LES CENTRES FE-S SONT ESSENTIELS A LA VIE
Les centres ou clusters fer-soufre (Fe-S) sont des co-facteurs protéiques inorganiques parmi les plus anciens. Les machineries cellulaires permettant de les fabriquer seraient antérieures à l'oxygénation de l'atmosphère terrestre ! Les centres Fe-S, qui ont la capacité de transférer des électrons, constituent le centre catalytique de nombreuses enzymes redox et protéines de signalisation possédant des fonctions biologiques essentielles (production d'énergie, synthèse de protéines, maintien de l'intégrité du génome…). Cependant, le mécanisme d'assemblage particulièrement complexe des clusters Fe-S demeure mal compris et, depuis plusieurs années, l'équipe de Benoit D'Autréaux tente d'élucider ce mécanisme en reconstituant in vitro la machinerie d'assemblage des centres Fe-S avec tous ses composants (pour en savoir plus, voir The mechanism of Iron-Sulfur Cluster assembly, sur la page équipe de B D'Autréaux).
CE QUE L'ON SAIT
Dans la mitochondrie, la machinerie multiprotéique d'assemblage des centres Fe-S, ISC (Iron-Sulfur Cluster), comprend un complexe central composé de i) de la protéine d'échafaudage ISCU sur laquelle sont assemblés les clusters Fe-S, ii) d'un complexe NFS1-ISD11-ACP contenant la cystéine désulfurase NFS1, une enzyme à cofacteur pyridoxal-phosphate (PLP) fournissant du soufre sous la forme d'un persulfure, iii) de ferrédoxine 2 (FDX2) avec sa réductase (FDXR) et iv) de Frataxine (FXN), un accélérateur de l'assemblage du centre Fe-S (voir notre actualité sur la rôle de la FXN). Ces protéines opèrent de manière séquentielle. On sait que la biosynthèse des centres Fe-S dans la protéine d'échafaudage ISCU est initiée par l'insertion de fer ferreux (Fe2+), suivie de l'acquisition du soufre en deux étapes (transfert de persulfure provenant de NFS1, accéléré par la FXN, puis réduction en ions sulfures par la FDX2), mais les mécanismes sous-jacents à chaque étape sont très mal connus. En particulier, on ne sait pas encore si le fer se lie initialement au site d'assemblage riche en cystéine de l'ISCU ou à un site auxiliaire sans cystéine par l'intermédiaire de ligands inconnus.
CE QUE LES SPECTROSCOPIES NOUS APPRENNENT
Dans cette étude, les chercheurs ont examiné les propriétés de liaison du fer aux protéines ISCU de la bactérie E. coli, du champignon Chaetomium thermophilum et des mammifères Mus musculus et H. sapiens. En utilisant les spectroscopies CD (dichroïsme circulaire) et Mössbauer*, ils ont découvert que le fer se lie exclusivement au site d'assemblage riche en cystéine** de la forme monomère des protéines ISCU procaryotes et eucaryotes. Le fer, en dehors de ce site d'assemblage riche en cystéine est, soit libre, soit lié à des ISCU agrégées, ce qui remet en question l'existence d'un site auxiliaire dans ces protéines. L'analyse des propriétés du site d'assemblage a révélé que la liaison du fer est sensible au pH, à la nature du tampon et à l'état oligomérique de la protéine. Sa caractérisation structurale par mutagenèse dirigée et spectroscopies CD, RMN, XAS (X-ray absorption spectroscopy), RPE (Résonance Paramagnétique Electronique) et Mössbauer montre que le fer est lié par quatre acides aminés strictement conservés du site d'assemblage : un aspartate, une histidine et deux résidus cystéine, une troisième cystéine conservée, Cys104, récepteur du persulfure, n'est pas liante mais est très proche et capable de se lier directement au fer lorsque l'histidine est manquante.
Conclusion
L'ensemble de ces résultats fournit la preuve que l'insertion de fer ferreux dans le site d'assemblage d'ISCU est un processus hautement conservé. En établissant les bases structurales par des analyses spectroscopiques poussées, ces données ouvrent la voie à l'élucidation du processus d'assemblage des clusters Fe-S.
Contact Joliot/I2BC : Benoît D'Autréaux (benoit.dautreaux@cea.fr )
benoit.dautreaux@i2bc.paris-saclay.fr
* La spectroscopie Mössbauer est une méthode basée sur l'absorption de rayons gamma par les noyaux atomiques dans un solide. Par la mesure des transitions entre les niveaux d'énergie de ces noyaux, elle permet de remonter à différentes informations sur l'environnement local de l'atome.
** Le site d'assemblage de l'ISCU contient cinq acides aminés strictement conservés qui sont essentiels à la biogenèse des centres Fe-S in vivo : Cys35, Asp37, Cys61, His103 et Cys104 (numérotation de l'ISCU murine).