« Les bactéries montrent
leur métaux: un chemin évolutif vers la survie », source
Université de Newcastle.
Une
étude de deux protéines étroitement apparentées d'une bactérie
pathogène a illustré pour la première fois comment l'évolution
peut façonner l'utilisation des métaux essentiels par les enzymes.
Notre
travail a de larges implications pour comprendre comment les enzymes
utilisent les métaux essentiels pour la catalyse, et comment cette
utilisation des métaux change au cours du temps évolutif, a dit
le Dr
Kevin Waldron, Université de Newcastle.
L’étude
a été menée par une équipe internationale dirigée par le Dr
Kevin Waldron de l'Université de Newcastle et le Dr Thomas Kehl-Fie
de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Leurs travaux
sont publiés dans Nature
Communications.
Près
de la moitié de toutes les enzymes ont besoin d'un cofacteur
métallique essentiel pour la catalyse, appelé métalloenzymes.
L'abondance des métalloenzymes rend la compréhension des principes
régissant les interactions métal-protéine pertinente pour presque
tous les aspects de la biologie, de la médecine et de la
biotechnologie.
Les
métalloenzymes sont souvent très spécifiques pour leur cofacteur
d'ions métalliques apparentés, présentant une activité
catalytique réduite lorsqu'elles sont liées au mauvais métal in
vitro et in vivo. Cependant, les caractéristiques qui
dictent quel métal est utilisé par les métalloenzymes sont mal
comprises. Cela limite notre capacité à manipuler des
métalloenzymes pour produire de nouvelles enzymes synthétiques qui
pourraient effectuer des réactions chimiques utiles pour des
applications biotechnologiques ou pour développer des inhibiteurs de
métalloenzymes pour des applications industrielles et médicales, y
compris comme médicaments antimicrobiens. La famille omniprésente
superoxyde
dismutase (SOD) au fer/manganèse illustre ce déficit de
connaissances, car le métal spécifique utilisé par un membre de la
famille ne peut pas être prédit in silico.
« Notre
travail a de larges implications pour comprendre comment les enzymes
utilisent les métaux essentiels pour la catalyse, et comment cette
utilisation des métaux change au cours du temps évolutif »,
a déclaré le Dr Waldron.
Le
groupe de chercheurs de l'Université de Newcastle, Royaume-Uni, de
l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, États-Unis et de
l'Université Paris-Saclay, France, avait précédemment démontré
qu'une paire inhabituelle de métalloenzymes SOD dans la bactérie
pathogène Staphylococcus aureus, y compris S. aureus
résistant à la méthicilline (SARM), jouent un rôle important
pendant l'infection. Ils ont découvert que ces métalloenzymes SOD
défendent différemment la bactérie contre les attaques du système
immunitaire.
Une
SOD, qui est conservée dans
les staphylocoques, utilise exclusivement du manganèse pour
effectuer cette réaction de détoxication, tandis que la deuxième
SOD de S. aureus est
‘cambialistique’, ce qui signifie qu'elle peut fonctionner aussi
bien avec un cofacteur manganèse ou fer. Cette seconde SOD est
unique au groupe S. aureus,
qui sont plus pathogènes que les autres
bactéries dépourvus de cette
métalloenzyme.
Deux
acides aminés clés
Dans
cette étude, l'analyse biochimique, structurale et biophysique de
ces SODs avec différentes spécificités métalliques a identifié
deux acides aminés clés dans la structure de la SOD qui modifient
la spécificité des métaux. Ces résidus n'entrent pas en contact
direct avec les ligands de coordination des métaux mais contrôlent
indirectement les propriétés redox du métal, démontrant que des
changements architecturaux subtils provoqués par des mutations en
acides aminés près du cofacteur peuvent altérer considérablement
l'utilisation des métaux. Une analyse bioinformatique réalisée par
l'équipe a démontré une relation évolutive très étroite entre
ces deux SODs, suggérant qu'elles ont divergé récemment.
« Des
études antérieures suggèrent qu'avec le temps, une protéine
métal-dépendante peut passer d'un métal à un autre - une enzyme
qui utilise le fer dans un organisme peut avoir évolué pour
utiliser le cuivre dans un autre. Cependant, notre
étude est la première à montrer comment
l'évolution peut réaliser ce changement par des changements subtils
dans la structure de l'enzyme », a déclaré le Dr Waldron.
S.
aureus s’affame
de
manganèse au fil de
l'infection, ce qui implique que cela pourrait avoir poussé son
enzyme manganèse important à passer à l'utilisation d'un ion
métallique alternatif lorsqu'il a développé la capacité de
provoquer une infection.
« L'importance
différentielle et la relation évolutive étroite entre les deux
SODs staphylococciques, combinées à la capacité de
manipuler le métal qu'elles utilisent, nous ont permis de déterminer
si les contraintes au sein de l'hôte, comme la famine métallique,
peuvent conduire à l'évolution des métalloenzymes », a
dit le Dr Kehl -Fie.
L'introduction
des mutations identifiées par l'équipe dans les cellules vivantes
de S. aureus,
qui diminuent la capacité de la SOD cambialistique à utiliser le
fer, a réduit la capacité de la bactérie à résister au stress
superoxyde lorsque le métal vient
à manquer par l'hôte.
« Cela
suggère que de petits changements dans l'activité métal-dépendante,
en conjonction avec les contraintes rencontrées au sein de l'hôte,
peuvent conduire l'évolution des métalloenzymes avec une nouvelle
spécificité de cofacteur », a expliqué le Dr Kehl-Fie.
« Surtout,
nos analyses ont découvert le mécanisme par lequel l'évolution a
façonné les propriétés de ces métalloenzymes au niveau
moléculaire, résultant en une paire d'enzymes qui utilisent
différents ions métalliques pour la catalyse. Nous
proposons que le changement dans l'utilisation des métaux par les
métalloenzymes de S. aureus a été façonné par des changements
dans les métaux disponibles pour la bactérie au cours de son
évolution d'un mode de vie commensal à un pathogène
opportuniste »,
a dit
le Dr Waldron.
L'étude
illustre comment l'évolution a façonné l'utilisation des métaux
en apportant des modifications mineures à l'environnement chimique
du cofacteur métallique redox-actif.
Sur
la base de la
recherche
actuelle, l'équipe propose que le changement dans
l'utilisation des métaux par les métalloenzymes de S.aureus
a été façonné par des changements dans les métaux disponibles
pour la bactérie alors qu'il évoluait d'un mode de vie commensal à
un pathogène opportuniste.
