications de la mobilité de la protéine HU, principale NAP de cette bactérie. Bien que ces deux stress provoquent une rapide compaction du nucléoïde, la diffusion de HU diminue en phase stationnaire alors qu'elle augmente suite aux UV-C, suggérant des réarrangements sous-jacents distincts.
De plus, l'exposition aux UV-C entraine une réorganisation des nucléoïdes en trois étapes : une condensation rapide avec une augmentation de la diffusion de HU, suivie d'une décompaction plus lente pour restaurer la morphologie normale accompagnée d'un retour à la normale de la mobilité de HU, avant enfin la reprise de la division cellulaire. Ces observations illustrent la diversité des processus de remodelage des nucléoïdes et représentent une première étape vers la compréhension des mécanismes impliqués.

Stress-induced nucleoid remodeling in Deinococcus radiodurans is associated with major changes in Heat Unstable (HU) protein dynamics. Vauclare P, Wulffelé J, Lacroix F, Servant P, Confalonieri F, Kleman JP, Bourgeois D, Timmins J. Nucleic Acids Res. 2024 ; 52(11):6406-6423.doi : 10.1093/nar/gkae379.

Contact : Pierre Vauclare & Joanna Timmins, chercheurs CNRS de l'IBS (Groupe Imagerie Intégrée de la Réponse au Stress)

Comment l'hyperphosphorylation du domaine désordonné de la protéine de la nucléocapside du SARS-CoV-2 inhibe la liaison à l'ARN

2024-08-06T15:55:43Z

La protéine de nucléocapside (N) du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2) encapside le génome viral et est essentielle à la réplication de cet important pathogène humain. La région centrale de la protéine est fortement désordonnée et est hyperphosphorylée dans les cellules infectées, une modification qui change la fonction de la protéine au cours du cycle viral. La protéine n'est pas phosphorylée dans la particule infectieuse (le virion).
Les chercheurs du Groupe Flexibilité et Dynamique des Protéines par RMN de l'IBS ont étudié le changement de comportement conformationnel induit par l'hyperphosphorylation, qu'ils observent en temps réel, et à une résolution atomique, en utilisant la spectroscopie RMN. Ils révèlent que cette modification chimique entraîne l'inhibition et la libération de la liaison à l'ARN,
suggérant un rôle dans le déballage de la particule virale lors de l'infection.

A specific phosphorylation-dependent conformational switch in SARS-CoV-2 nucleocapsid protein inhibits RNA binding. Botova M, Camacho-Zarco AR, Tognetti J, Mamigonian Bessa L, Guseva S, Mikkola E, Salvi N, Maurin D, Herrmann T, Blackledge M. Science Advances 2024 ; 10(31):eaax2323. doi : 10.1126/sciadv.aax2323.

Contact : Martin Blackledge, chercheur CEA de l'IBS (Groupe Flexibilité et Dynamique des Protéines par RMN)

Structure complête de la polymérase du virus Hantaan dans 3 états oligomériques distincts

2024-06-03T07:41:00Z

L'ordre Bunyavirales comprend un grand nombre de virus présentant un génome à ARN négatif segmenté. Répartis en 14 familles, certains Bunyavirus sont des pathogènes humains majeurs comme les virus Lassa ou Crimée Congo. D'autres sont émergents comme les Hantavirus qui entraînent chez l'homme des fièvres hémorragiques parfois fatales. Il n'existe actuellement aucun médicament ou vaccin pour contrer ces virus. Dans ce contexte, les chercheurs du groupe Microscopie Electronique et Méthode s'intéressent au virus Hantaan et plus particulièrement à sa polymérase. Cette enzyme centrale effectue la réplication virale, qui consiste en la production de copies du génome, et la transcription qui permet la synthèse d'ARN messagers viraux. Dans cette étude, ils déterminent par cryo-microscopie électronique à haute résolution la structure entière de la polymérase d'Hantaan, en absence d'ARN, dans 3 états oligomériques distincts : monomère (250kDa), dimère symétrique (500kDa) et hexamère (1,5 MDa). Ces structures révèlent l'organisation de chacun des domaines de la polymérase, notamment celle du domaine de liaison à la coiffe nécessaire à l'initiation de la transcription, ainsi que celle du domaine C-terminal essentiel à la dimérisation. Les analyses de SEC-MALS et photométrie de masse indiquent un équilibre rapide entre ces différents oligomères. Lors de l'ajout d'ARN viral, cet équilibre est rompu et un autre équilibre apparait entre des monomères et des dimères asymétriques. Ces résultats suggèrent une fonction de stabilisation et de stockage des multimères apo, en amont des activités de réplication et transcription.

Structural characterization of the oligomerization of full-length Hantaan virus polymerase into symmetric dimers and hexamers. Durieux Trouilleton Q, Housset D, Tarillon P, Arragain B*, Malet H*. Nature communications 2024 ; 15(1):2256.

Contact : Hélène Malet, chercheuse UGA à l'IBS (Groupe Microscopie Electronique et Méthode)