Bases moléculaires et structurales de la biogenèse des centres fer-soufre permettant d'élucider la fonction moléculaire de la frataxine – FRATAXUR

Les centres fer-soufre (Fe-S) sont des groupes prosthétiques de protéines essentiels. Les défauts de synthèse des centres Fe-S conduisent à des maladies humaines graves telles que l'ataxie de Friedreich (FA), une maladie cardiaque et neurodégénérative due à un défaut d'expression de la frataxine. Bien que la thérapie génique apporte aujourd’hui des résultats prometteurs, la nécessité de délivrer ces médicaments de manière locale au site affecté (cervelet et coeur) reste un défi pour le développement de ce type de thérapie. Plusieurs médicaments visant à restaurer le taux de frataxine et à mimer sa fonction sont actuellement en test clinique, mais les résultats ne sont pas concluants. La raison principale est que la fonction moléculaire de la frataxine reste inconnue. Un rôle de chaperonne à fer a été proposé mais ce modèle est aujourd’hui controversé. Nos études suggèrent plutôt que la frataxine est impliquée dans la mobilisation du soufre pour la protéine d'échafaudage ISCU, sur laquelle sont assemblés les centres Fe-S. Cependant, les mécanismes d'assemblage des centres Fe-S restent très mal compris, ce qui est obstacle pour clairement définir la fonction moléculaire de la frataxine et par conséquent pour le développement de nouvelles thérapies destinées à substituer la frataxine.

Pour commencer à répondre à ces questions, nous avons reconstitué la machinerie mitochondriale d'assemblage des centres Fe-S. Nous sommes parvenu à caractériser pour la première fois, une forme d’ISCU contenant du fer et compétente pour l'assemblage des centres Fe-S dans des conditions physiologiquement pertinentes. A l’aide de ce système nous avons entrepris une étude étape par étape. Nos données préliminaires indiquent que la frataxine n'est pas nécessaire pour l'insertion du fer, mais qu'elle intervient dans une étape ultérieure. Le processus d’assemblage semble être initié par la synchronisation de l'apport de fer et de soufre à ISCU. Cette étape repose sur une réaction inédite de transfert de persulfure assistée par le fer d’ISCU, entre la désulfurase de cystéine NFS1 et ISCU. Dans une seconde étape, le persulfure transféré à ISCU est réduit par la ferredoxine FDX2 en ion sulfure. Cette réaction semble également être assistée par le fer, ce qui permettrait in fine l’association du fer et de l’ion sulfure généré afin d’éviter sa diffusion en dehors du complexe. De manière importante, nos données indiquent que la frataxine stimule l'assemblage de centre Fe-S en augmentant la vitesse de la réaction de transfert de persulfure assistée par le fer, potentiellement en modulant la structure du centre fer. Ces données semblent donc indiquer un changement de paradigme pour la fonction moléculaire de la frataxine et donner une description rationnelle du processus d’assemblage. L'objectif de ce projet est d'étudier de manière détaillée le mécanisme d'assemblage des centres Fe-S ainsi que l'effet de la frataxine sur cette réaction en utilisant des méthodes biochimiques, spectroscopiques et structurales, combinées à des approches cellulaires pour i) valider la pertinence physiologique de notre machinerie reconstituée, ii) clairement élucider le rôle de la frataxine dans ce processus et iii) proposer une base structurale pour cette réaction à l'échelle atomique.

Les principaux résultats attendus pour ce projet sont: 1) démontrer comment la frataxine stimule l'assemblage de centre Fe-S pour mieux définir la physiopathologie de FA, 2) mettre en place un test pertinent d'un point de vue physiologique pour le criblage à grande échelle de médicaments mimant la frataxine, 3) proposer une base structurale pour l'effet de la frataxine afin de permettre la conception de composés mimant la frataxine et 4) proposer une description claire du processus d'assemblage des centres Fe-S dans la mitochondrie comme base pour élucider l’ensemble des processus de biogenèse des centres Fe-S dans mitochondrie et dans le cytoplasme.