Biologie synthétique et l'ataxie de Friedreich – FRACOL

Chez l'homme, un déficit en frataxine (FXN) conduit à l'ataxie de Friedreich (AF), la plus fréquente des ataxies héréditaires. La conséquence primaire du déficit en FXN est une diminution de la biogenèse des centres Fe-S.

La biogénèse des centres Fe-S est un processus essentiel présent dans tous les organismes vivants, requis pour l'activité d'une myriade de protéines impliquées dans des fonctions cellulaires clés. Chez l’homme ce processus est assurée par la machinerie ISC, une machinerie multiprotéique localisée dans les mitochondries. La machinerie ISC est également présente chez les organismes procaryotes tels que E. coli. Les protéines ISC procaryotes et eucaryotes sont fortement homologues au niveau de leur séquence primaire, et leur mécanisme moléculaire s'est avéré être similaire. La formation du centre Fe-S est catalysée par le complexe d'assemblage qui contient une cystéine desulfurase, produisant le soufre, une protéine d’échafaudage sur laquelle se forme le centre Fe-S et la FXN qui joue un rôle régulateur.

À l’heure actuelle, aucun traitement satisfaisant ne permet de rétablir la biogénèse des centres Fe-S chez les patients atteints de AF. Ce projet vise à combler cette lacune en trouvant des moyens de restaurer la biogenèse des centres Fe-S dans les cellules déficientes en FXN. Notre hypothèse de travail -basée sur des résultats antérieurs, incluant les nôtres et ceux d’autres laboratoires - est qu’en modifiant les composants du complexe d'assemblage ISC humain, il est possible de conférer à la machinerie ISC de nouvelles propriétés lui permettant de fonctionner sans FXN.

Recruter des composants existants pour leur donner de nouvelles propriétés ou les assembler pour former des systèmes « non naturels » sont les principes des sciences de l’ingénieur repris par la « biologie synthétique ». L'objectif du projet FRACOL est d’appliquer ces principes à E. coli en utilisant la biodiversité, les outils génétique et notre maitrise de la physiologie de E. coli pour produire des machineries ISC « non naturelles », hétérologues et/ou évoluées, qui puissent fonctionner sans FXN. Le projet réunit trois équipes internationalement reconnues ayant une complémentarité remarquable.

Nos recherches se développeront selon deux axes. Le premier axe, essentiellement génétique visera à produire des machineries ISC « non naturelles ». La première stratégie prévoit d’utiliser E. coli comme châssis pour construire des machineries ISC hybrides constituées de composants ISC de E. coli fonctionnant avec des composants ISC « hétérologues » identifiés dans la biodiversité par phylogenomie et analyses génomiques. Les composants ISC hétérologues seront recherchés dans les organismes ne possédant pas de FXN détectable par analyse génomique. Une autre stratégie consistera à faire évoluer la machinerie ISC de E. coli de telle façon à ce qu’elle puisse fonctionner sans FXN. Des stratégies de mutagénèse couplées à divers protocoles de sélection/criblage seront utilisées. Enfin, une dernière stratégie consistera à construire une souche de E. coli utilisant une machinerie ISC humaine pour fonctionner. Cette souche « humanisée » de E. coli sera alors soumise aux différents protocoles de génétique pour modifier la machinerie ISC humaine opérant chez E. coli.

Le deuxième axe sera essentiellement une approche exploitant les criblages de banque de composés chimiques. Nous criblerons, à partir de banques chimiques, les molécules permettant à la machinerie ISC de fonctionner indépendamment de la FXN. Les molécules identifiées seront validées dans des modèles cellulaires déficients en FXN, et un modèle murin d’AF.

Des études de biochimie et de biophysique viendront dans un second temps caractériser les nouvelles machineries, ou l’effet des composés chimiques afin de comprendre comment le besoin en FXN a pu être court-circuité et en tirer d’éventuels guides pour des modifications rationnelles de systèmes ISC les rendant FXN-indépendants.