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Figure 1 : Au sein de l'ATPase de type P, le transport de l'ion, dans le sens opposé au gradient de concentration, est couplé à l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. L'ATPase de type P est phosphorylée de manière transitoire au cours du transport.
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Spécialisées dans le transport de Cu(I), Ag(I), Cd(II), Co(II), Pb(II) ou Zn(II), les ATPases de type PIB (Figure 2) participent avec d'autres transporteurs au maintien dans la cellule d'une concentration non toxique de ces métaux.
Figure 2 : Organisation structurale des ATPases de type P. Les ATPases possèdent un domaine catalytique constitué des domaines A (actuator), P (phosphorylation) et N (liaison du nucléotide). Elles sont ancrées dans la membrane par un domaine membranaire de taille variable (6-12 hélices α). Une classification des ATPases de type P a été proposé par Palmgren and Axelsen (1998) qui rend compte de la sélectivité ionique de ces transporteurs. Les ATPases de transport des métaux lourds possède à la différence des autres ATPases de type P 1 à 6 domaines cytoplasmiques N-terminaux de liaison des métaux (MBD).
Nous étudions quatre protéines de cette famille, impliquées dans le transport de Cd(II), Co(II) et Cu(I) au travers des membranes cellulaires.
• CadA, l'ATPase-Cd(II) de Listeria monocytogenes, considérée comme la protéine modèle du type PIB
• CoaT, l'ATPase-Co(II) de Synechocystis PCC6803, essentielle à la survie de la bactérie en milieu contaminé en cobalt
• Ccc2, l'ATPase-Cu(I) de Saccharomyces cerevisiae, modèle des ATPases-Cu(I) humaines
• En collaboration avec le laboratoire iRTSV/PCV (CEA-Grenoble), nous travaillons aussi sur PAA1, une ATPase-Cu(I) de l'enveloppe du chloroplaste
Un résumé des bienfaits et méfaits des métaux auxquels nous nous intéressons suit. Quelques soient leurs effets sur le Vivant, Cd(II), Co(II) et Cu(I) ont en commun des propriétés chimiques qui les rendent capables de liaisons covalentes avec les atomes de soufre (cystéines et méthionines) et les atomes d'azote des histidines.
Le cadmium constitue l'un des principaux polluants environnementaux d'origine anthropogénique. Au niveau cellulaire, le cadmium est connu pour provoquer des lésions de l'ADN et inhiber certains systèmes de réparation du matériel génétique. Sa toxicité se manifeste aussi par une perturbation de l'homéostasie de certains métaux physiologiques tels que le calcium ainsi que par l'inhibition de l'activité de certaines enzymes. Enfin, le cadmium peut de manière indirecte générer un stress oxydant au sein de la cellule. La réponse du vivant aux effets cytotoxiques du cadmium fait intervenir trois types complémentaires de réponses cellulaires : la complexation, la séquestration et l'efflux du métal. La complexation implique généralement de petites protéines cytoplasmiques de type glutathion ou phytochelatine qui par leur propriétés chimiques lient le cadmium pour réduire sa réactivité chimique. La séquestration consiste en un isolement du métal au sein d'un compartiment donné de la cellule. L'efflux de cadmium est quant à lui essentiellement assuré par des ATPases de type PIB capable d'expulser le Cd(II) vers le milieu extérieur permettant ainsi la survie des microorganismes dans des milieux pollués.
Connu pour être associé à la vitamine B12, le cobalt est aussi le cofacteur de certaines enzymes bactériennes et humaines. Il peut être toxique chez l'homme où il est classé comme potentiellement cancérigène. A l'état de traces dans les milieux naturels, le cobalt peut se concentrer près de mille fois dans les milieux pollués. Il est tentant dans ces conditions de relier la prolifération de cyanobactéries dans les mares ou les rivières polluées à la présence d'ATPases dont CoaT est pris comme modèle. Ces ATPases très peu étudiées jusqu'à présent n'existent que dans un petit nombre d'espèces bactériennes dont les cyanobactéries, M. tuberculosis et certains pathogènes responsables d'infections nosocomiales. Ces ATPases seraient indispensables à leur survie en milieu hostile (on rappelle que de nombreux métaux sont connus et utilisés en milieu hospitalier pour leur activité bactéricide). L'étude de CoaT est menée dans le but d'obtenir une connaissance suffisamment précise du mécanisme de transport de Co(II) pour envisager de trouver un inhibiteur spécifique de la protéine.
Le cuivre est un métal essentiel à la vie de la cellule car ses propriétés redox et le couple Cu(I)/Cu(II) en font un cofacteur de nombreuses réactions enzymatiques chez tous les organismes vivants. Chez les mammifères, il existe deux ATPases à Cu(I) et deux maladies génétiques sévères associées à des mutations de leurs gènes, les maladies de Menkes et de Wilson. La levure possède une ATPase-Cu(I) qui sert de modèle pour l'étude des ATPases humaines. Chez les eucaryotes, les ATPases-Cu(I) situées dans les membranes de l'appareil de Golgi approvisionnent en cuivre certaines protéines de la voie sécrétoire. En cas d'envahissement de la cellule par le cuivre, des vésicules migrant vers la membrane plasmique déplacent ces ATPases, assurant ainsi la détoxication de la cellule. C'est par cette migration de vésicules vers la membrane plasmique que se produit l'assimilation du cuivre par l'intestin et la détoxication du cuivre dans le foie.
Site de transport des métaux des ATPases de type PIB , déterminant principal de la sélectivité ionique du transporteur
