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On distingue chez Escherichia coli deux machineries multiprotéiques impliquées le processus de biogénèse des centres Fe-S. La première, ISC (Iron-Sulfur-Cluster), est "LA" machinerie générale d'assemblage des centres fer-soufre. C'est elle qui fonctionne dans des conditions normales de croissance. La deuxième, SUF (SulFUr), est plus spécifiquement impliquée dans l'assemblage dans des conditions de carence en fer et de stress oxydant. Ces deux systèmes interviennent dans l'assemblage correct des atomes de fer et de soufre, via des réactions, complexes, de mobilisation du fer, du soufre, de transfert de centres fer-soufre ainsi que de transfert d'électrons (Figure 1). Notre objectif est d'atteindre une connaissance intégrée du rôle et de l'importance des systèmes ISC et SUF dans la physiologie d'Escherichia coli par des approches de biochimie, d'enzymologie, de biologie structurale et de génétique moléculaire.
Figure 1 : Machineries d’assemblage des clusters (Fe-S)
Nos travaux sur la biosynthèse des centres fer-soufre, démarrés en 2001, concernaient uniquement l'opéron isc. Un résultat important du laboratoire fut la caractérisation du produit du gène iscA comme étant une protéine échaffaudage ou «scaffold», définissant un nouveau type de protéine : protéine capable de préformer un centre fer-soufre au sein de sa chaîne polypeptidique et de le transférer efficacement à des apoprotéines cibles. Depuis 2003, nous travaillons essentiellement sur le système SUF en collaboration étroite avec F. Barras (CNRS, Marseille) qui nous apporte ses compétences en microbiologie et génétique microbienne. Dans ce cadre nous avons ainsi pu caractériser de manière structurale et fonctionnelle trois protéines : SufA, SufS et SufE (Figure 2). La première présente des propriétés similaires à celles de IscA. Les protéines SufS et SufE forment quant à elles un complexe doté d'une importante activité cystéine désulfurase, à l'origine du soufre dans la formation des clusters. Ce dernier résultat nous a permis de mettre en évidence une nouvelle classe de cystéine désulfurase à 2 composants à laquelle est venue se rajouter les protéines CsdA-CsdE, également caractérisées au laboratoire. Plus récemment nos recherches ont permis de montrer un transfert de soufre direct de SufE à SufA et aussi de SufE à SufB, le soufre étant « stocké » au sein de ces protéines sous forme d'entités persulfures (cys-S-SH) ou polysulfures (cys-S-(S)n-SH) au niveau de résidus cystéines conservées (Figure 2). Ces multiples transferts de soufre entre protéines (réaction de transpersulfuration) sont tout à fait intéressants et nous permettent de progresser dans la connaissance du mécanisme au niveau moléculaire de la biosynthèse des centres fer-soufre.
Récemment, nos recherches ont également permis de mettre en évidence un donneur potentiel de fer physiologique : la protéine CyaY, homologue de la frataxine chez les eucaryotes.
Figure 2 : Bilan des connaissances du système suf et nos perspectives de travail (indiquées par « ? »)
Aujourd'hui nos efforts portent sur les objectifs suivants :
1- déterminer le rôle du complexe SufBCD possédant une activité ATPase (rôle de chacune des protéines) ;
2- isoler in vivo la protéine SufA avec son cofacteur métallique (FeS) ; caractérisation structurale et fonctionnelle. Comparaison aux résultats obtenus in vitro ;
3- caractériser au niveau moléculaire le mécanisme d'assemblage des centres fer-soufre dans les protéines «scaffold» avec comme modèle la protéine SufA (qui du fer ou du soufre incorpore le site actif en premier ?) et les mécanismes de transfert de ces clusters aux apo-protéines cibles ;
4- définir le répertoire des apoprotéines dont l'activité biologique dépend in vivo, directement ou indirectement, du fonctionnement des systèmes ISC et SUF.
