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Transformer le ribosome en capteur moléculaire
Peptides d'arrêt
Lors de la traduction, les protéines naissantes traversent un long tunnel traversant la grande sous-unité ribosomique avant d'être libérées dans le cytoplasme ou délivrées à la membrane.
Bien que la plupart des protéines puissent facilement accomplir ce trajet, certains peptides naissants, appelés peptides d'arrêt, bloquent le ribosome qui les produit, impactant ainsi l'expression des gènes en aval sur le même ARNm. Comme le blocage nécessite parfois de petites molécules spécifiques, comme des acides aminés ou des antibiotiques, les peptides d'arrêt sont utilisés pour contrôler l'expression génique en réponse à des métabolites chez les bactéries et les eucaryotes.
L’un des principaux objectifs de notre groupe est de comprendre comment les peptides d’arrêt programment les ribosomes pour devenir des capteurs de petites molécules.
Nos publications phares
Capteurs moléculaires
Nous avons identifié un nouveau peptide d'arrêt, appelé SpeFL, et montré que l'acide aminé L-ornithine provoque le blocage des ribosomes traduisant speFL, ce qui induit la biosynthèse des polyamines chez les γ-protéobactéries (Herrero del Valle et al. (2020) Nat Microbiol). Grâce à la cryo-EM, nous avons révélé comment le ribosome et SpeFL forment un site de liaison hautement sélectif pour capturer la L-ornithine, et comment cela conduit finalement à l'arrêt de la traduction. En collaboration avec les groupes Cruz-Vera (Univ. d'Alabama à Huntsville), Sachs (Texas A&M) et Mankin et Vázquez-Laslop (Univ. d'Illinois à Chicago), nous avons élucidé le mécanisme par lequel TnaC, un peptide d'arrêt présent dans les bactéries Gram-négatives, agit comme un capteur de L-tryptophane pour déclencher la production de la molécule de signalisation indole (van der Stel et al. (2021) Nat Commun). Ces études suggèrent que les peptides d'arrêt qui détectent les petites molécules ayant une faible affinité intrinsèque pour le ribosome sont susceptibles d'opérer sous contrôle cinétique, ce qui signifie que des concentrations élevées de ligand sont nécessaires pour assurer leur capture efficace par le ribosome.
Reconnaissance de la L-ornithine par un complexe SpeFL–70S. a, Carte de densité d'un complexe SpeFL–70S. b, c, Densité et modèles moléculaires de SpeFL et de L-ornithine
Analyse mutationnelle profonde de ErmDL réalisée par iTP-Seq
Peptides d'arrêt dépendants des antibiotiques
Les peptides d'arrêt peuvent également détecter de petites molécules présentant une affinité intrinsèque pour le ribosome, comme l'illustre l'induction par les antibiotiques de certains gènes de résistance chez les bactéries. Par exemple, les ribosomes traduisant les séquences leaders des gènes de résistance à l'érythromycine (erm) se bloquent en présence d'antibiotiques macrolides. Ce blocage des ribosomes induit un réarrangement de la structure secondaire de l'ARNm, qui conduit à l'expression du gène de résistance.
En collaboration avec les groupes Wilson (Univ. de Hambourg), Mankin et Vázquez-Laslop (Univ. de l'Illinois à Chicago) et Grubmüller (MPI Göttingen), nous avons montré comment les antibiotiques macrolides sont détectés par le peptide d'arrêt ErmDL pour induire l'expression du gène ermD (Beckert et al. (2021) Nat Commun). En utilisant l'iTP-Seq, une méthode de profilage développée dans notre groupe, nous avons effectué une analyse mutationnelle approfondie du peptide ErmDL. En combinaison avec les données structurales et biochimiques de nos collaborateurs, nos données ont révélé qu'ErmDL utilise des mécanismes distincts pour détecter et répondre aux antibiotiques étroitement apparentés que sont l'érythromycine et la télithromycine. Révéler les mécanismes par lesquels de faibles doses d'antibiotiques activent les gènes de résistance pourrait aider à concevoir des antibiotiques qui n'induisent plus ces facteurs de résistance.
Diversité des peptides d'arrêt détectant des métabolites
Malgré des avancées récentes, la gamme complète des métabolites pouvant être détectés par les peptides naissants est inconnue, et les bases moléculaires de cette détection commencent tout juste à être comprises.
En utilisant la bioinformatique, la cryo-EM et des outils à haut débit développés en interne – tels que l’iTP-seq (Seip et al. , (2018) Life Sci Alliance) – nous continuons à répondre systématiquement à ces questions afin de révéler la véritable étendue de la détection des métabolites par les peptides d’arrêt.