Elucidation du mécanisme d'assemblage des clusters Fe-S et de sa régulation par la frataxine – FESAM

Les centres fer-soufre (Fe-S) sont des cofacteurs de protéines intervenant dans une myriade de processus biologiques essentiels. Ils sont synthétisés par des machineries multi-protéiques très conservées via un processus séquentiel dont la plupart des étapes sont encore inconnues. En raison du rôle intrinsèquement essentiel des clusters Fe-S, tout disfonctionnement dans le processus de leur biogénèse conduit à des maladies graves (anémie, cancer, myopathie); la plus fréquente d’entre elles étant l'ataxie de Friedreich, une maladie neurodégénérative et cardiaque causée par un défaut d’expression de la frataxine (FXN), un activateur de la synthèse des clusters Fe-S.
La biosynthèse des clusters Fe-S est réalisée dans la mitochondrie sur la plateforme d’assemblage ISCU dans laquelle est inséré un ion Fe2+, puis du soufre fourni par la cystéine désulfurase NFS1 sous la forme d’un intermédiaire persulfure s’échangeant entre résidus cystéines (Cys-SSH). Le persulfure est réduit en sulfure par le système ferrédoxine-ferrédoxine réductase FDX2-FDXR, générant in fine un centre [2Fe2S]. La protéine FXN stimule cette réaction en accélérant l’étape de transfert de persulfure entre NFS1 et ISCU. Lorsque la concentration en FXN ou FDX2 devient supérieure à celles de NFS1 et ISCU, la réaction d’assemblage est ralentie, permettant ainsi de réguler finement la biosynthèse des clusters Fe-S.
Le projet FESAM vise à répondre à plusieurs questions concernant le processus d’assemblage:
(i) Par quel mécanisme le fer et le persulfure sont-ils insérés de manière séquentielle dans ISCU?
(ii) Comment les ions sulfures produits par réduction de persulfure sont-ils retenus au sein d’ISCU ?
(iii) Comment le centre [2Fe2S] est-il généré à partir d’un centre mononucléaire à fer dans ISCU ?
(iv) Par quel mécanisme FXN accélère-t-elle le transfert de persulfure ?
(v) Comment l’assemblage est-il régulé en fonction des concentrations relatives de FXN et FDX2 ?
Pour répondre à ces questions, le projet FESAM s’appuie sur la reconstitution in vitro d’une machinerie ISC murine fonctionnelle et physiologiquement pertinente, à partir des protéines ISCU, NFS1, FDX2, FDXR et FXN purifiées. Nous avons également réalisé une étude parallèle avec le système ISC procaryote reconstitué nous ayant permis d’isoler des intermédiaires non accessibles avec le système mammifère. Grâce à ces systèmes, nous avons observé que le transfert de persulfure et sa réduction par FDX2 sont des processus fer-dépendants impliquant la formation d’espèces transitoires fer-persulfure et fer-sulfure. Nos données suggèrent également que la formation de centre [2Fe2S] passe par la dimérisation d’ISCU et que la régulation du processus d’assemblage repose sur une compétition entre FXN et FDX2 pour la fixation à NFS1 et ISCU.
Sur la base de ces données, l’objectif global du projet FESAM est d’établir la séquence d’assemblage des clusters Fe-S par la caractérisation moléculaire et atomique fine des intermédiaires de ce processus par RPE, XAS, Mössbauer, Masse native, cristallographie aux rayons X et cryo-EM. Le projet repose sur une collaboration entre quatre groupes complémentaires et experts en biochimie, spectroscopies et structures des métalloprotéines. Ce projet devrait permettre d’établir les bases structurales du processus de biosynthèse des clusters Fe-S, du mode d’action de FXN et de la régulation croisée par FXN et FDX2. Ces données auront des retombées significatives dans le domaine biomédical pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques pour le traitement de l’ataxie de Friedreich et des autres maladies liées à un défaut de biosynthèse des clusters Fe-S.